詹清華，阮江軍，龍明洋，黃道春，肖 微，張思寒，李恒真，羅容波

（1．廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

柔性石墨接地體與金屬接地體散流特性對比

詹清華1,2，阮江軍2，龍明洋2，黃道春2，肖 微1,2，張思寒1，李恒真1，羅容波1

（1．廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

不同接地材料因其電磁參數(shù)的不同使得接地體的工頻與沖擊散流特性有區(qū)別。針對石墨、錳銅和鋼三種接地材料進(jìn)行仿真建模計算，建立了輸電線路桿塔接地網(wǎng)常用的方框帶射線型接地網(wǎng)模型，分別對比分析了三種接地材料在不同頻率電流、不同土壤電阻率條件下的沖擊散流特性，闡述了接地體散流特性對接地阻抗的影響。通過對比分析可知：在高頻電流、高土壤電阻率條件下，柔性石墨接地體在遠(yuǎn)端的散流能力要優(yōu)于鋼接地體，接地阻抗更小。

柔性石墨接地體；金屬接地體；沖擊散流特性；接地阻抗

0 引言

輸電線路是電網(wǎng)的基本組成部分，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，造成輸電線路發(fā)生故障的主要原因是雷擊跳閘[1－2]。輸電線路桿塔接地網(wǎng)的長期有效性對提高線路的耐雷水平，減少雷電事故有著重要的作用。目前，桿塔接地網(wǎng)的主要材料為金屬接地材料，這在實(shí)際運(yùn)行中面臨著許多問題：易腐蝕、成本高、與土壤貼合度差、施工難度大以及存在偷盜現(xiàn)象等[3－6]。因此，研究新型非金屬接地材料并在電力系統(tǒng)接地領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，對于節(jié)省我國稀缺金屬資源，提高電力接地系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性具有重要意義。在這樣的背景下，武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計并制備了一種非金屬接地材料——柔性石墨復(fù)合接地材料。柔性石墨復(fù)合接地材料具有如下特性：良好的導(dǎo)電性與沖擊電流耐受特性、可靠的耐腐蝕性、力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、良好的熱穩(wěn)定性、運(yùn)輸及施工方便，與土壤貼合度高、預(yù)防偷盜及人為破壞、可控的生產(chǎn)成本[7]。接地材料的電阻率與磁導(dǎo)率是影響接地阻抗的重要參數(shù)。高頻電流作用下，由于接地材料磁導(dǎo)率與電阻率的不同，會形成不同程度的趨膚效應(yīng)及電感效應(yīng)，此時接地體本體電阻及電感則會直接影響電流在土壤中的散流情況。顯然，電流分布直接決定了接地阻抗的大小。為了研究柔性石墨接地體的沖擊接地性能，筆者從沖擊散流特性的角度，對比分析了柔性石墨接地體、錳銅以及鋼接地材料在不同頻率電流、不同土壤條件下的接地散流特性，并闡述了接地體散流特性對接地阻抗的影響，為輸電線路接地選材及設(shè)計提供參考。

1 仿真計算方法及模型

選取了三種輸電線路桿塔接地網(wǎng)常見的接地材料，其中錳銅和鋼接地體的直徑均為10 mm，柔性石墨接地體的直徑為28 mm，幾種材料的具體參數(shù)[7-8]如表1所示。仿真試驗(yàn)所取的接地網(wǎng)模型為輸電線路桿塔常用的方框帶射線型接地網(wǎng)，方框接地網(wǎng)的邊長為 10 m，四角射線外延100 m，如圖1所示。

圖1 方框射線型接地網(wǎng)Fig.1 Box with extension lines-shaped grounding grid

表1 不同接地材料的相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of different grounding materials

為分析三種接地材料的散流特性，采用矩量法對接地體散流進(jìn)行計算。矩量法[9]計算時，將接地體劃分成K個小導(dǎo)體段單元，己知各導(dǎo)體段中點(diǎn)電位和泄漏電流之間的關(guān)系為

式中：φk和In分別為導(dǎo)體段中點(diǎn)電位和泄漏電流的K維列向量；R為K階方陣，R中元素Rij為第j段導(dǎo)體與第i段導(dǎo)體中點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移阻抗。

以導(dǎo)體段之間的交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，以導(dǎo)體段中點(diǎn)電位為電壓源，以無窮遠(yuǎn)為電位參考點(diǎn)，列寫節(jié)點(diǎn)電壓方程為

