（高电压与绝缘技术专业论文）山岩地区利用杆塔基础降低杆塔接地电阻的方法研究.pdf

摘要 架空线路杆塔接地对电力系统的安全稳定运行至关重要，降低杆塔接地电 阻是提高线路耐雷水平，减少线路雷击跳闸率的主要措施。在高土壤电阻率地 区，特别是在山区，要把杆塔接地装置的接地电阻降到规定值非常困难。而且 在山岩地区本身就很难施工，这给降阻带来了更大的困难。 为了更加有效地降低杆塔的接地电阻，可以在做杆塔基础时就考虑降低接 地电阻的问题，即利用杆塔基础降低杆塔接地电阻。通过对福建省后石泉州 5 0 0 k v 线路的调研，提出了在杆塔基础周围埋设新型集中式接地装置的降阻措 施。根据地电流场理论，建立了集中式接地装置运行时的物理模型。根据电场 计算方法和物理模型建立了接地装置的计算等效模型并提出了计算公式。然后 采用模拟电荷法在m a t l a b 中对新型集中式接地装置进行了仿真分析和研究计 算，验证了理论和公式的正确性。通过大量的仿真计算，分析了新型集中式接 地装置的接地电阻与土壤电阻率、接地体的底面边长、高和埋深、降阻剂用量 等影响因素的关系，为工程中对接地装置的设计提供了参考。 到福建漳州地区进行现场试验，设计了两基杆塔基础的集中式接地装置并 进行了施工、测量。对现场测量和理论计算的接地电阻值，从模型简化造成的 影响，施工过程中的影响和测量时的影响三个方面进行了分析，进一步验证了 理论推导、计算模型和方法的正确性。 在基础四周埋设新型集中式接地装置的新型降阻措施，为降低杆塔接地电 阻问题提出了一条新的途径，填补了国内外该项研究领域的空白，同时也为研 究高土壤电阻率地区的降阻开辟了新的方向，具有很好的现实意义和实用价值。 关键词：接地电阻；杆塔基础：模拟电荷法；集中式接地装置；降阻剂 a bs t r a c t t o w e rg r o u n d i n go fo v e r h e a dl i n ei sv i t a lt ot h es a f ea n ds t e a d yo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m ，a n dr e d u c i n gt o w e rg r o u n dr e s i s t a n c e i st h em a i nm e a s u r e m e n tt o i n c r e a s el i g h t n i n gr e s i s t a n c el e v e l ，a n dt or e d u c el i g h t n i n gs t r o k et r i pr a t e i na r e a w h e r es o i lr e s i s t i v i t yi sp r e t t yh i g h ，s p e c i a l l yi nm o u n t a i na r e a ，i ti sq u i t ed i f f i c u l tt o r e d u c et h eg r o u n dr e s i s t a n c eo ft o w e rg r o u n dd e v i c et od e f i n e dv a l u e b e s i d e s ，i ti s f a i r l yh a r dt oc o n s t r u c ti ny a m a i w ar e g i o n ，w h i c hm a k e s i tm o r ed i f f i c u l tt or e d u c e g r o u n dr e s i s t a n c e i no r d e rt or e d u c eg r o u n dr e s i s t a n c em o r ee f f e c t i v e l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h e i d e at h a tr e d u c et h eg r o u n dr e s i s t a n c ew h e ns t a r t i n gs e tt h et o w e rf o u n d a t i o n ，i e r e d u c i n gt o w e rg r o u n dr e s i s t a n c eb yu s i n gt o w e rf o u n d a t i o n b ys t u d yo n5 0 0 k v t r a n s m i s s i o nl i n e si nh o u s h i - q u a n z h o uf u j i a np r o v i n c e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s b u r y i n gn o v e lc e n t r a l i z e dg r o u n d i n gd e v i c ea r o u n d t o w e rf o u