摘 要

近年来，我国电网建设规模逐渐增大，国家提出了建设安全可靠、绿色节能的智能电网的目标，这对现有的供配电线路的输电可靠性提出了更高要求。有统计显示，雷击是导致输电线路发生意外跳闸和故障的最主要原因之一，合理架设避雷线和杆塔接地装置能有效提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率。接地装置的冲击电阻是接地设计中最重要的参数，在雷电流作用下的接地体上极易发生火花放电，这将大大影响接地体的冲击特性和冲击电阻值，国内外很多研究者都忽略了这一火花效应。本文将建立考虑火花效应的接地装置冲击电阻模型，研究冲击散流特性及其影响因素和规律，为工程中的接地装置设计提供参考。

首先，本文对国内外关于接地冲击特性的研究现状进行了简单归纳总结，各种研究方法各有优缺点，要根据实际情况选择。早期的研究者很多都忽略了接地体周围土壤中的火花放电，导致计算出的冲击电阻偏大，冲击特性不符合实际。因此本文分析了接地体的工作原理，在雷电流下土壤中火花放电的形成原因，导体上不均匀的散流过程，以及火花效应对冲击特性的作用机理。

然后基于电路理论法，将接地导体分段，各段上用电阻、电感、对地电容和对地电导建立起计算冲击电阻的π型等值电路，火花效应对于导体的等值半径的影响在求解电路的循环迭代算法中体现，接着利用电磁暂态计算软件ATP-EMTP对常见的三种接地装置求解出冲击电阻值，都小于未考虑火花效应时的电阻值，验证了理论推导的正确性。

最后，本文研究了影响接地体冲击特性的几个重要因素，包括土壤电阻率、冲击电流幅值、接地体的尺寸大小和埋深，通过大量仿真计算，得出了各个因素的影响规律，分析了其作用原理。

关键词：接地装置；冲击接地电阻；火花放电；冲击散流机理

Abstract

In recent years, the construction scale of China's power grid is gradually increasing, and the country has put forward the goal of building a safe, reliable, green and energy-saving smart grid, which imposes higher requirements on the reliability of power supply for existing lines. There are statistics show that lightning strikes are one of the most important causes of accidental tripping and failure of transmission lines. The rational erection of lightning protection lines and tower grounding devices can effectively improve the lightning resistance level and reduce the lightning strike tripping rate. The impulse resistance of the grounding device is the most important parameter in the grounding design. Under the lightning current, the spark discharge occurs easily on the grounding device, which will greatly affect the impulse characteristics and the impulse resistance of the grounding body. Many researchers at home and abroad have neglected it. In this paper, the impulse resistance model of the grounding device with consideration of the spark effect will be established, the characteristics of impulse dispersion and its influencing factors and laws will be studied, which will provide reference for the design of the grounding device in the project.

First of all, this paper makes a brief summary of the research status of ground impulse characteristics at home and abroad. The various research methods have their own advantages and disadvantages, which should be selected according to the actual situation. Many researchers at the early stage ignored the spark discharge in the soil surrounding the grounding body, resulting in a larger impulse resistance was calculated and imprecise impulse characteristics. Therefore, this paper analyzes the working principle of the grounding device, the cause of the formation of spark discharge in the soil under the lightning current, the inhomogeneous dispersion process on the conductor, and the mechanism of the spark effect on the impulse characteristics.

Then, based on the circuit theory, the ground conductor is segmented. The π-type equivalent circuit for calculating the impulse resistance is established on each segment using resistance, inductance, ground capacitance, and ground conductance. The influence of the spark effect on the equivalent radius of the conductor is embodied in the loop iteration algorithm for solving the circuit. Next, the electromagnetic transient calculation software ATP-EMTP is used to solve the impulse resistance values of three common grounding devices, which are smaller than the resistance value without considering the spark effect, thus verifying the correctness of the theoretical derivation.

Finally, several significant factors affecting the impulse characteristics of the grounding devices are studied, including the soil resistivity, the amplitude of the impulse current, the size and buried depth of the grounding body. Through a large number of simulation calculations, the influence laws of various factors are obtained, and the principle of their action is analyzed.