式中：φp為節(jié)點(diǎn)電壓列向量；Is為節(jié)點(diǎn)注入電流列向量，如果節(jié)點(diǎn)上無外加注入電流，則Is中相應(yīng)的元素為零；Gl為M×K矩陣，如果節(jié)點(diǎn)i與導(dǎo)體段j相連，則元素Glij為導(dǎo)體段j半段所對應(yīng)的自電導(dǎo)，否則Glij為零；G為節(jié)點(diǎn)電壓方程的電導(dǎo)矩陣，對于對角線上的元素，其值為與相應(yīng)節(jié)點(diǎn)相連的所有導(dǎo)體段半段所對應(yīng)的自電導(dǎo)之和，對于其它元素有：

由式（2）可得節(jié)點(diǎn)電壓為

由節(jié)點(diǎn)電壓和導(dǎo)體段中點(diǎn)電位可得各導(dǎo)體段首末2個端點(diǎn)流過的軸向電流為

式中：A1為節(jié)點(diǎn)與各導(dǎo)體段首端的關(guān)系矩陣，如果第i段導(dǎo)體的首端與第j個節(jié)點(diǎn)相連，則a1，ij=1，否則a1，ij=0；A2為節(jié)點(diǎn)與各導(dǎo)體段末端的關(guān)系矩陣，如果第i段導(dǎo)體的末端與第j個節(jié)點(diǎn)相連，則a2，ij=1，否則 a2，ij=0。

最后，由導(dǎo)體段漏電流與流過其2個端點(diǎn)的軸向電流的關(guān)系

將式（5）和（6）代入式（7）并整理，可得以泄漏電流為未知量的方程為

式中：E為單位矩陣。

求解式（8）可得各導(dǎo)體段的泄漏電流，由泄漏電流通過式（l）可以求得各導(dǎo)體段中點(diǎn)電位。

假設(shè)方框帶射線型接地網(wǎng)埋設(shè)在土壤電阻率為500 Ω·m的土壤中，埋深為0.8 m，注流點(diǎn)為方框的四個頂點(diǎn)，考慮電極的對稱性，選取接地網(wǎng)的一條射線作為計算對象。將接地網(wǎng)四角射線每隔10 m作為一個分段（共10分段），并在各段設(shè)定觀測點(diǎn)。計算模型如圖2所示，其中Ii和Ji分別表示流入下一段導(dǎo)體的電流（縱向電流）和泄漏到土壤中的電流（入地電流）。

圖2 接地體計算模型Fig.2 Calculation model of grounding electrode

2 不同接地材料散流特性對比

2.1 入地電流頻率對散流特性的影響

自然界中的雷電流包含0～200 kHz多種頻率成分，雷電流波前時間影響著電流頻域?qū)挾?，而一般波前時間僅有數(shù)微秒，因此構(gòu)成雷電流波前部分的頻率分量主要集中在高頻部分[10]。因此，桿塔接地網(wǎng)在雷電流作用下的響應(yīng)，可以看作接地網(wǎng)在多個頻率電流共同作用下的響應(yīng)（線性系統(tǒng)下）。由于求解在雷電流作用下各個時刻的實(shí)時電阻與電感較為困難，本文選取了幾個特定頻率的電流來反映不同接地體的散流特性，仍然能夠反映高頻電流作用下不同接地材料散流特性的差異。計算中，取注流點(diǎn)電流的頻率分別為 50 Hz、500 Hz、1 000 Hz、10 000 Hz、50 000 Hz和200 000 Hz，方框帶射線型地網(wǎng)四個注流點(diǎn)的注入電流幅值I均取為1 kA。不同頻率下，縱向電流Ii和入地電流Ji仿真結(jié)果如圖3所示。

以鋼接地體為例，流進(jìn)鋼接地體各導(dǎo)體段初始點(diǎn)的電流如圖3（a）所示：鋼接地體在小于1 kHz的較低頻率下各段通流基本呈線性減少的趨勢，隨著頻率的增大，流入接地網(wǎng)射線接地體首端的電流減小，在方框接地體中的散流增加，射線接地體各段通流開始呈現(xiàn)注流端高而尾端小的變化趨勢。這說明鋼接地體在低頻下各段均能向土壤有效散流，各段通流線性減小，而在高頻下，受接地體電感效應(yīng)的影響，鋼接地體向射線接地體遠(yuǎn)端通流的能力減弱，更多電流由注流極附近的方框地網(wǎng)入地。