n d a t i o nt or e d u c e g r o b n dr e s i s t a n c e p h y s i c a lm o d e li s f o u n dw h e nc e n t r a l i z i n gg r o u n d i n gd e v i c e b a s e do ng r o u n dc u r r e n tf i e l dt h e o r y c a l c u l a t i o ne q u i v a l e n tm o d e l o fg r o u n dd e v i c e i se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt oe l e c t r i cf i e l dm e t h o da n dp h y s i c a lm o d e l ，t o g e t h e rw i t h c a l c u l a t i o nf o r m u l a t h e n ，m a t l a bi sa d o p t e dt o d os i m u l a t i o na n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no nc e n t r a l i z i n gg r o u n d i n gd e v i c eb yc h a r g es i m u l a t i o nm e t h o d ，w h i c h p r o v e sv a l i d i t yo ft h e o r ya n df o r m u l a b yp l e n t ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pa m o n gg r o u n dr e s i s t a n c eo f n o v e lc e n t r a l i z i n gg r o u n d i n g d e v i c ea n ds o i lr e s i s t i v i t y , u n d e r s i d e ss i z e ，h e i g h ta n db u r i e dd e p t ho fg r o u n dd e v i c e ， a n d 锄o u n to fr e s i s t a n c e r e d u c i n ga g e n t ，p r o v i d i n gr e f e r e n c ef o rg r o u n dd e v i c e d e s i g n f i e l dt e s tw a sd o n ei nz h a n g z h o u ，f u ji a np r o v i n c e ，c e n t r a l i z i n gg r o u n d i n g d e v i c ei sd e s i g n e df o rt w ot o w e rf o u n d a t i o n s ，t o g e t h e rw i t ht h ec o n s t r u c t i o na n d m e a s u r e m e n t b a s e do ng r o u n dr e s i s t a n c eo ff i e l dt e s ta n dt h e o r yc a l c u l a t i o n ，t h e p a p e ra n a l y z e st h r e ea s p e c t s f r o mi n f l u e n c eo fs i m p l i f i e dm o d e l ，i n f l u e n c ei n p r o c e s s i o no f c o n s t r u c t i o na n dm e a s u r e m e n t ，v a l i d a t i n gc o r r e c t n e s so ft h e o r yp r o v e c a l c u l a t i o nm o d e la n dm e t h o d t h en o v e lr e s i s t a n c e r e d u c i n gm e a s u r e m e n tt h a tb u r y i n gn o v e lc e n t r a l i z i n g g r o u n d i n gd e v i c ea r o u n dt o w e rf o u n d a t i o np r o v i d e s an e ww a yt or e d u c et o w e r g r o u n dr e s i s t a n c e ，s u p p l i e sag a po nr e s e a r c ho fs u c ha r e a ，m e a n w h i l eg i v e s an e w d i r e c t i o nt or e s i s t a n c e r e d u c i n gf o ra r e aw i t hh i g hs o i lr e s i s t i v i t y , h a v i n gg o o d r e a l i t ys i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：g r o u n dr e s i s t a n c e ；t o w e rf o u n d a t i o n ；c h a r g es i m u l a t i o nm e t h o d ； c e n t r a l i z i n gg r o u n d i n gd e v i c e ；r e s i s t a n c e r e d u c i n ga g e n t i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：孝壶勉 日期：矽口髟年厂月f9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：功呓年r 月f 7 e t 日期：矿矽年j - 月 之卜刚趔保彘孝 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 接地系统是维护电力系统、设备正常运行，保障人身、设施的安全，防止 雷电和静电危害等必不可少的措施。接地电阻值是衡量接地效果的主要参数， 特别是输电线路杆塔接地装置的接地电阻大小直接影响到系统的防雷效果，尤 其是对送电线路的耐雷水平影响较大1 1 。线路遭雷击时，可能因反击引起绝缘子 损坏、架空地线和导线断线，造成线路跳闸。由于各种原因的影响，会出现接 地系统不满足设计要求、施工量大等不利情况，特别是在一些土壤电阻率较高 的地区，要设计一个技术和经济上都合理且接地电阻值较低的接地装置，是非 常困难的。如何在保证良好的经济效益比的同时，使周围土壤电阻率较高的电 力设施的接地电阻达到规程要求，便成为电力系统迫切需要解决的问题咧。， 对于降低接地电阻，在工程中常常采用的措施主要有增大地网面积、增大 接地体的尺寸、增加接地体的埋深、引外接地、利用自然接地体、换土、采用 降阻剂等 6 - 9 1 。这些降阻措施都有其相对的应用条件，针对不同的地区，不同的 土壤条件采用不同的方法才能有效的降低接地电阻。这些方法也可以视具体情 况配合使用，以获得最大的降阻效果。 而位于山区的送电线路，由于土壤电阻率高、地形、地势复杂，交通不便， 施工难度大，杆塔接地电阻普遍偏高【1 0 1 。对送电线路雷害事故进行深入的调查 还发现，经常发生雷害事故的线路段，一般都是若干基杆塔接地电阻连续偏高， 或有大跨越、大档距存在。这是因为在这些地段一旦杆塔遭受雷击相邻杆塔不 能有效分流，而被击杆塔流过大部分的雷电流，由于接地电阻较高造成了较多 的塔顶电位，一旦绝缘子串两端的电位差大于绝缘子中的5 0 冲击放电电压时， 绝缘子发生击穿，即“反击一所致。山区地质、地势复杂，土壤电阻率偏高， 据我们调查南方山区的土壤电阻率有的甚至高达2 0 0 0 q m - - 5 0 0 0 2 m ，且有的 山区土层较薄或根本没有土壤，基本上全为岩石，且交通不便，这就给杆塔接 地装置的施工带来了非常大的难度。 为了更加有效地在山岩地区降低杆塔的接地电阻，可以考虑一些新的途径。 如在做杆塔基础时就考虑降阻问题，利用杆塔基础降低杆塔接地电阻。即在杆 塔基础的施工中把自然塔基改造成降阻塔基，不像以前那样在输电线路杆塔施 工完成后再利用其他一些降阻的方法来降低接地电阻。这样不仅可以较好地降 低接地电阻值；而且有效地节省了空间，避免了接地射线和接地装置无处可放 的问题：同时也避免了接地工程的二次施工，降低了工程造价，提高了经济效 益；也为高土壤电阻率地区的降阻提出了一条新的途径。利用杆塔基础来降低 杆塔接地电阻是一种全新的技术，研究领域目前在国内外还处于空白状态。 随着经济的发展，对输电线路供电可靠性的要求越来越高。同时伴随着电 网的发展，雷击输电线路引起的跳闸、停电事故也日益增多。据电网故障分类 统计表明，在我国跳闸率较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由于雷 击原因的事故次数约占4 0 - - 7 0 。尤其是在多雷、土壤率高、地形复杂的山 区，雷击输电线路引起的事故率更高，带来巨大的损失 1 1 1 。福建省位于我国东南 丘陵地区，地形复杂，俗话说有“八山一水一田”的特点。省内山区较大部分 属于高土壤电阻率地区，输电线路杆塔接地电阻难以达到规程要求。为减少山 区送电线路雷击跳闸率，提高送电线路的耐雷水平，福建省电力有限公司根据 福建省的实际情况，提出了“山岩地区利用杆塔基础降低杆塔接地电阻方法研 究”的科研项目。 设计出技术先进、经济合理的接地系统是目前急需解决的问题。研究开发 出具有降阻作用的杆塔基础，对降低山岩地区的杆塔接地电阻将起到事半功倍 的作用。