摘 要

配电网系统作为电力系统的重要组成部分，承担着直接向用户供电的任务，是连接电网和用户的纽带，其安全运行越来越受到重视。10kV配电线路网架结构复杂，点多面广，整体绝缘水平低下，不但直击雷能造成雷害事故，感应雷也能造成较大的危害，所以杆塔接地装置通常与避雷器一起安装架设，所以易遭受雷击导致线路断线，造成安全问题。改善接地装置是电力系统中保护配电线路和电网设备免遭故障电流和雷电流损害的保障。

本文对10kV架空配电线路杆塔接地装置冲击特性进行研究，着重研究土壤电阻率和接地阻抗。本次毕业设计将使用加拿大安全工程技术公司的CDEGS软件对杆塔接地网进行了建模，改变土壤电阻率及导体相关参数进行不同的仿真，并结合实际情况分析将采用哪种降阻方式效率更高。发现接地体形状、加深接地体埋深、增加接地体导体数量、增加接地体长度等方式，这几种方法降阻均有不同程度的效果。最后根据现阶段接地网发展情况，对10kV架空配电线路的防雷措施与接地网的改进提出建议。

关键词：接地；配电线路；CDEGS；土壤电阻率；接地电阻

ABSTRACT

As an important part of the power system, the distribution network system bears the task of directly supplying power to the users. It is the link between the power grid and the users, and its safe operation is receiving more and more attention. The 10kV distribution line grid structure is complex, with many points and wide, and the overall insulation level is low. Not only can lightning strikes directly cause lightning accidents, but also the induced lightning can cause greater damage. Therefore, the tower grounding device is usually installed together with the arrester, so it is easy to install. Suffering from lightning strikes, the line is broken, causing safety problems. Improving the grounding device is to protect the distribution line and the grid equipment from the fault current and lightning current damage in the power system.

In this paper, the impact characteristics of the 10kV overhead distribution line tower grounding device are studied, and the soil resistivity and grounding impedance are studied. This graduation project will use the CDEGS software of Canadian Safety Engineering Technology Co., Ltd. to model the tower grounding grid, change the soil resistivity and conductor-related parameters for different simulations, and analyze the actual reduction of the resistance method. high. The shape of the conductor is found, the depth of the grounding body is deepened, the number of conductors of the grounding body is increased, and the length of the grounding body is increased. These methods have different effects on the resistance reduction.

Finally, according to the current situation of grounding grid development, some personal suggestions for lightning protection measures and improvement of grounding grid for 10kV overhead distribution lines are put forward, and a reasonable analysis of possible future development directions is made.

Key words:Grounding; distribution line; CDEGS; soil resistivity; grounding resistance;Reduce resistance

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.3本次此论文研究内容 4

第二章 10kV架空配电线路的接地类型及降阻措施 5

2.1 架空配电线路的杆塔接地与防雷保护参数 5

2.1.1 10kV架空配电线路与杆塔接地网 5

2.1.2 架空线路的防雷保护参数 5

2.2接地装置及接地电阻 6

2.2.1接地装置 6

2.2.2接地电阻 6

2.3 接地网的降阻措施 9

2.3.1 常规降阻技术 9

2.3.2新型降阻措施 10

2.4本章小结 11

第三章 基于CDEGS的接地网仿真研究 12

3.1软件简介 12

3.2冲击接地电阻的仿真 13

3.2.1仿真流程 13

3.2.2仿真模型的选择 14

3.2.3仿真数据及分析 15

3.3仿真结论 21

3.4优化方案 22

第四章 总结 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

在广大农村和山区， 10kV配电线路占主要部分，这些线路往往存在很多问题，例如线路老化，检修 不及时，接地装 置架设不符合 规范，另外山区雷 电频繁，也不利于10kV线路运行。接地指电力系统和电气装置的中性点、电气设备的外露导电部分和装置外导电部分经由导体与大地相连，可以将线路不能承 受的雷电流导引至大地。接地可以分为防电腐蚀接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地、逻辑接地、系统接地、信号接地。其作用主要 是防止人身 遭受电击、设备和线 路遭受损坏、预防火 灾和防止雷击、防止静 电损害和保障电力 系统正常运行。综上，研究杆 塔接地装置的冲 击散流特性，建立起冲击 电阻模型，以便于在 工程实践中 架设接地装置时 有充分的科 学理论支持，能有效提 高耐雷水平 和供电可靠性，这对低压 配电线路尤其是 架设在山区等雷 电频发区域 线路的安全运 行有重要意义。