圖3（b）描述了φ10 mm鋼接地體的散流特點(diǎn)：在電流頻率不超過1 kHz時，鋼接地體各段向土壤中的散流基本在20～30 A范圍內(nèi)，由于射線接地體與方框接地體之間存在屏蔽效應(yīng)，鋼接地體各段向土壤中的散流呈現(xiàn)明顯的“端部效應(yīng)”[11－12]，即首端散流少，末端散流多。隨著電流頻率的增大至200 kHz時，接地體散流不再均勻，而是集中在接地體首端附近進(jìn)行散流，50～100 m導(dǎo)體段的散流趨近于0，此時接地體并未完全參與散流，造成接地材料的利用率降低，這與圖3（a）是一致的。

圖3 頻率對散流特性的影響Fig.3 The effect of frequency on current release characteristic

圖3（c）－（d）分別描述了 φ10 mm 錳銅、φ28 mm柔性石墨接地體的散流特點(diǎn)：由圖3（c）可知，在電流頻率不超過10 kHz時，錳銅接地體各段向土壤中的散流基本在17～30 A范圍內(nèi)，在接地體末端呈現(xiàn)一定的端部效應(yīng)，相比之下，在10 kHz時，圓鋼已經(jīng)出現(xiàn)散流不均勻的情況，曲線斜率明顯增加，端部效應(yīng)已經(jīng)不再明顯。同樣的，由圖3（d）可知柔性石墨接地體與錳銅接地體散流特點(diǎn)基本一致，在電流頻率不超過10 kHz時，除端部以外，柔性石墨接地體各段向土壤中散流基本一致，入地電流在20～30A范圍內(nèi)。

從以上分析可知，在不同頻率電流的作用下，柔性石墨接地體和錳銅接地體的高頻散流特性接近。雖然，由于外自感的存在，電感效應(yīng)無法避免，隨著電流頻率的增加，三種接地材料利用率均降低，但相比之下，柔性石墨接地體與錳銅接地體均屬于非磁性材料，高頻下趨膚效應(yīng)更小，因此散流比圓鋼接地體均勻，有效長度更長。

2.2 土壤電阻率對散流特性的影響

為了更加全面地對比三種接地材料沖擊散流特性的區(qū)別，本節(jié)將研究土壤電阻率對接地體散流特性的影響，仿真計算分別選取土壤電阻率為50Ω·m、500 Ω·m 和 2 000 Ω·m。此外，考慮到不同頻率的電流散流時，土壤電阻率對接地體散流特性的影響是動態(tài)變化的。圖4所示的結(jié)果中同時列出了土壤電阻率和入地電流頻率（取低頻、中頻和高頻3種頻率的入地電流）對接地體散流特性的影響。

由圖4（a）可知，在入地電流頻率為50 Hz，土壤電阻率為50 Ω·m的條件下，錳銅接地體散流最均勻，圓鋼接地體次之，柔性石墨接地體散流最不均勻。但隨著土壤電阻率的增大至500 Ω·m以上，柔性石墨接地體與金屬接地體的散流差別逐漸減小，同時端部效應(yīng)逐漸明顯。這是由于高電阻率土壤一定程度抑制了電流在地中散流，迫使電流流向接地體遠(yuǎn)端，使得接地體有效長度增加。

圖4（b）－（c）可知，隨著入地電流頻率增加，電感效應(yīng)對接地體散流的影響開始凸顯，土壤電阻率

圖4 土壤電阻率對散流特性的影響Fig.4 The effect of soil resistivity on current release characteristic

使電流散流均勻的作用開始減弱，如圖4（b）中，土壤電阻率為500 Ω·m時，由于圓鋼接地體磁導(dǎo)率最大，趨膚效應(yīng)及電感效應(yīng)最明顯，因此圓鋼接地體首先呈現(xiàn)散流不均勻的情況。而當(dāng)頻率增加至200 kHz，如圖4（c）所示，土壤電阻率為 50 Ω·m 時，注流點(diǎn)的散流較多，距離注流點(diǎn)20 m之后的遠(yuǎn)端接地體向土壤散流接近于0，接地材料的利用率較低。在土壤電阻率500 Ω·m以及2000 Ω·m時三種接地材料的端部效應(yīng)已經(jīng)消失，均呈現(xiàn)首端大，末端小的情況。同時，高土壤電阻率下，各材料的差別會有所減小，這是地中散流減少，接地體有效長度增加造成的，與50 Hz下的影響一致。由上述分析可知，在高土壤電阻率和高頻電流作用下，受接地體趨膚效應(yīng)與電感效應(yīng)的影響，相對于常見的φ10 mm圓鋼接地材料，φ28 mm柔性石墨接地體散流更趨于均勻。