论文以选定的典型输电线路为试点工程，通过理论分析、仿真计算、 现场试验等研究，提出行之有效的方法，经济合理地降低杆塔接地电阻。因此， 论文对保障电力系统的安全可靠运行及运行人员的安全具有重要的理论意义和 实际意义，同时具有显著的社会经济效益。 1 2 杆塔接地电阻标准与现状 线路杆塔的接地电阻主要根据防雷接地的要求来决定。高压输电线路中， 一般每基杆塔下都设有接地装置，并通过引线与杆塔连相接。根据实际运行经 验，从技术经济角度出发，对于不同土壤电阻率地区，对架空线路杆塔的接地 电阻和接地装置的布置型式在标准 1 2 d ，】中都提出了具体的要求，是设计、安装和 改造架空线路杆塔接地的依据。 1 2 1 杆塔的接地电阻标准 1 2 1 1 有避雷线线路杆塔的接地电阻 有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线时的工频接地电阻，在雷季干燥时， 不宜超过表1 1 所列数值。雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和 线段，应改善接地装置，适当提高绝缘水平或架设耦合地线。 2 表1 1 有避雷线的线路杆塔接地电阻 土壤电阻率 1 0 0 1 0 0 5 0 0 5 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 0 - 2 0 0 0 2 0 0 0 ( q m ) 接地电阻( q ) 1 01 52 02 5 3 0 注：如土壤电阻率超过2 0 0 0q 朋，接地电阻很难降低到3 0q 时，可采用6 8 根总长不 超过5 0 0 m 的放射形接地体，或采用连续伸长接地体。其接地电阻不受限制 1 2 1 2 无避雷线线路杆塔的接地电阻 对于中雷区及多雷区3 5 k v 及6 6 k v 无避雷线线路，宜采取措施，减少雷击 引起的多相短路和两相异地接地引起的断线事故，钢筋混凝土杆和铁塔宜接地， 其接地电阻不受限制，但多雷区不宜超过3 0q 。钢筋混凝土杆和铁塔应充分利 用其自然接地作用，在土壤电阻率不超过1 0 0 q m 或有运行经验的地区，可不 另设人工接地装置。 1 2 2 杆塔接地现状 线路杆塔的接地一般设计为放射状水平接地体，文献【1 3 】对高压架空线路杆 塔接地装置的型式做了具体的要求如下表1 2 ，并规定“在土壤电阻率p 2 0 0 0 q m 地区，可采用6 8 根总长不超过5 0 0 m 的放射形接地级或连续伸长接地极。 放射形接地极可采用长短结合的方式。接地极埋设深度不宜小于0 3 m 。 表1 2 杆塔放射形接地极每根的最大长度 土壤电阻率( q m ) 1 0 0 1 0 0 02 0 0 05 0 0 0 最大长度( m ) 4 06 08 01 0 0 山岩地区一般具有较高的土壤电阻率，而且地形、地势复杂，交通不便， 施工难度大，杆塔接地电阻普遍偏高。利用放射状水平接地体的降阻效果并不 是很好，福建省内部分线路的杆塔接地电阻测量值如表1 3 所示。 表1 3 福建省部分线路杆塔接地电阻测量值 线路杆号r ( q ) 线路杆号r ( q )线路杆号r ( q ) 古杨线# 2 7 7 3 5水杨线# 6 0 2 5 8 3沙顺线2 41 0 5 7 古杨线# 2 8 4 6 2 水杨线# 6 1 4 7 沙顺线2 5 6 5 3 古杨线# 2 9 1 9 8 2 水杨线# 6 21 0 7 6 沙顺线2 6 8 2 2 古杨线# 3 0 4 8 3 水杨线# 6 3 3 8 1 0 沙顺线2 7 3 9 9 古杨线撑3 17 7 水杨线# 6 4 3 5 7 沙顺线2 8 1 2 0 8 古杨线# 3 2 6 7 9 水杨线# 6 51 0 0 9 沙顺线2 9 4 2 2 古杨线# 3 3 4 8 2水杨线# 6 61 1 0 5沙顺线3 0 2 0 5 3 古杨线# 3 4 2 3 5 5 水杨线# 6 7 2 3 1 沙顺线3 1 6 4 4 古杨线# 3 5 7 6 水杨线# 6 8 2 3 2 4沙顺线3 2 2 8 8 古杨线# 3 6 3 8 4 水杨线# 6 9 3 2 6 沙顺线3 3 8 2 5 线路杆号 r ( q ) 线路杆号 r ( q ) 线路杆号 r ( q ) 杨童线# 2 39 8 2水马线撑9 2 0 7 9 红甘线# 1 0 1 1 5 杨童线# 2 4 9 2 4 水马线# 1 0 1 2 2 5 红甘线撑1 1 1 7 6 杨童线# 2 5 1 2 4 5 水马线撑l l 无法测量红甘线# 1 2 6 6 l 杨童线# 2 6 5 1 8 水马线# 1 2 2 7 4 2 红甘线# 1 3 2 6 7 杨童线# 2 7 6 1 4 水马线# 3 5 4 6 3红甘线# 1 4 3 4 5 杨童线# 2 8 5 7 水马线# 3 6 1 1 9 7 红甘线群1 5 3 2 9 杨童线# 2 9 6 9 6 水马线# 3 7 1 0 3 6红甘线# 1 62 4 9 杨童线# 3 0 8 8 6 水马线# 3 8 7 9 3 红甘线# 1 7 2 0 3 杨童线撑3 1 9 0 水马线# 3 9 6 5 4红甘线拌1 8 1 1 3 杨童线# 3 2 1 6 5 4 水马线# 4 0 4 5 4 红甘线# 1 9 3 6 5 注：本表中杆塔接地电阻测量数据测量方法均采用规程推荐的补偿法 由上表中的数据可以看出，福建省内线路杆塔接地电阻存在普遍超标现象， 有的甚至到达了数百欧。