基于冲击散流时地中电场分布接地极结构设计研究

摘要

冲击特性优良的接地极可以为电气设备提供有效的防护，有效降低雷击引发的停电事故率。目前我国接地极设计方面主要存在如下问题：(1)以工频接地电阻作为唯一指标进行接地极设计；(2)过度依赖工程经验；(3)冲击特性的试验研究较少，冲击特性的数值计算基于一定的假定和简化。此外，接地极的冲击特性取决于接地极结构、尺寸、雷电流参数、土壤电阻率等因素，由于工程中雷电流参数、土壤电阻率的不可控以及接地极尺寸不可能被设计的过大。因此，合理、有效的优化设计接地极结构，以期改善其冲击特性，这既是电力系统防雷计算和理论研究的基础，也是保证电网安全可靠运行的重要前提。
　　 针对上述实际问题，本文采用了模拟试验和数值仿真计算相结合的研究手段，首先，基于接地极冲击散流的“端部效应”，提出了一种针刺式结构的接地极，通过在搭建的冲击接地模拟试验平台对上述针刺接地极的冲击特性进行试验研究；其次，利用有限元数值计算方法，建立了针刺接地极冲击特性的计算模型，通过系统的计算探讨针刺导体在单根水平接地极上布置的合理位置。本文的研究结论如下：
　　 (1)在保证导体总长不变的前提下，接地极上添加针刺的措施能够有效降低接地极的冲击接地电阻。土壤电阻率为ρ=115Ω·m时，本文试验中的冲击电流幅值范围内，水平和星型针刺接地极的平均冲击降阻效果分别为16％和14.36％。针刺接地极在土壤电阻率为ρ=1000Ω·m下的冲击降阻效果比低土壤电阻率时更明显。
　　 (2)出于控制地中电场分布，增加强电场区域的考虑，设计了多种针刺接地极试品。试品的模拟试验结果表明，冲击大电流作用下，保持针刺导体的长度不变，和针刺导体位于单根水平接地极的首、末端部相比较，针刺导体位于中部时接地极导体沿线土壤中的电场分布更均匀，且其冲击接地电阻也更小。当针刺导体在接地极上的位置不变而仅增加长度，冲击电流入地时的土壤中电场分布变得更不均匀，冲击接地电阻减小。
　　 (3)对10m长的单根水平接地极而言，针刺导体布置在非导体端部的某一中间区间时，能够保证针刺导体的冲击接地电阻不受其布置位置的影响，具体为：0.1m、0.5m和1m长的针刺布置在离电流注入点的距离d为0.5m～9.5m、2m～8m和4m～6m区间时，冲击接地电阻不受针刺位置的影响。此外，冲击电流幅值几乎不对上述区间产生影响。此外，对双针刺导体的布置研究表明，0.5m长的针刺布置间距S取值在0.5m～1.0m区间为宜；针刺长L=1.0的情况下，针刺间距取1.5m～1.6m为宜。