特殊區(qū)域高壓架空輸電線路的跨步電壓研究

鄭智光，郭泉輝

（1.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建福州 350003；2.國網(wǎng)江西省電力公司江西南昌 330077）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，高壓電力線路越來越多地出現(xiàn)在工業(yè)園區(qū)、城鎮(zhèn)等人口活動(dòng)較為密集的區(qū)域。當(dāng)輸電線路的故障電流或雷電流經(jīng)接地裝置流入大地時(shí)，會(huì)在桿塔附近產(chǎn)生電位升高，此時(shí)在接地極附近活動(dòng)的人員兩腳將處于大地表面的不同電位點(diǎn)上，從而承受一定的跨步電壓。由于跨步電壓超過某一數(shù)值時(shí)會(huì)導(dǎo)致人體的觸電事故，因此，必須將線路桿塔附近的跨步電壓嚴(yán)格限制在允許范圍內(nèi)。

受工程地形地貌的限制及線路運(yùn)行的特殊性影響，以往高壓電力線路的桿塔接地裝置設(shè)計(jì)主要關(guān)注其防雷效果，而對(duì)于因線路故障引起的跨步電壓超標(biāo)引起的觸電事故等安全問題研究，國內(nèi)外均相對(duì)較少。

本文結(jié)合某已建500 kV線路位于特殊區(qū)域（如水田、居民區(qū)、工業(yè)園區(qū)及城市重要道路周圍等）桿塔的接地裝置設(shè)計(jì)情況，通過計(jì)算常見輸電線路桿塔接地裝置附近跨步電壓值及其允許值，研究了線路接地故障時(shí)接地短路電流對(duì)人身的安全性影響程度，并對(duì)跨步電壓存在超標(biāo)可能的塔位提出改善措施。

1 跨步電壓計(jì)算分析與評(píng)估

1.1 高壓輸電線路相關(guān)規(guī)程規(guī)范對(duì)跨步電壓的要求

高壓架空輸電線路相關(guān)的現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范中，對(duì)桿塔接地裝置的要求主要側(cè)重于防雷，相關(guān)條款側(cè)重于對(duì)不同條件下的接地電阻要求，作為提高線路耐雷水平的一項(xiàng)十分重要的措施。對(duì)于特殊區(qū)域的桿塔接地體要求采用環(huán)形，沒有如發(fā)電廠、變電站般規(guī)定跨步電壓、接觸電壓的要求值。如：《110 kV-750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）第7.0.17條規(guī)定：“通過耕地的輸電線路，其接地體應(yīng)埋設(shè)在耕作深度以下。位于居民區(qū)和水田的接地體應(yīng)敷設(shè)成環(huán)形。”；[1]《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50065-2011）第5.1.5條規(guī)定“在土壤電阻率ρ≤100Ω?m的潮濕地區(qū)，可利用鐵塔和鋼筋混凝土桿自然接地。發(fā)電廠和變電站的進(jìn)線段，應(yīng)另設(shè)雷電保護(hù)接地裝置。在居民區(qū)，當(dāng)自然接地電阻符合要求時(shí)，可不設(shè)人工接地裝置；居民區(qū)和水田中的接地裝置，宜圍繞桿塔基礎(chǔ)敷設(shè)成閉合環(huán)形?！盵2]

1.2 桿塔跨步電壓的計(jì)算分析原則

輸電線路桿塔附近的跨步電壓取決于桿塔附近地面的電位分布，與輸電線路的故障情況、土壤電阻率以及接地裝置的設(shè)計(jì)等因素密切相關(guān)。輸電線路的故障通常有四種型式：兩相短路、三相短路、單相接地短路和兩相接地短路。由于三相短路和兩相短路都不涉及到零序電流，而兩相短路接地時(shí)故障電流的零序電流分量比單相接地時(shí)的小，且發(fā)生的次數(shù)比后者少得多，因此在研究跨步電壓時(shí)，通常只考慮單相接地短路故障。