2.3 接地阻抗對比分析

注入接地體中的電流通過沿著接地體流向遠(yuǎn)端以及在此過程中的向土壤散流完成“接地”過程。因此，接地體的散流特性決定著參與散流的接地體和土壤的多少，且以接地體的接地阻抗作為外在表征。按照上述接地體散流模型，以上幾種接地材料在不同土壤電阻率以及不同頻率電流下的散流特性使得其接地阻抗表現(xiàn)出差異，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 接地阻抗對比Fig.5 Grounding impedance contrast

由圖5幾種接地材料在同一土壤條件的接地阻抗橫向?qū)Ρ瓤芍S著電流頻率的增大，受電感效應(yīng)的影響，各接地體向遠(yuǎn)端的散流能力減弱，接地阻抗均呈現(xiàn)出不同程度的增大，且鋼接地體增加的幅度要明顯大于柔性石墨接地體。而通過縱向?qū)Ρ瓤芍?，這種增加幅度還受到土壤條件的制約。

結(jié)合圖4可知，在低頻電流（50 Hz）下，由于電感效應(yīng)小，鋼接地體較柔性石墨接地體散流更為均勻，此時鋼接地體的接地阻抗更小。隨著電流頻率增大，結(jié)合圖4（b）、4（c）可知，鋼接地體向土壤中散流的不均勻程度增大，此時柔性石墨接地體的接地阻抗較之更小。當(dāng)土壤電阻率增大時，即使在低頻下，柔性石墨接地體也比鋼接地體更為均勻，其接地阻抗也體現(xiàn)出優(yōu)勢。因此，柔性石墨接地體雖然自身電阻率較金屬接地體高，但在一些高頻電流、高土壤電阻條件下，其散流特性要優(yōu)于現(xiàn)行φ10 mm鋼接地體，具有更小的接地阻抗，這在輸電線路桿塔接地網(wǎng)中具有較為明顯的工程實(shí)用價值。

3 結(jié)論

1）在不同頻率電流的作用下，柔性石墨接地體和錳銅接地體的散流特性基本一致，在高頻電流、高土壤電阻率條件下，φ28 mm柔性石墨接地體的散流特性要優(yōu)于φ10 mm鋼接地體。

2）沖擊散流的均勻度與接地阻抗大小直接相關(guān)，因此柔性石墨接地體比圓鋼更適用于輸電線路桿塔防雷接地工程，且在高頻電流、高土壤電阻率條件下，優(yōu)勢明顯。

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Comparison Study on Current Dispersing Characteristic of Flexible Graphite Grounding Material and Metal Grounding Material

ZHAN Qinghua1,2，RUAN Jiangjun2，LONG Mingyang2，HUANG Daochun2，XIAO Wei1,2，ZHANG Sihan1，LI Hengzhen1，LUO Rongbo1
（1.Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Company，F(xiàn)oshan 528000，China；2.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Different grounding materials have different current dispersing characteristics of power frequency and impulse grounding because of different material parameters.Simulation?modeling calculation of graphite，copper and steel grounding materials are conducted，the box with extension lines－shaped grounding grid model which is common in transmission tower grounding grid is established.Then comparison and analysis of three grounding materials are carried out with different frequencies and different soil conditions.At last，the influence of grounding material current dispersing characteristic on grounding impedance are proposed.By comparing the results of data analysis，it can be found that under the condition of high frequency current and high soil resistivity，the impulse current dispersing characteristic of flexible graphite grounding material is better than that of steel grounding material at the end and the grounding impedance is also smaller.

flexible graphite grounding material；metal grounding material；impulse current dispersing characteristic；grounding impedance

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.013

2016－03－04

詹清華（1977—），男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)楦邏狠旊娂夹g(shù)及管理工作。

南網(wǎng)科技支撐項(xiàng)目（編號：K－GD2014－0867）。