这就为电力系统安全稳定运行构成了很大的威胁。 1 3 国内外杆塔降阻措施的研究 高压输电线路中，一般每基杆塔下都设有接地装置，并通过引线与杆塔相 连接。根据实际运行经验，从技术经济和运行安全角度出发，杆塔接地电阻值 的大小应参照规程 t 2 】要求，在高土壤电阻率地区尽可能地降低杆塔接地电阻。 现在降低杆塔接地电阻采取的主要措施有： 1 水平外延接地 假设杆塔所在的地方允许水平放射接地体时应尽量采用水平放射方式。因 为水平放射施工费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以降低冲击接地电 阻，起到有效的防雷作用。关于水平放射的形状和方位可根据现场实际情况而 定，水平放射的长度可按表1 4 要求取；但如在水平放射长度的1 5 倍范围内 有较低土壤电阻率的地方，可以采用外引接地的方式。常用的杆塔水平接地体 的形状见表1 5 。 4 表1 4 架空线路杆塔接地放射接地极每根的最大长度 土壤电阻率 5 0 01 0 0 02 0 0 0 5 0 0 0 ( q m ) 最大长度( m )4 06 0 8 01 0 0 表1 5 水平接地体的形状 序号 1234567891 0 水平接地 o i l 时， 方形底板v = h c ( b 2 + 2 耽t a l l e r + 磁t a n 2c t ) + b 2 ( 忽一) ( 2 4 ) 圆形底板v = 吃( d 2 + 2 d h 。t a n a + h ；t a n 2t z ) + d 2 ( 噍一吃) ( 2 5 ) 式中，b 方形底板边长，对于板条底板或花窗金属，底板当用于粘性土 或风化岩地基时，可按实底计算； d 一一圆形底板的直径； 口回填土的计算上拔角； ，基础回填抗拔土体的临界深度。 按“土重法 计算上拔稳定时还应考虑下列附加因素的影响，主要包括： ( 1 ) 设计水平力对抗拔力的影响； ( 2 ) 基础底板坡度的影响； ( 3 ) 相邻基础同时承受上拔力的影响。 由上述方法的计算原理和公式可以看处，使用本接地降阻装置后，对上述 两种方法中的各种计算参数基本没有影响，在距离基础周围l m 远的地方埋入钢 筋笼和降阻剂，厚度只有1 0 c m 左右，整个接地装置置换土壤约为3 m 3 ，而且装 置中的钢筋和降阻剂实际上增加了置换土壤的重量。对抗拔土体的临界深度， 土体饱和状态下的凝聚力，天然土的容重等参数的影响是微乎其微的，基本可 忽略不计。所以，使用本接地装置对基础的稳定性是没有影响的，不必采用加 大底板尺寸或其他的措施来进行防护。 2 5 新型接地装置的特点 新型集中式接地装置是利用杆塔基础来降低杆塔的接地电阻，它具有以下 几个方面的特点： 2 5 1 占用空间少 以往的放射状水平接地体在山岩高土壤电阻率地区降阻效果有限，其主要 原因是在高土壤电阻率地区，水平射线要有足够的长度和放射空间。文献 1 3 】 中明确规定：“在土壤电阻率p 2 0 0 0q m 地区，可采用6 - 8 根总长不超过5 0 0 m 的放射形接地级或连续伸长接地极。 而山岩地区的杆塔一般架设在山坡或山头 上，通常无法满足射线长度的要求，在有的地方受地形、地势的影响甚至无法 做水平射线。而新型集中式接地装置是有效地利用杆塔基础，在基础四周一定 深度内埋设，占地面积小。基本不受杆塔所处地点的地形、地势影响，避免了 水平射线埋设时占用较大面积的问题。 2 5 2 散流效果好 可根据需要设计新型接地装置的尺寸和降阻剂用量，不受其它因素的影响。 集中式接地装置本身具有很好的散流特性，而且装置中两层横向接地棒插入周 围土层中，可起到扩大有效散流半径，进一步消除接触电阻等作用。降阻剂湿 润后其中的电解离子也可沿横向接地棒更好地扩散、渗透到周围土壤中去，改 善土壤电阻率。 2 5 3 与基础同时施工 一般线路的接地都是在杆塔架好以后才考虑接地电阻的问题，在基础完工 后再进行接地降阻施工。新型利用杆塔基础的接地装置则从思想上进行了革新， 即在架设杆塔的同时就考虑接地电阻的问题，把降阻装置与杆塔基础同时施工。 杆塔基础完工的同时接地电阻也得到了处理，避免了电建的二次施工。 2 5 4 施工方便 新型集中式接地装置利用原有基坑放置，不需要重新开挖土方，施工方便。 接地装置在基坑内进行焊接后既可回填，只是回填降阻剂比直接回填土壤时要 慢。而新型装置本身的尺寸不大，对整个基础工程进度来说没有影响。 1 6 2 5 5 经济性 新型接地装置较水平射线使用材料少，而且避免了二次施工，与基础一起 施工方便，也可节省一部分施工费用。 综上所述，新型利用杆塔基础的集中式接地装置占用面积小，降阻与散流 效果好，施工方便，具有一定的经济性，适用范围广，具有很大的应用前景。 