目前我國人民大多具有一定的文化知識(shí)，且通過多年的安全用電使用宣傳后，雷雨天氣時(shí)在農(nóng)田耕種或在線路桿塔等易引雷電的高建筑物附近行走的人較少。經(jīng)大量試驗(yàn)表明，由于雷電的時(shí)間非常短暫，且具有脈沖、高頻的特性，人體對(duì)高頻、脈沖的電壓和電流耐受能力要比工頻大得多，而關(guān)于人能承受雷電造成的跨步電壓是多少伏，允許流過的電流是多少安，至今還沒有得到明確的數(shù)據(jù)，因此，本文主要關(guān)注天氣良好情況下線路桿塔單相接地電流造成的接觸電壓，特別是跨步電壓的觸電問題。

1.3 桿塔跨步電壓的計(jì)算分析方法

首先計(jì)算出桿塔接地短路時(shí)的跨步電壓允許值，再將接地短路時(shí)最大跨步電壓值與之比較，檢驗(yàn)其是否超標(biāo)。

1.3.1 跨步電壓允許值計(jì)算

對(duì)于短路點(diǎn)允許跨步電壓的大小可用多種方法進(jìn)行計(jì)算，但作為工程分析，通常采用《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50065-2011）第4.2.2條規(guī)定的關(guān)于發(fā)電廠和變電站接地網(wǎng)的均壓要求的算法最為簡(jiǎn)便。其計(jì)算誤差在5%以內(nèi)，滿足工程實(shí)際的要求。

110 kV以上的有效接地系統(tǒng)或者6～35 kV低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地時(shí)，接觸電壓和跨步電壓不應(yīng)超過以下數(shù)值：

式中，Us——跨步電壓差允許值，V；

ρs——人腳站立處地表面土壤電阻率，Ω·m；

Cs——表層衰減系數(shù)，s；

ρ——下層土壤電阻率，Ω·m；

hs——表層高阻層厚度，m；

ts——接地故障電流持續(xù)時(shí)間，s。

1.3.2 跨步電壓計(jì)算

發(fā)生接地短路時(shí)，接地網(wǎng)表面的最大跨步電位差可按下式計(jì)算：

式中，Usmax——最大跨步電位差，V；

Ksma——最大跨步電位差系數(shù)；

Ug——接地裝置的電位升高，V。

對(duì)特殊區(qū)域，桿塔接地裝置埋深一般考慮0.8~1.0 m，所以接地體的最大跨步電位差系數(shù)可按以下公式求得：

式中，L——接地網(wǎng)中接地導(dǎo)體的總長(zhǎng)度，m；

L1——接地網(wǎng)邊緣邊線總長(zhǎng)，m；

d——水平接地體直徑，m；

A——接地網(wǎng)面積，m2。

接地裝置的電位升高可按下式計(jì)算：

式中，Ik——流經(jīng)接地裝置的最大入地短路電流，A；

Rg——接地電阻，Ω。

流入桿塔接地裝置電流的大小主要取決于系統(tǒng)短路電流Id、地線分流Ib的大小。而短路電流Ik大小一般可通過微機(jī)保護(hù)故障信息獲得。

當(dāng)人在地面上行走時(shí)，可把人的腳用一半徑r=0.08 m的圓盤近似取代，則人的兩只腳和土壤間的接觸電阻R（0R0≈ρ/4r=3ρ）以及人體的電阻R（b取1 500Ω）是串聯(lián)的，此時(shí)人體兩腳間受的實(shí)際電壓，即跨步電壓Uk將為：