Keywords: grounding device; impulse grounding resistance; spark discharge; impulse current dispersing mechanism

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 试验分析法 2

1.2.2 理论分析法 4

1.3 本文主要研究内容 6

第2章 考虑火花效应的接地装置冲击特性研究 7

2.1 雷电流特征 7

2.2 土壤火花放电原理分析 8

2.3 接地导体的散流过程 9

2.4 本章小结 10

第3章 接地装置冲击电阻计算模型建立 11

3.1 冲击电阻定义 11

3.2 接地体仿真计算模型 12

3.3 本章小结 15

第4章 接地装置冲击电阻仿真计算和分析 16

4.1 水平伸长接地体的冲击电阻计算 16

4.2 垂直伸长接地体冲击电阻计算 21

4.3 水平—垂直型接地体冲击电阻计算 23

4.4 冲击接地电阻的影响因素分析 25

4.5 本章小结 28

第5章 全文总结 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

近些年，国内经济迅速发展，电能是现代社会最重要的能源，仅2017年，全国全口径发电量64179亿千瓦时，比上年增长6.5%，全社会用电量63077亿千瓦时，同比增长6.6%。但是由于我国能源分布主要在新疆、山西、内蒙古等西北地区，而用电负荷主要在东部和南部沿海，因此很早之前，国家就确定了“西电东送”的发展战略。高压长距离的输电线路是能源供应大动脉，因此对其输电安全可靠性很有很高要求，统计结果表明，线路正常运行时，因遭受雷击而导致的线路故障在所有故障中占30%到40%^[1]，位于山区的线路这一比例还要更大。

当雷电流击中输电线路杆塔或者线路时，电流总会通过线路流向附近的杆塔，然后沿着杆塔经过接地装置流入大地，雷电流在流经载体过程中的散流十分复杂，并且由于雷电流的两大特征——高幅值和高等值频率，其作用在接地体上时，产生的冲击响应特性与工频电流作用下大不相同。接地装置的冲击电阻是决定线路耐雷水平的重要因素，当雷电流流过接地装置时，过大的接地电阻将导致杆塔末端电压瞬间提高至非常大，塔顶的电位也会迅速上升，塔顶和输电导线之间形成电位差，一旦超过绝缘子的耐压水平就会导致绝缘子闪络击穿，线路发生对地短路，威胁线路安全。另外当雷电流在接地体上散流时，过大的冲击电阻会导致地面上电位梯度太大，人体经过时会受到接触电势和跨步电势作用，严重时将造成人员伤害。所以工程实践上都要求必须合理设计接地装置，减小冲击电阻。

传统上，用经验公式总结不同的接地装置的冲击系数，然后用其工频电阻乘以冲击系数的方法确定杆塔在雷电流下的冲击电阻，这种方法是非常不可靠的。主要原因是因为：首先，雷电流在接地体上经过时，导体上流动的轴向电流幅值很大，向土壤中的散流电流密度也会很大，根据计算公式，电场强度和散流密度显然是正比例关系，而土壤存在一个临界击穿场强，一旦导体周围的电场强度超过，土壤就会被电击穿，发生火花放电。在放电区域中，研究人员发现土壤的电阻率大幅度下降，几乎可以认为该区域内的电阻率近似等于接地体的电阻率了，也就是放电区域都可以看作是接地导体，因此冲击接地电阻降低；另一方面：雷电流等值频率极高，接地体上的自电感和互电感在高频电流下，电感效应强烈，抑制轴向电流流动，如果实践中按照传统方法架设接地装置，就会造成材料浪费、成本增加以及不能保障线路防雷性能达标。

在广大农村和山区，承担输电主力的还是10kV配电线路，这些线路往往存在线路老化，检修不及时，接地装置架设不符合规范的问题，另外山区雷电频繁，也不利于10kV线路运行。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，这对低压输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。

1.2国内外研究现状

从20世纪30年代开始，人们发现接地装置的设计对于输电线路的防雷性能、安全运行有重要意义，接地技术开始受到学者的关注。开始时，由于认识不深，只是基于电磁场和电路理论的方法，研究了水平、垂直接地体，而且研究时为了简化模型，大多数研究者忽略了在雷电流作用下，导体上的火花效应和电感效应。上世纪70年代以来，计算机因其强大的计算能力在科研中发挥越来越大的作用，代人工进行重复计算，一些学者开始利用计算机仿真手段模拟接地体在雷电流下的散流过程，得到了一系列重要的结论。目前，国内外对于接地体的冲击散流特性和冲击电阻数值分析主要利用试验法和理论法。

1.2.1试验分析法

通过试验方法分析接地体在雷电流下的工作特性可以直接获得精确的数据和结论，因此试验法是最直接有效的方法，试验法又可以分为真型试验和模拟试验，两者的差别就在于试验建立的环境前者是真实大小的雷电流和接地装置，后者是在实验室的沙箱中，按照一定的原则同比例缩小接地装置和冲击电流。