1 7 3 1 形式设计 第三章新型接地装置的计算 利用基础周围较小范围内的土壤降低杆塔接地电阻，在基础立柱周围用钢 筋围成一方形立体钢筋笼，为避免钢筋笼影响基础的稳定性，钢筋笼距基础底 板和立柱都保持一定距离，中间回填土壤。 钢筋笼的边框采用较粗并且具有较好散流性的0 2 2 圆钢作为支撑主体，再 在钢筋笼的四个侧面用较细的1 0 圆钢拉成2 5 e m 2 5 c m 的方孔网状结构。 为了进一步扩大接地体的有效半径，增大散流作用，在钢筋笼四周水平打 入一些o 6 m l m 的短接地棒，这些短接地棒可采用1 6 的圆钢。钢筋笼结构 示意图见图3 1 ，钢筋笼与基础位置图见图3 2 。 阻 图3 1 钢筋笼示意图图3 2 钢筋笼与基础位置示意图 然后，在整个钢筋笼外部添加g p f 一9 4 高效膨润土降阻防腐剂把整个钢筋 笼包起来，进一步起到降阻作用，同时对钢筋笼也起到了防腐作用，如图3 3 所 示。整个装置埋入地中的形式见图3 4 。 图3 3 添加g p f - 9 4 高效膨润土降阻防腐剂后的钢筋笼 图3 4 接地装置示意图 3 2 物理模型与计算公式的推导 接地体散流电阻的大小与土壤电阻率及接地体的几何形状、尺寸等因素相 关，其散流电阻值可通过求解电流场的方法得到。本节根据恒流场理论，结合 新型接地装置自身的特点，建立了其恒流场的物理模型。 3 2 1 基本原理 当直流或交流电流通过接地体与大地，将会在地下建立起恒定的电流场。 与静电场相仿，恒定电场也是由电荷产生的。其中的电荷虽具有宏观运动，但 电荷的分布规律是不随时间变化而改变的，是恒定的。由恒流场理论【：审：，】，任意 点p ( x ，y ，z ) 处的电位满足拉普拉斯方程： 1 9 v ( 吉v 刁= 。 v 缈：塑7 + 鲤7 + 鲤石 缸 却。 瑟 ( 3 1 ) 在假定土壤为各向同性且均匀分布的情况下v ! ：0 ，因此，式( 3 1 ) 变为 p v 2 9 = 0 ( 3 2 ) 地中的电流场具有如下的一些基本性质【2 哪! ： ( 1 ) 地中的电流密度6 与电场强度e 的正比性。 电流场的场函数为电流密度6 ，它是一个矢量。电流场中某一点的电流密度， 其方向是该点正电荷运动的方向，其大小等于通过在该点垂直于正电荷运动方 向的单位面积的电流强度d i 与该单位面积的比值，即： 。d i d = d s ( 3 3 ) 若矢量6 与元的面积正法线成b 角，则d = a e o s 脚s ，d i 是通过元面积d s 的电荷对时间的变化率，即 i ：l 勰 占 ( 3 4 ) 在电流场中的任意一点上，电流密度6 与电场强度e 的关系是 e = p 艿( 3 5 ) 上式即欧姆定律的微分形式。由于它在地中任意一点均成立，所以它适用 于任何结构的不均匀土壤和不均匀电流密度分布函数的情况。在各向同性电介 质中，断雷的方向一致，而在非各向同性非均匀介质中，研口雷的方向不一致。 恒定电流场是指场中各点的电流密度的大小和方向都不随时间变化的电流场。 对于频率较低的工频电流场，也可近似作为恒定电流场来处理。 在恒定电流场中电荷的运动是稳定的。可以在电流流过的空间范围绘制出 曲线来形象地描绘电流场的分布，使曲线上各点的切线与该点的电流密度方向 一致，此曲线叫电流线。电流线是闭合的，或延伸到无穷远，从上式可看出， 在电阻率较小的地方或电场强度较强的地方，电流线的密度较大。 ( 2 ) 地中电流场的连续性。 式： 对于恒定电流场，包含电流强度为i 的电流源的任意闭合曲面的通量表达 矗孤：i i s ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 0 0s 为包围电流源的闭合曲面。式( 3 6 ) 表示电荷守恒定律，它说明 电荷既不能无中生有，也不能消灭，如果闭合曲面内不含电流源，则式( 3 6 ) 变 为： 矗孤：0 占 ( 3 7 ) 式( 3 7 ) 说明在恒定电流场电流是连续的，即在任何闭合曲面内，正电荷或 负电荷不会不断积累，其微分形式为 d i v 8 = = 0 ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 表明在恒定电流场中，电流线是无源的，既无始端也无终端。 ( 3 ) 恒定电流场的势场性。 由恒定电流场电荷在空间的分布是稳定的，即不随时间的改变而改变，因 而它和静电场一样也是一种势场，在恒定电流场中任一点m 的电位u 等于单位 正电荷从该点移动到无穷远处电场力所做的功： u = f e c l s 故电场强度与电位梯度有如下关系： e = - g r a d u ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 势场是一种无旋场，在地中有导电土壤组成的任一闭合回路中，电流场所 做的功恒等于零，即 矗雹d f ：0 j 式( 3 1 1 ) 的微分形式是： r o t e = 0 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 当入地电流通过接地体流入大地的时候，由于接地体本身有一定的电阻， 2 1 所以严格说来，接地体上各点的电位是不相等的。但是，由于导体的电阻相远 小于散流电阻，因此忽略了导体本身的电阻，从而认为导体是一个等势体。