其中，Rb——人體電阻，取1 500Ω；

R0——腳和土壤間的接觸電阻，Ω；

ρ——地表土壤電阻率，Ω·m。

最終得出各桿塔發(fā)生單相接地短路故障時(shí)最大跨步電壓為：

2 跨步電壓改善措施

2.1 降低桿塔跨步電壓的主要改造方案

對(duì)于線路桿塔而言，其接地網(wǎng)的占地面積較小，即使在網(wǎng)內(nèi)設(shè)置多根均壓帶，因?qū)w間間距較小、受屏蔽影響較為嚴(yán)重，均壓效果并不明顯，不可能像發(fā)電廠、變電站那樣采用均壓帶進(jìn)行均壓。因此，工程上通常采取在地表鋪設(shè)一層礫石或?yàn)r青混凝土路面的方法，通過改善提高地表面電阻率，以降低人身承受的電壓，使之滿足安全性要求。還有的做法就是進(jìn)一步降低桿塔的接地電阻值。

1）鋪設(shè)高土壤電阻率物質(zhì)。

此時(shí)，雖然地面的電位梯度并不改變，但通過提高表層土壤電阻率來提高人體與地面之間的接觸電阻，從而達(dá)到增加人體允許的跨步電壓的目的。工程上參照變電站跨步電壓均壓措施，通常有2種方法：[3]（1）采用碎石、礫石或卵石的高電阻率路面結(jié)構(gòu)層時(shí)，電阻率可取2 500Ω·m。（2）采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層時(shí)，電阻率取5 000Ω·m。即使在下雨天，礫石或?yàn)r青混凝土仍能保持高的電阻率。但是特別應(yīng)當(dāng)注意，普通的混凝土路面不能用來作為提高表層電阻率的措施，因混凝土具有吸水性，在下雨天其電阻率將降至幾十歐米。高阻層的厚度一般可取20 cm，繼續(xù)增加厚度對(duì)提高人體跨步電壓的允許值效果不大。

2）采用深埋式接地極。

對(duì)下層土壤電阻率比上層小的塔位，采用深埋式接地極將大大降低桿塔接地電阻，對(duì)降低跨步電壓意義重大。同時(shí)，考慮到南方地區(qū)雨季多，地下水豐富，將接地極埋設(shè)在處于地下水作用的良導(dǎo)電土壤層，可使接地電阻顯著下降。研究表明，接地極的長(zhǎng)度增長(zhǎng)到6 m，接地電阻可下降到2.5 m時(shí)的6.6%～10%。[4]

通常將深埋式接地極沿環(huán)形接地極的外環(huán)布置最為合理，以減少接地極間的屏蔽作用。本工程也可以利用原接地環(huán)增加6 m垂直接地極。還可以采用銅離子棒等新型接地裝置代替角鋼作為垂直接地極以提高接地體耐腐蝕性及施工難度。

2.2 改善跨步電壓的其他輔助措施

對(duì)特殊區(qū)域的典型桿塔進(jìn)行上述改造之后，還可以采取以下輔助措施與之相結(jié)合，以使桿塔跨步電壓嚴(yán)格控制在允許范圍之內(nèi)，保證跨步電壓安全性要求。

1）減少故障電流持續(xù)時(shí)間。

接地短路電流持續(xù)時(shí)間對(duì)跨步電壓的影響密切相關(guān)。研究表明，持續(xù)時(shí)間為0.25 s時(shí)人體所允許承受的跨步電壓是持續(xù)時(shí)間為0.5 s時(shí)的1.414倍，是持續(xù)時(shí)間為1 s時(shí)的2倍，即分別提高了41.4%、100%，這是非?？捎^的，特別是跨步電壓在臨界狀態(tài)時(shí)，可以不需要采取太多的外在辦法就可以將跨步電壓降到能夠承受的范圍內(nèi)。由此可知，保護(hù)裝置及自動(dòng)重合閘動(dòng)作時(shí)間越短，則人體可以承受的跨步電壓也越大；同時(shí)故障電壓、電流持續(xù)時(shí)間縮短后，對(duì)人體的作用時(shí)間也隨之減少，隨人體的傷害也隨之降低。在確保系統(tǒng)安全的情況下，可以采用快速重合閘減少故障線路開斷的動(dòng)作時(shí)間來減少故障電流持續(xù)時(shí)間。