（1）真型试验

真型试验就是尽量模拟真实的接地装置在遭受雷击时的工作状态，用冲击大电流发生器、真实大小和结构的接地装置和真实的土壤环境进行试验，这种方法得出的数据更加符合真实情况，因此也被国内外学者接受。

学者R. Kosztaluk在1981年对杆塔接地装置进行了真型试验研究^[2]，试验中他尽力去模拟真实的试验环境，向水泥杆塔的接地装置中注入了幅值不同的冲击电流，最大达到26kA，试验结果显示冲击电阻与电流幅值是反比例关系，但不是线性减小的关系；加拿大学者A.M. Mousa对不同试样的土壤进行研究^[3]，分析汇总前人的试验结果，得出土壤的临界击穿场强大多数情况下可以取300kV/m，大大低于南非学者E.E. Oettle的推荐值1000kV/m^[4]。武汉大学学者鲁海亮等人在武汉特高压试验基地利用100kA冲击电流发生器对带射线型水平接地体进行了冲击试验，试验中选取的冲击电流幅值最大达到68.97kA，分析了电流幅值和冲击电阻大小的非线性关系，将试验结果和他提出的电网络模型时域差分求解算法比较，发现基本吻合误差很小，从而验证了仿真算法的准确性^[5]。

国内外学者对于真型试验有不少研究，但是真型试验也存在很大缺点。首先试验需要模拟高幅值高频率的雷电流，这样的冲击大电流发生器造价高，试验成本也很高；其次需要很大的试验场地，接地体长度可能长达十几米甚至更长更大，试验操作困难。所以真型试验用于理论验证比较多，无法做大量研究，一般实践中，学者还是更多使用模拟试验。

（2）模拟试验

因为真型试验的操作困难性，研究接地冲击特性时模拟试验被广泛实施。试验中的参数按照一定比例缩小，比如冲击电流的幅值经过缩小，容易用发生器实现；接地体的长度和尺寸大大缩小；实验室中的土壤电阻率可以通过填埋不同类型的土壤，增加含水量以及添加降阻剂控制。按照一定的原则严格缩小后，可以保证接地体在模拟环境中的散流情况和真实环境中尽可能的保持相同，大大降低了试验实施难度，节约成本，便于重复试验多次研究。

1950年，学者Kosztaluk在接地网模型的冲击特性研究中推导出了一系列重要公式^[2]，这些公式被归纳到IEEE的《变电站安全接地导则》，模拟试验最开始的实施依据就是这部导则。E.E. Oettle通过模拟试验，总结出了一条经验曲线，可以用来估计接地冲击电阻^[4]，但是由于是基于试验的经验公式，所以精确度不是很高；国内学者也在模拟试验上作出了突出贡献，现在常用的模拟依据来源于重庆大学研究所的相似原理^[6][7]，清华大学何金良等人在完善相似原理的准则中也起到了推动作用，他们对在前人基础上对不同尺寸、结构的接地体，不同幅值和波形的冲击电流都进行了反复的冲击试验^[8]。

然而，模拟试验也有一定的实施困难。首先，根据国际电工委员会和我国国家标准雷电流的波前时间一般取，模拟试验中按照一定比例缩小后，冲击电流的波头时间会降到级别，这样短波前时间的冲击电流很难用发生器生成；其次，接地体按照一定比例缩小后，土壤颗粒不能按照比例缩小，接地体与土壤的接触情况与现实情况还是存在差别的；另外，模拟实验一般只是将接地体埋在均匀的土壤中，实际土壤电阻率、颗粒大小在上下分层上可能存在显著差异，这也带来了误差。

1.2.2理论分析法

理论分析法按照所采用的理论不同可以分为以下四种：

（1）传输线理论法：

基于传输线理论的接地装置冲击特性研究方法在20世纪80年代被提出。传输线理论的原理是用波过程解释雷电流在接地导体上的散流过程。在得到雷电流和土壤电参数后，用分布参数的电阻R，电感L，对地电容C和对地电导G来建立电路模型研究波过程。这种方法优点是计算速度快，建模灵活。缺陷是分段长度还未有明确的确定准则，一般只在简单水平或垂直接地体上使用，针对更复杂一点的多跟接地体模型还没有精确地计算模型，存在明显的局限性，计算结果也还有一定误差。

（2）电磁场理论法：

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