也 就是说对于接地体上的一点j ，设在有入地电流流过接地体上时，有 u ，i j e r = u o ( 3 1 3 ) 其中，u 一- j 点的电位； r 一一接地体的表面； u o 常数。 由于地电流场的基本方程和边界条件与静电场的基本方程和边界条件有相 似的形式，地电流场可以等效为静电场问题来处理。 地电流场的基本性质： ( 1 ) 万：妒：旦 p ( 2 ) 舾= ， ( 3 ) u = e e d s ( 3 1 4 ) 由性质( 1 ) ，我们可以用介质介电常数占= l i p ，点位移矢量d = 6 的静电场 来仿真模拟电流场，二者有相同的电场强度分布。由性质( 2 ) ，模拟场中导体所 带的电荷的数量等于电流场中的电流源的电流大小。由性质( 3 ) ，地电流场中m 点的电位与静电场中对应的m 点的电势相同。 3 2 2 物理模型 由于恒流场的电荷的分布规律决定于地下客观存在的岩石和土壤的分布规 律，但是由于土壤构成的多样性和复杂性，不可能用某一个模型来描绘实际的 土壤的分布规律，因此在建模型的时候将土壤近似当作各向同性的均匀电介质。 根据电流场边界条件可知，由接地电极流出的接地电流以放射状向各个方 向扩散。当接地电流由圆柱形接地电极向周围土壤流出时，接地电流在柱体的 不同部分电流密度不同。但是，要考虑电流密度的不同并作解析计算是十分麻 烦的。在接地电极的理论分析中，一般采用均匀电流法将电流密度取作一定值 来求解散流电阻。实践证明，均匀电流法取得的计算结果能够满足接地工程计 算精度的要求3 2 l ： 新型集中式接地装置为略带倾角的正平行六面体结构，为了计算方便，可 以简化为一个规则的圆柱形接地电极来求解，如图3 5 ( a ) 所示，原钢筋笼的横截 面为一边长为l 的正方形，可按周长等效的原则将其转换成为一个半径r = o 6 4 a 的圆形如图3 5 ( b ) 。 ( a )( b ) 图3 5 钢筋笼横截面等效示意图 则整个接地装置添加降阻剂后等效模型示意图如图3 6 所示。 垂要蓦嚣隧珏。 茎黧 = 三= ：， l 一一 兰= = = j ：= = ： 兰三刍 t ：= 三= 兰= 三 ；兰兰三l e 二三圭= 三 ，? 降阻剂和钢筋笼 龟， 罄_ 懒土 三善7 二二= ) ! f ：兰三誊： 孽蓦；基童 2 ：= ： = = 三= 一f ，e ：= 二= ! 等三三二。；= 三三三三兰 薹亨；董蚕 i 衙j 一l ：仁= ! 气 零蒸 基础立柱 图3 6 添加降阻剂后等效模型 设圆柱的高度为l ，直径为d = 2 r ，经它流入地中的电流为i ，电极处于均匀 无限大的介质中。在近似计算中可忽略端部效应而认为流入地中的电流沿圆 柱表面均匀分布，也就是说，沿圆柱高度流散的电流密度6 为 ， 艿= 1 ( 3 1 5 ) r 、， 二7 ，上。 根据图3 7 ，不难写出以圆柱坐标( r ，o ，z ) 所表示的空间任一点n ( r n 、 o ，z n ) 的电位为 图3 7 圆枉彤瑗地装置的分析 g , , - - 去等 l一8 2 刀d z = 一 l = = = = = = = = = = = = = = = = 4 z r s 与( z 一z ) 2 + ，2 ：上l i l 圣堕立 3 j 6 4 刀吐z 一三+ x l ( z , 一三) 2 + 厂2 或：上( s h 一- 鱼一砌一盈兰) 4 # e j , r n r n 由式( 3 1 6 ) - - 得出在圆柱形接地电极在空间各个点的电位。为了提高计算精 度，还可在假定电流均匀分布的基础上采用平均电位法 6 1 ，即用导体各点电位的 平均值作为导体的电位。在式( 3 1 6 ) 中令r m = d 2 = ，用变量z 取代z n ，对变量 z 由零积分到i 。再用i 去除即可得导体的平均电位v a 为 圪= 去p 1 手硝1 争 = 矗c 三硝1 詈一厮， n ：矗c 三札牢l + 3 亭+ r 2 一厮】 因此，用平均电位法所得到的电极的接地电阻为 出i 卫2 z r l 睁拦芒一厮l n i 三 ，v、三7 l 、 接地体实际上处于地表下，有一定的埋深h ，地表面的影响不能忽略。此时 地表面成为全空间的平分面，我们把这样的问题称为半空间问题。由于在地表 面与空气的分界面上，除电流流入点外，电流密度函数满足： 瓯= 0 ( 3 1 9 ) 这相当于在地表面的上面有一个与接地装置关于地表面对称的电流源，并 且充满电阻率为p 的媒质。由于电流源是假想的，被称之为镜像电流源，这种 处理地表面的影响的方法被称之为镜像法1 2 6 。 厂一一 i 镜像l 地平线 图3 8 接地装置与镜像模型示意图 接地装置的电流场是在充满电阻率为p 的媒质的空间中的两个共轴相对的 接地体的电流场的地平线下的一半，如图3 8 所示。略去复杂的计算和推导过程， 并在处理时做相应的简化，同时参考了一些相关的经验公式 3 3 3 5 1 ，提出了较为简 约形式的接地电阻计算公式： r = 等睁h 型竽糍一小峥i b 2 。， 庇l 工 ，4 + 三v、三7 i 、 再考虑添加g p f 一9 4 高效膨润土降阻防腐剂的降阻作用，该降阻剂埋入土 壤后，可扩散并利用横向短接地体连接到周围原状土层和岩层的裂缝中，起到 改善周围土壤电阻率的作用。