2）及時(shí)消除桿塔存在的安全隱患。

目前大部分安全措施都是在線路發(fā)生工頻故障情況下采取的措施，屬于被動(dòng)型措施。從實(shí)際運(yùn)行中可以知道，雷雨季節(jié)人們大都不會(huì)在線路桿塔附近從事生產(chǎn)活動(dòng)，而在天氣良好的情況下發(fā)生工頻單相接地故障的可能性主要有兩種：線路污閃和鳥害跳閘。為此只要積極采取措施避免這兩種事故的發(fā)生，那么跨步電壓的事故就可能避免。

3 實(shí)例計(jì)算及分析

3.1 某已建500 kV輸電線路特殊區(qū)域的桿塔接地裝置設(shè)計(jì)情況

某已建500 kV輸電線路受周圍環(huán)境的影響，部分路徑途經(jīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，其中有11基鐵塔處于工業(yè)園區(qū)、居民區(qū)等人口密集和人員活動(dòng)比較頻繁的場(chǎng)所，接地射線敷設(shè)相對(duì)困難，接地裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用方環(huán)帶垂直接地體的型式，如圖1。這是目前特殊區(qū)域桿塔常用的接地裝置型式。

圖1 設(shè)計(jì)采用的接地裝置圖

桿塔接地電阻設(shè)計(jì)要求值、所處區(qū)域土壤電阻率及接地裝置設(shè)計(jì)基本情況如表1所示。

表1 特殊區(qū)域桿塔接地設(shè)計(jì)情況

當(dāng)計(jì)算流經(jīng)桿塔接地裝置的入地短路電流時(shí)，需要考慮系統(tǒng)中各接地中性點(diǎn)間的短路電流分配以及地線中分走的接地短路電流。在實(shí)際輸電線路中短路點(diǎn)處工頻電流主要由地線分流（地線分流占總電流的87%）。若地線為OPGW復(fù)合光纜地線或良導(dǎo)體地線，對(duì)工頻電流分流效果更顯著。[5]

本文計(jì)算時(shí)為保守起見取地線分流系數(shù)為80%，即流經(jīng)接地裝置的最大入地短路電流Id為變電站母線的單相短路電流47.5 kA的20%，約9.5 kA；接地電阻Rg取該桿塔接地電阻設(shè)計(jì)值。

經(jīng)計(jì)算，某已建500 kV線路特殊區(qū)域各塔位的跨步電壓情況如表2。

表2 桿塔的跨步電壓超標(biāo)情況

從表2可知，在接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求值時(shí)，該線路各塔現(xiàn)有接地裝置總體上是能滿足跨步電壓安全要求的，但對(duì)部分土壤電阻率低的塔位跨步電壓有可能超標(biāo)。為進(jìn)一步說明問題，表3列出了對(duì)存在跨步電壓超標(biāo)可能的塔位在接地裝置型式不變情況下不同接地電阻值時(shí)的跨步電壓情況。

表3 不同接地電阻下跨步電壓超標(biāo)情況

從表3可以看出，桿塔接地電阻低到一定程度時(shí)，跨步電壓是滿足要求的。這說明有效降低桿塔接地電阻，對(duì)改善桿塔附近的跨步電壓意義重大。但過分降低桿塔接地電阻，投資較大，經(jīng)濟(jì)上是不合理的，需要考慮其他的改善措施。對(duì)本實(shí)例工程而言，45號(hào)、46號(hào)、80號(hào)塔位地下穩(wěn)定水位分別約1.7 m、1.1 m、1.8 m，所采用的接地裝置中垂直接地極下部均已深入導(dǎo)電性能較好的濕潤(rùn)土壤層，且受季節(jié)影響很小，因此，現(xiàn)有的桿塔接地裝置已能基本滿足跨步電壓的要求，但處于臨界范圍。

