輸電線(xiàn)路桿塔接地設(shè)計(jì)

蘇秀蘭 凌 歡 何俊豪 張興志 馬 強(qiáng)

(成都桑萊特科技股份有限公司，成都 610045)

根據(jù)電網(wǎng)故障分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表明，在我國(guó)跳閘率較高地區(qū)的高壓線(xiàn)路運(yùn)行總跳閘次數(shù)中因雷擊引起的事故次數(shù)占 40%～70%。同時(shí)對(duì)雷擊輸電線(xiàn)路桿塔進(jìn)行分析，降低桿塔接地裝置的接地電阻，無(wú)疑是降低輸電線(xiàn)路故障的一個(gè)有效途徑[1]。遵循這一思路，在設(shè)計(jì)輸電線(xiàn)路桿塔地網(wǎng)時(shí)，主要指標(biāo)為接地電阻。根據(jù)桿塔所處的不同土壤電阻率，選取不同的接地電阻值。但是土壤會(huì)隨溫度、濕度、含離子量等不同變化，接地電阻并不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，最終造成雷擊事故的發(fā)生。現(xiàn)以四川省甘孜州九龍縣某220kV線(xiàn)路12基桿塔接地網(wǎng)的改造為案例，提出一種降低桿塔地網(wǎng)接地電阻、地電位和接觸電壓的方法，為輸電線(xiàn)路桿塔接地設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本線(xiàn)路位于四川省甘孜州九龍縣，起于某水電站，止于九龍500kV變電站，同塔雙回路架設(shè)，線(xiàn)路全長(zhǎng) 9.473km。同時(shí)該線(xiàn)路還承擔(dān)了其他兩水電站的電力送出任務(wù)，線(xiàn)路重要性高。全線(xiàn)海拔高程在1988～2688m之間；為高山大嶺和峽谷地形；沿線(xiàn)工程地質(zhì)主要為半堅(jiān)硬、堅(jiān)硬巖類(lèi)和松散巖類(lèi)工程地質(zhì)區(qū)；線(xiàn)路區(qū)域內(nèi)年平均雷暴日為70天。線(xiàn)路于2006年開(kāi)始設(shè)計(jì)，導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-500/45，架設(shè)雙底線(xiàn)，其中一根地線(xiàn)為OPGW光纜復(fù)合地線(xiàn)，另一根分區(qū)段分別采用 LBGJ-100-30AC及 GJ-80地線(xiàn)。線(xiàn)路于2008年中旬建成投運(yùn)，在2009年7月30日以及9月28日兩次出現(xiàn)雷擊跳閘。根據(jù)對(duì)線(xiàn)路地理情況和雷擊事故的分析，初步判定為桿塔接地網(wǎng)電阻偏高所致。

2 現(xiàn)場(chǎng)信息收集

2009年 11月對(duì)該線(xiàn)路每基桿塔處土壤電阻率和接地電阻進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有12基桿塔地網(wǎng)電阻不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試時(shí)，將塔腿處斷接卡與接地網(wǎng)斷開(kāi)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各基桿塔土壤電阻率和接地電阻測(cè)試值

3 接地解決方案技術(shù)分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)踏勘后，查閱了以上12基桿塔的接地型式以及接地材料，提出以下3種解決方案。

方案 1：將原地網(wǎng)圓鋼找出來(lái)，在其周?chē)鷿补嘟底鑴?/p>

方案 2：在原地網(wǎng)水平射線(xiàn)末端繼續(xù)增加水平射線(xiàn)，其增加的長(zhǎng)度需滿(mǎn)足雷電流有效泄流長(zhǎng)度，并增加一定數(shù)量的接地模塊。

方案 3：采用新接地技術(shù)——降阻劑多層施工方法和增加水平射線(xiàn)、抑制環(huán)的接地技術(shù)。

3.1 方案1分析

由于塔基周?chē)鷰缀跏鞘^，大部分桿塔地處懸崖或邊坡，在塔基基礎(chǔ)建設(shè)時(shí)部分采用微爆破的方式。地網(wǎng)埋于土中已經(jīng)幾年，大面積開(kāi)挖查找較困難，同時(shí)正處于冬季，部分塔基周?chē)浇聨r可見(jiàn)冰柱和冰塊，將原地網(wǎng)完全挖出來(lái)不現(xiàn)實(shí)，故此方案不可取。

3.2 方案2分析

以N8為例，本基桿塔地網(wǎng)原設(shè)計(jì)如圖1，水平環(huán)形邊長(zhǎng)為14m，水平射線(xiàn)長(zhǎng)度為30m，做以下分析。