接地装置对被保护元件起到安全保护作用，如果在故障或是雷击的情况下，接地装置能够快速将故障电流或雷电流泄放至大地，这样符合电网四个基本要求中的安全性要求，保护设备和设备周围人群的安全，也是确保供电系统稳定运行的重要条件^[1]。在配网防雷中，降低杆塔接地电阻对减少雷击反击跳闸率有决定性作用。接地装置的可靠性与安全性己经成为设计者和制造部门必考虑的因素。降阻方法要根据当地的地形地貌和土壤电阻率合理使用，主要通过接地体的复杂化设计、人工降低土壤电阻率完成降阻，具体思路为增设水平接地体和增加降阻剂来完成降阻。一般水平接地体材料主要有镀锌扁钢、铜绞线、铜包钢绞线、甚至金线银线等；设计接地网，使接地装置复杂化，满足安全所需泄流通路，更好完成泄流，从而达到降阻目的^[2]。在实践过程中，在水平接地体的周围施加高效的膨润土降阻剂能够起到较好的防雷效果。目前10kV架空配电线路最常用的降低配电线路冲击接地电阻办法是：在水泥杆塔的根部掺入具有良好导电性能的石墨，使水泥杆塔成为自带接地体，这种方法经济可行，但其阻值可能无法达到要求，并且较高土壤电阻率情况下，接地装置阻值可能难以达到要求^[8]。

水平接地体和垂直接地体作为电力系统中经济、有效地泄放雷电流装置，常混合联接使用，广泛应用在10kV 配电线路的防雷保护中，为配网提供了经济实用，施工简易的接地装置安装方式^[2]。而在10kV配电线路中架空线路接地装置冲击特性是决定配电线路的防雷保护效果的一个重要因素。由文献[4-6]知接地装置的冲击特性与诸多因素有关，其中包括它的尺寸材料、材料涂层以及雷电流的幅值与频率、土壤电阻率及埋深等因素。分析接地装置冲击特性，计算接地装置冲击接地电阻是合理设计配电线路防雷性能的基础，而接地装置流散冲击电流过程中土壤的火花放电现象和接地装置还有电感效应和电容效应则是准确计算接地装置冲击特性的关键因素。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

1983年，我国陈慈璇教授利用边界元法计算出接地网放电电流分布。从此，各个大学也开始相关的研究工作，其中就包括了清华大学和华北电力大学^[8]。多位教授与学者通过考虑一系列相关问题，如导体位置的影响，周边其他接地装置的影响等，合作开发可计算作用于多层土壤的接地装置的接地电阻的软件。21实际初，国内科研工作者丰富了加拿大科研工作者提出的复镜像法，使其适用于水平和垂直符合分层的土壤结构，提高计算精度和效率。武汉大学的潘卓洪博士提出自适应部分的智能复镜像法，使其可以精确计算十几层以上的复杂土壤结构下的格林函数求解问题，大幅提高复杂土壤结构下的接地参数计算。