考慮到工程實(shí)際中，在接地裝置設(shè)計(jì)時(shí)塔位附近的土壤電阻率多假設(shè)為均勻土壤電阻率，而事實(shí)上均勻土壤電阻率是不存在的，且土壤電阻率測(cè)量、接地電阻測(cè)量均存在有一定誤差。因此，為進(jìn)一步提高安全性，有必要對(duì)上述45、46、80號(hào)等3基塔采取改善措施。

3.2 各改造方案效果分析預(yù)測(cè)

由于目前國內(nèi)外對(duì)輸電線路桿塔接地裝置的跨步電壓工程測(cè)試、計(jì)算及采取怎樣的有效措施來降低跨步電壓的危害性等方面的研究相對(duì)比較少。因此，本文對(duì)上述塔位按采用瀝青混凝土鋪設(shè)路面、礫石敷設(shè)路面、深埋式接地極等措施改造后的效果進(jìn)行理論上的預(yù)測(cè)，可在后續(xù)運(yùn)行過程中結(jié)合接地裝置檢修時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的改造研究。

采用0.2 m厚的瀝青混凝土、礫石敷設(shè)路面改造后桿塔跨步電壓允許值與改造前對(duì)比如表4所示。采用深埋式接地極改造后桿塔跨步電壓允許值與改造前對(duì)比如表5所示。

表4 敷設(shè)高阻物質(zhì)改造前后跨步電壓允許值對(duì)比V

表5 采用深埋接地極改造前后跨步電壓值對(duì)比

由表4、表5可知，對(duì)于桿塔接地裝置附近地面鋪設(shè)高電阻率中瀝青混凝土層均能有效提高其跨步電壓允許值，采用深埋式接地極改造降低了跨步電壓值；二者效果是相同的。而采用礫石敷設(shè)高阻層對(duì)部分土壤電阻率低的塔位不一定適用，因此，對(duì)具體塔位改造方案須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，經(jīng)綜合比較后采用其中經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的處理方案。對(duì)本實(shí)例而言，采用深埋式接地極改造更為經(jīng)濟(jì)合理，而且垂直極的長(zhǎng)度還可以結(jié)合運(yùn)檢資料進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

1）特殊區(qū)域高壓架空輸電線路的跨步電壓通常情況下是滿足要求的，對(duì)部分存在有一定的跨步電壓安全隱患的塔位，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)一步分析后采取措施，避免出現(xiàn)雷擊或者工頻接地短路故障時(shí)，對(duì)附近人員構(gòu)成一定的人身安全威脅。

2）對(duì)下層土壤電阻率比上層小的塔位，采用深埋式接地極將大大降低桿塔接地電阻，對(duì)降低跨步電壓意義重大。特別是對(duì)南方雨水充沛地區(qū)，采用垂直接地體降低桿塔接地電阻值對(duì)降低跨步電壓具有重要的作用，仍然不失為其中最經(jīng)濟(jì)的方案。對(duì)已運(yùn)行的線路，可以在后期接地體改造時(shí)通過設(shè)置接地圓環(huán)、采用新型離子垂直接地棒等措施，從而有效降低跨步電壓。

3）在接地體上方附近地面鋪設(shè)高土壤電阻率物質(zhì)，可以提高跨步電壓允許值，對(duì)避免因跨步電壓引起的觸電事故具有重要意義。在條件許可的塔位經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后采用。

4）GB50065-2011規(guī)范中第5.1.5條規(guī)定的“土壤電阻率ρ≤100Ω?m的潮濕地區(qū)，在居民區(qū)，當(dāng)自然接地電阻符合要求時(shí)，可不設(shè)人工接地裝置”主要關(guān)注的是防雷效果。本文通過計(jì)算，建議在居民區(qū)采用敷設(shè)帶垂直接地極的環(huán)形接地裝置以進(jìn)一步降低跨步電壓。

[1]GB 50545-2010，110 kV~750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50065-2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]弋東方.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣一次部分）[M].北京：中國電力出版社，1989.

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

[5]王永明，倪孟華，路永玲，周文俊，喻劍輝，張秀霞.220 kV輸電線路工頻短路電流分布研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，44（3）383-387.