圖1 原地網(wǎng)示意圖

圖2 方案3示意圖

根據(jù)雷電流的沖擊特性，接地極存在有效泄流長(zhǎng)度，水平射線(xiàn)有效泄流長(zhǎng)度 L≤2ρ0.5=92m（ρ為地網(wǎng)所處的土壤電阻率，實(shí)測(cè)值為2132Ω·m），故單根外延射線(xiàn)長(zhǎng)度還可外延92-30=62 m。如增加接地模塊，需要增加20個(gè)接地模塊才能將接地電阻降低至設(shè)計(jì)要求。但現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，本塔基處于邊坡傾斜地帶，周?chē)鸀榇迕竦姆孔?，且有村民開(kāi)墾的梯田式土地，不能隨便破壞。水平射線(xiàn)增加太長(zhǎng)受場(chǎng)地限制，其他塔基也存在類(lèi)似問(wèn)題。故建議單條水平射線(xiàn)增加的長(zhǎng)度控制在10m以?xún)?nèi)，此種方法不是最優(yōu)的改造方案。

3.3 方案3分析

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，提出了方案3的解決思路：降阻劑多層施工方法和增加水平射線(xiàn)、抑制環(huán)的接地技術(shù)（圖2）。確保改造后地網(wǎng)接地電阻滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)不影響周?chē)迕竦纳a(chǎn)、生活。

1）降阻劑多層施工方法

目前國(guó)內(nèi)外常用的降低接地電阻的方法是在接地極周?chē)褂玫碗娮栉镔|(zhì)——降阻劑，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)其研究非常深入，降阻劑是一種非常經(jīng)濟(jì)、有效的降阻材料。傳統(tǒng)降阻劑的施工方法如圖3所示，降阻劑和水按照重量比 2：1的比例調(diào)成漿狀后澆灌于接地極周?chē)?，包裹直徑約為100mm[4]。傳統(tǒng)的降阻劑施工方法存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）僅對(duì)接地極溝底極少部分土壤的環(huán)境進(jìn)行改變。

（2）在高山上，施工取水不方便。

所以我們做了以下設(shè)計(jì)（圖4），直接包裹熱鍍鋅圓鋼內(nèi)層的降阻劑采用在生產(chǎn)廠(chǎng)已預(yù)制成膏狀（降阻劑和水按比例調(diào)和后包裝成形，原料配比做適當(dāng)調(diào)整）的降阻劑，外層采用干粉降阻劑均勻倒入接地溝低部和溝壁，并回填素土夯實(shí)。整個(gè)施工過(guò)程無(wú)需水源，施工便捷。在多個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了傳統(tǒng)施工方法和多層施工方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，8m?10熱鍍鋅圓鋼，同等重量的降阻劑，分別按照?qǐng)D 3、圖4所示的施工方法，并記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。當(dāng)土壤電阻率ρ＞500Ω·m，采用多層施工方法后接地電阻降低越顯著，多層施工方法可在傳統(tǒng)施工方法上降低16.5%～48.3%。

圖3 降阻劑施工剖面圖

圖4 降阻劑多層施工方法

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

2）地網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常輸電線(xiàn)路桿塔地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要分為三種：水平環(huán)形、水平環(huán)形兼水平射線(xiàn)、帶接地模塊或角鋼的水平環(huán)形兼水平射線(xiàn)地網(wǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮降低地網(wǎng)接地電阻來(lái)降低雷擊的跳閘事故，從地網(wǎng)結(jié)構(gòu)上考慮降低地網(wǎng)的地電位升，從而降低接觸電壓和跨步電壓思考相對(duì)較少。認(rèn)為輸電桿塔一般建在山區(qū)，周?chē)诵筝^少。同時(shí)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)人畜才會(huì)發(fā)生觸電事故。

（1）線(xiàn)路發(fā)生故障。

（2）桿塔附近產(chǎn)生電位分布。

（3）人又恰好進(jìn)入桿塔附近危險(xiǎn)電位分布范圍內(nèi)。

（4）通過(guò)人體的電流等于或大于人體允許通過(guò)的安全電流。

但是做為設(shè)計(jì)工作者，我們需要考慮更多問(wèn)題，使設(shè)計(jì)在符合規(guī)范要求的情況下，做更多的創(chuàng)新和優(yōu)化，使地網(wǎng)更合理、更安全。