2008年，黄福勇总结多篇文献与自己多年的现场实践，总结出接地体散流电阻过高的主客观原因，介绍杆塔接地装置的一般要求。陈荣峰采用PSCAD考虑土壤火花放电等效计算模型，分析了复合接地网的冲击接地电阻特性，提出要根据地质条件、雷电参数和技术经济要求选择合适的接地装置^[13].。2012年，邓长征等在考虑火花放电和电感效应的基础上，主要讨论了土壤的放电特性以及接地装置的高频效应。在研究结束后，他们提出要提升对土壤放电机理的认知水平^[12]。黄欢利用 ATP-EMTP 软件，考虑雷电流的高频特性和高幅值特性，细化杆塔接地体的仿真模型，模拟电感效应和火花效应的实际效果，并利用该模型对雷电冲击下杆塔接地阻抗特性进行研究，得出伸长接地极在一定长度范围火花效应强于电感效应击系数小于 1，超过该范围后，电感效应强于火花效应，冲击系数大于 1。该范围临界值受接地体形状尺寸、埋设方式和土壤电阻率等因素影响。他还提出雷电流幅值增加，火花效应增强，冲击接地阻抗呈下降趋势，下降趋势随着雷电流幅值进一步增加呈现饱和现象^[22]。2014年，他们进行模拟实验，将水平接地体、垂直接地体、方框型接地体及方框放射型接地体等四个模型进行冲击系数的分析，得出冲击系数呈现出随冲击电流峰值增大而减小的结论，并建议在低电阻率地区优先选取方框射线型接地体^[14]。2017年，陶亚光利用CDEGS软件，计算土壤水平分层和垂直分层结构，对比其中的接触电压和跨步电压，得出土壤电阻率越大，不同土壤分层结构所带来的差异越明显的结论^[7]。随后，徐伟运用ATP对放射性，方框型及网格型接地体进行研究，将冲击接地电阻与传统冲击接地电阻进行对比，提出冲击接地电阻是时变的概念。2019年，权学政运用CDEGS软件对垂直接地极和双层接地网进行仿真，研究这两种接地体在不同土壤类型下的适用范围，他提出双层接地网适合在局部换土区域或土壤中下层仅有有限低土壤电阻率区域，垂直接地极则适用在更深层，尤其地下深层有土壤电阻率更低的区域。同时，他发现双层接地网也可以有效地降低接触电压和跨步电压^[4]。

1.2.2国外研究现状

文献[23]提出接地电网一般基于恒流场理论，接地装置任一点均适用于拉普拉斯变换，且其杆塔接地导体按照分段进行处理，可以利用拉普拉斯变换进行叠加处理。1968年，国外学者哈林出版了一本关于正弦电磁场矩量方法的书，提出解决到体检电磁场关系的方法。1972年，Giao-Sarma参考哈林的研究，运用一种基于力矩的方法，第一次提出按照微区的概念划分接地装置，并将其运用到参数计算中。1976年，Dawalibi提出求和法和积分法，这种方法可以有效地提高计算相关参数的精度。且Dawalibi等学者开发了CDEGS用于计算土壤电阻率、接地电阻值等参数，目前被世界广泛运用^[22]。1980年，Kouteynikoff提出“二次分域”的概念，以计算导体段附近的电位。早期的研究并没有考虑到火花效应的影响，随着研究的深入，一些学者开始将这个问题列入思考中。R.Velazquez首次提出考虑到火花效应影响的动态模型，无论冲击电流的频率高低，该模型均适用。20世纪80年代，科学家们尝试采用不同犯法从不同的角度分析计算导体段的电位分布。波兰学者R.Koztaluk对典型杆塔接地装置进行实验，并以此分析冲击接地电阻随冲击电流的变化情况，他所实验的最高冲击电流幅值达到了26kA，很好地体现了火花效应。20世纪末，加拿大Watcrloo大学的Y.L.Chow教授提出一种解决多层土壤点位的格林函数法，之后他又将数个复镜像法代替格林函数法运用到接地网参数计算中，大幅简化计算。复镜像法一直沿用至今。Z.Stojkovic对三种接地体进行实验，他对每一种接地体注入两种冲击电流。他发现在波形上升陡度很大的情况下，冲击接地阻抗与接地网较短元件的排列的关系不大，而是取决于接地体的总长度。随后，A.Haddad利用冲击电流发生器对水平导体进行研究，研究了接地体有效长度以及冲击电压和电流在接地体上的分布。

1.3本次此论文研究内容

本文第一章介绍了接地装置的研究背景及意义，讲述了近几十年来国内外对于杆塔接地的研究现状。

第二章详细讲述了10kV架空配电线路的接地类型及降阻措施，首先介绍架空配电线路的杆塔接地与防雷保护参数，讲述不同土壤电阻率下对冲击接地电阻值的要求。其次介绍接地装置及接地电阻，接地装置自然和人工接地体的分别 以及国家规定下架空线路接地装置的几种形式；着重讲述接地电阻的类型及其计算公式。最后，介绍常规和新型的降阻措施。

