超高压输电走廊土壤电阻率测量及其电场分布特征研究

摘要

电力系统接地技术是保证人身和设备安全，维护系统安全可靠运行的重要措施之一。近年来，随着电网容量的迅速扩大，入地短路电流大幅升高，各种监控设备大量投入，加上雷击危害，对接地的要求越来越严格。土壤电阻率测量是进行接地设计的第一步，反映了接地体在释放故障电流及雷电流时大地的散流特性，而故障电流和雷电流等效频率很高，因此为了接地设计的准确性须研究土壤在高频电流作用下的响应。另一方面，由于我国超特高压输电工程建设的蓬勃发展及人们电磁环境安全意识的增强，在输电线路设计时即将电磁指标控制在安全限值以内是摆在设计者面前的重要课题，而工频电场强度即就是衡量电磁环境安全与否的关键指标之一。
　　 本文首先基于可控源音频大地电磁法(CSAMT)原理研究了土壤高频散流特性，低阻土壤高频电流穿透深度浅，高阻土壤低频电流穿透深度大；在土壤电阻率分别为100Ω·m和300Ω·m的情况下通过CDEGS软件实现了10Hz～105Hz频率范围内采用CSAMT法及Schlumberger法土壤电阻率的仿真测量。结果表明：CSAMT法测量土壤电阻率更为准确，可信度更高，尤其在高频段测量结果很稳定，可充分反映土壤的高频散流特性。
　　 在输电线路工频电场方面，首先推导了一个档距内不等高悬挂输电线路悬链线方程，方程表明线路弧垂形状仅由导线单位长度单位界面上承受载荷及其最低点承受应力决定，而与弧垂最低点离地距离及悬挂点高差无关。基于此建立三维空间二导体传输线的悬链线模型，将镜像法和电位系数法相结合，实现了求解输电导线表面等效电荷的三维曲线积分法，进一步将其推广得到多导体输电线路各子导体表面等效电荷的一般求解方法。通过对空间电场强度矢量积分的标量分解，给出了交流输电线下工频场强各分量有效值、合成场强有效值求解方法及场强时域瞬时值表达式。
　　 基于某500kV超高压输电线路设计参数建立计及导线弧垂的三维工频电场数学模型，根据三维曲线积分法，借助Matlab数值计算得到导线表面等效实部电荷和虚部电荷分布函数，由此计算出线下地面及离地1.5m高度处场强分布，且与二维模型档距中央计算结果进行比较，证明模型及算法的准确性和有效性。分析了三维场强各分量变化规律及其横、纵向分布特征，结果表明：在档距中央地面场强的X轴分量为零，场强由Y、Z轴分量决定，其中Z轴分量所占比重较大，随横向距离的移动，场强逐渐减小，其X轴分量所占比重增大，但Z轴分量任是决定场强的主要因素；在档距中央距离两边相导线外侧约3m位置处场强达到最大值，然后朝两边杆塔方向逐渐减小，在杆塔位置处达到最小(忽略杆塔对场强造成的畸变影响)，在距离两边相导线外侧约10m位置往后场强急剧减小。相比二维模型，三维模型能够更为全面地反映线下场强各分量变化规律及其横向、纵向分布特征。