根据以往的试验数据和使用经验，可用一个降阻 系数k 来表示降阻剂的降阻效果，g p f 一9 4 高效膨润土降阻防腐剂的施加量和 降阻系数k 关系见下表3 1 。 表3 1g p f 9 4 高效膨润土降阻防腐剂的降阻系数k 与断面尺寸关系表 降阻剂施加 1 01 21 51 72 02 3 厚度c m 降阻系数k 0 7 7o 7 3o 6 5o 60 5 0 4 注：施加的降阻剂要把钢筋笼完全包住，即降阻剂与钢筋笼等高，降阻剂层的厚度为表中 的数据 图3 9g p f 9 4 高效膨润土降阻防腐剂施加厚度与降阻系数关系曲线 根据表3 1 中的所列数据，可拟合出降阻系数k 与降阻剂层厚度的关系图如 图3 9 所示。可得到g p f 9 4 高效膨润土降阻防腐剂应用于杆塔基础降阻装置中 降阻系数k 与降阻剂层厚度d ( c m ) 的关系表达式为： k = 一0 0 2 8 6 d + 1 0 7 0 7 ( 3 2 1 ) 则使用降阻剂后的接地电阻值为： r 2 绯地牢糕一庸2 限2 2 ， 碰l ，4 办+ v、三7i 在一基杆塔中，最后的接地电阻为4 个塔腿的并联值，考虑屏蔽效果，引 用屏蔽系数刁。杆塔的接地电阻为 r = ，7 ( 心r 且r c r d ) ( 3 2 3 ) 对于5 0 0 k v 线路杆塔，由于其基础根开较大，各个塔腿距离在1 0 m 以上， 所以利用杆塔基础降阻的集中式接地装置之间的距离也在1 0 m 左右，而各个集 中式接地装置的边长为2 n 3 m ，4 个接地装置布置成一个接地方阵，若按后石 泉州5 0 0 k v 线路初次测量的接地电阻值来考虑，集中式接地装置的屏蔽系数，7 可 取1 5 ；但这个数据存在着一定的可降低空间，若按一定时间后各个集中式接地 装置的稳定电阻值来考虑，屏蔽系数刁可取1 2 1 3 。 3 3 模拟电荷法 电场数值计算的方法主要有以下几种，即作为场域分割法的有限差分法、 有限单元法以及作为边界分割法的表面电荷密度法和模拟电荷法 3 6 3 。】。表面电荷 密度法和模拟电荷法具有如下优点：无需封边，从而可以避免因封边引人的 误差。使计算问题的维数降低一维，因而可以用直接法求解方程组。能直 接求解出场域内的任意点的场强，无需用电位的数值微分求解，故场强的计算 精度较高。 模拟电荷法较表面电荷密度法还具有下列特点【，乳们】：计算公式和程序简 单。不存在奇点处理问题。电极表面附近的电场计算精度较高。基于上述 特点，模拟电荷法是用于轴对称系统的一种很有效的计算方法。 静电场的数学模型可以归结为以电位函数够为待求量的泊松方程或拉普拉 斯方程的定解问题。但在实际工程计算中，电极( 导体) 表面上连续分布的自由电 荷以及介质分界面上连续分布的束缚电荷，其分布情况往往是未知的，不能直 接由给定的边界条件解出。基于电磁场的唯一性定理，如果将电极表面连续分 布的自由电荷或介质分界面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予 以等值替代，依据等值替代前后边界条件不变的前提条件，即可求得各模拟电 荷的量值，从而使场域内任意一点的电位与场强便可由各模拟电荷所产生的场 量( 伽e ) 叠加而获得，以此作为原场的逼近解，这就是模拟电荷法的基本思想。 等效静电场计算地电流场的接地电阻时，模拟电荷法的应用步骤如下【3 6 】： 在计算场域外设置n 个模拟电荷q j ( j = l ，2 ，n ) 。 按照常用的电荷形状，可将模拟电荷分为三大类：第一类为集中电荷。如 点电荷、线电荷、环形电荷等，他们的优点是计算公式简单，计算量小；不足 之处是不能计算这些电荷本身所在点的电位和场强。第二类为面电荷。如薄板 电荷，它可以用来计算很薄的电极或表面电荷的电场，又可以计算它本身所在 处的电场，因为这些点上的电荷密度趋近于零；它的缺点是计算工作量比上述 集中电荷大。第三类为体电荷。它主要用来计算有空间电荷的场r 3 7 3 。 根据新型集中式接地装置的特点，设置模拟电荷类型为线电荷和环形电荷， 其具体位置见图3 1 0 。 匹配点 图3 1 0 模拟电荷位置示意图 在给定边界条件的电极上，设定数量等于模拟电荷数的匹配点m i ( i = l ， 2 ，n ) ，显然，各匹配点上的电位值伊i ( i = l ，2 ，n ) 是已知的，新型集 中式接地装置接地电阻计算时的匹配点见图3 1 0 。 根据叠加原理，对应各匹配点m i ( i = l ，2 ，n ) ，可以逐一列出由设 定的模拟电荷所建立的电位表达式。 ( 1 ) 线电荷 有一长度为z 的线电荷位于圆柱坐标系的z 轴上，起点为z o ，终点为z ，如 图3 1 1 所示。则由它产生在p ( r ，z ) 点的电位为 3 7 1 伊：圭阵+ c ：圭阵+ c ( 3 2 4 ) 4 昭jr4 7 瑶jr 、 jiz d z p ( r ，z ) z i z z o 0 一 r 五 - 7 , 图3 1 1 线电荷分析图 式中f 为电荷的线密度，c 为积分常数，由电位参考点决定。将坐标及计分 上下限代入，得 缈：lr ：垒兰一+ c