第三章详细讲述了仿真方面内容。首先介绍CDEGS软件包；其次，讲述在该软件内计算冲击接地电阻的仿真步骤；接着，展示本次毕设仿真所使用的模型图；然后是本次毕设仿真得到的数据及其分析；最后是依据仿真结果分析所做的优化方案。

第四章为总结，首先总结本次毕设的工作，其次对仿真数据分析进行汇总，形成本次毕设的结论。

第二章 10kV架空配电线路的接地类型及降阻措施

2.1 架空配电线路的杆塔接地与阻值要求

2.1.1 10kV架空配电线路与杆塔接地网

配电线路指的是从降压变电站把电力送到配电变压器或将配电变电站的电力送到用电单位的线路。10kV配电 线路使用 分布广，但因 其绝 缘水平 不高雷击 现象时有发生。因此其 杆塔接地网的设 计尤为重要。

10kV架空配 电线路的杆塔 接地装置中引下 线是作为中间 的连接部分，可以是杆塔 的钢筋本身。本次毕设重 点研究的是 位于杆塔下方 土壤中的接地体部分，接地 体直接与土 壤接触，其接地阻抗 值与土壤电阻 率关系密切。

通常来 说10kV架空配 电线路的杆塔 接地体为小型接 地网，属于人工接 地体，是由少量 的导体构成的 简单规则形状。和变电站 大型接地网相比，杆塔 接地网空间较为狭小，因此很 多降阻措施受到限制。这样一来，需要 对10kV架空配电线路 的杆塔 接地网进行优 化设计，研究在土壤环境 苛刻条件下的接地 网降阻效率。

2.1.2 架空线路杆塔冲击接地电阻要求

冲击接地 电阻是架空 线路防雷 保护的重要 参数，不同土壤 电阻率地区 的架空线路所 需的冲击接 地电阻值不同。

表格 1不同土壤电阻率下的冲击接地电阻要求^[9]

许多情况 下，杆塔 塔基作为天然 接地体无法满足 上表中的要求，这时候就 需要设置简单 接地装置或接地 网等人工接地体以降低接 地电阻，必要时需 要其他降 阻措施的配合。

2.2接地装置及接地电阻

2.2.1接地装置

接地装置是保证电气、通信、自控等系统安全可靠运行的重要设施，有人工和自然接地两种形式，自然接 地装置包括钢筋 混凝 土杆、铁塔 基础、发电 厂、变电所 的构架 基础。通常在自然 接地体的接地电阻不能达到防雷 应有的要求，会人工 架设接地体来达到接地电阻 阻值大小的要求^[21]，人工接地体一般采用结构钢制成，其材料应该有一定的抗腐蚀性，其厚薄，粗细也应均匀。人工接地体有三种安装形式，包括水平、垂直 安装以及两者结合 使用安装。垂直 安装会随着埋 深的增加，产生较大的流散 电阻，因此安装深度不宜小于2m，水平安装的的接地体则一般较长。根据国家规定，架空线路的接地 装置可分为以下几种形式：

1. 在土壤 电阻率100的潮湿地区，利用铁塔和钢筋 混凝土杆自然 接地。对发电厂、变电站的 进线段应另设雷电 保护接地装置。
2. 在土 壤电阻率100300的地区，除了利 用铁塔和钢 筋混凝土杆的自然 接地外，要增设人工接 地装置，接地极埋 深大于0.6 m。
3. 在土壤 电阻率3005000的地区，接地装置 可采用水平敷设，接地 极埋深大于0.5 m。
4. 在土壤电 阻率2 000的地区，可采用6到8根总 长度不超过500 m的放射形 接地极或连续伸 长接地极。放射形 接地极需采用长 短结合的方式，接地极埋 设深度大于0.3 m。
5. 在高土壤电 阻率地区采用放 射形接地装置时，当在杆塔基 础的放射形 接地极每 根长度的1.5倍范围内有土壤 电阻率较低的 地带时，可部分采用引外接 或其 措施^[21]。

2.2.2接地电阻

接地装置的接地电阻是接地 或自然接 极的对地电阻 接地线电阻的 和，其数值等于接 装置对地电压与通 接地极流入地中 流的比值^[21]。

（1）接地电阻的分类