以 N8為例，根據(jù)理論推算，并采用上文所述的降阻劑多層施工方法，還需在原地網(wǎng)每條水平射線(xiàn)上增加 8m水平接地極才能將接地電阻降低至設(shè)計(jì)要求，用 CDEGS軟件對(duì)其進(jìn)行模擬。原地網(wǎng)采用 ?10熱鍍鋅圓鋼，增加的水平射線(xiàn)周?chē)?00mm降阻劑，地網(wǎng)注入電流I=10kA，輸出如圖5、圖6所示。地網(wǎng)的地電位最大值發(fā)生在水平環(huán)形網(wǎng)四角和水平射線(xiàn)端部，接觸電壓最大值發(fā)生在水平射線(xiàn)端部，可見(jiàn)水平射線(xiàn)端部是最不安全的。

圖5 地電位升示意圖

圖6 接觸電壓示意圖

為了降低水平射線(xiàn)端部的地電位，對(duì)增加的8m水平射線(xiàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變，總長(zhǎng)度不變，將其端部做成直徑為0.6m的圓環(huán)，如圖2所示。用CDEGS進(jìn)行模擬，輸出圖7、圖8。從圖中可以計(jì)算，采用了抑制環(huán)后，與以上設(shè)計(jì)相比地電位降低了5.91%，接觸電壓降低了 12.8%。地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，發(fā)生雷電故障時(shí)，人畜經(jīng)過(guò)桿塔更安全。故此方式在輸電線(xiàn)路桿塔地網(wǎng)設(shè)計(jì)中可采納，施工便利，地網(wǎng)更安全。同時(shí)可以以 8m水平射線(xiàn)、降阻劑、水平射線(xiàn)末端一個(gè)抑制環(huán)為一個(gè)組合體進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖7 地電位示意圖

圖8 接觸電壓示意圖

3 工程實(shí)施情況

通過(guò)以上分析，比較了3種方案，方案3更合理，更具有可實(shí)施性和安全性。故對(duì)本條線(xiàn)路12基桿塔地網(wǎng)均采用方案3的方法，以8m水平射線(xiàn)、降阻劑、水平射線(xiàn)末端一個(gè)抑制環(huán)為一個(gè)組合體，將其布置在每基桿塔每條水平射線(xiàn)末端。根據(jù)桿塔原地網(wǎng)接地電阻、土壤電阻率、改造后最終接地電阻值等因素確定增加組合體的數(shù)量，理論計(jì)算后，每基桿塔地網(wǎng)每條水平射線(xiàn)端部增加組合體的數(shù)量為1～2組。改造后實(shí)測(cè)每基桿塔接地電阻值，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且效果較明顯，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。該條線(xiàn)路經(jīng)本次改造后，到目前為止，沒(méi)有出現(xiàn)一次雷擊事故。

表3 改造后接地電阻實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論

1）土壤電阻率越高，降阻越困難，如果接地電阻不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，線(xiàn)路桿塔更易遭受雷擊事故。

2）在接地極長(zhǎng)度相等，使用同等重量的降阻劑，采用多層施工方法與傳統(tǒng)的施工方法相比，多層施工方法比傳統(tǒng)施工方法的接地電阻降低16.5%～48.3%。

3）在輸電線(xiàn)路桿塔設(shè)計(jì)中，由于地網(wǎng)端部地電位升較大，在其末端增加抑制環(huán)，可有效降低地網(wǎng)的地電位升、接觸電壓，使地網(wǎng)更安全。這種地網(wǎng)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用到線(xiàn)路桿塔地網(wǎng)新建和改建的設(shè)計(jì)中。

[1] 何金良,孟慶波.降低線(xiàn)路桿塔接地電阻方法的探討[J].電力建設(shè),1996(4)：48-51.

[2] 孫萍.220kV新杭線(xiàn)一回路雷電流幅值測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析[J].浙江電力,1994(2)：17-26.

[3] DL/T 620—1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[4] 陳范嬌.風(fēng)電場(chǎng)防雷接地技術(shù)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)防雷, 2010(3)：52-55.

[5] 川瀨太郎,高橋健彥.圖解接地技術(shù)[M].東京：科學(xué)出版社,2003：170.

[6] 何金良,曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2007：607.

[7] 徐志鴻,顏懷梁.接地降阻劑機(jī)理及用量研究[N].成都：四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 1991(1)：42-49.

[8] 何巖,張永金,等.西北高土壤電阻率地區(qū)線(xiàn)路接地電阻的測(cè)試方法[J].電力建設(shè),2011(9)：33-36.