考慮接地電阻特性影響的差異性桿塔接地設計

李臻奇，蔡 翔，易 浩，李政洋

(1.長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410004；2.國家電網(wǎng)岳陽供電公司，湖南 岳陽 414000)

考慮接地電阻特性影響的差異性桿塔接地設計

李臻奇1，蔡 翔2，易 浩2，李政洋1

(1.長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410004；2.國家電網(wǎng)岳陽供電公司，湖南 岳陽 414000)

目前架空輸電線路桿塔接地體的設計，只考慮了可靠性與統(tǒng)一的高標準要求，忽略了經(jīng)濟性，且沒有對輸電線路雷擊特性進行研究?；诖?，提出考慮雷擊電流及電壓影響差異性的桿塔接地設計。首先，分析桿塔接地電阻過高的原因及其產(chǎn)生的影響；然后，仿真測試雷擊輸電線路，發(fā)現(xiàn)各級桿塔雷電流以及雷電過電壓幅值逐步遞減；最后，根據(jù)該特性，實現(xiàn)了對輸電線路桿塔接地電阻差異性設計。該設計能夠保障電網(wǎng)可靠運行，提高了電力設計的經(jīng)濟性。

桿塔接地；接地電阻；雷擊特性；差異性接地設計

中國輸配電線路主要以架空線路為主，架空輸電線路在架設時由于考慮到電力的經(jīng)濟性，通常需要翻山越嶺，基本上是遇山跨山、遇水跨水，架設桿塔很大部分處于山谷或者河流處[1-2]。同時，架空輸電線路跨度較大，因此很容易遭受雷擊事故。一旦發(fā)生雷擊事故，無論是低壓線路的水泥桿塔還是中高壓的鐵塔，其接地電阻值的大小直接關系到雷電流的泄流效果。如果接地電阻值的大小不能滿足要求，必須對其進行接地優(yōu)化，以便減少因為雷擊而造成事故的發(fā)生。但是目前電力施工單位在桿塔接地電阻設計時具有一定的盲目性，盲目地追求國標最高標準。不會對桿塔之間進行區(qū)分設計，必然導致一定的人力物力的浪費(只考慮電力設計的可靠性原則而忽略設計的經(jīng)濟性原則)。因此，有必要對桿塔接地設計的現(xiàn)狀進行研究，得出一種既滿足防雷要求同時又節(jié)約人力和物力的新方法。

1 桿塔接地電阻偏高原因分析

土壤電阻率一直是影響桿塔接地電阻值大小的重要因素，土壤電阻率的變化范圍很大，在接地工程中電阻率從小到十幾歐米，大到上萬歐米[3]。桿塔土壤電阻率的大小與桿塔工頻接地電阻之間的關系為

式中Rgl為工頻接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為水平接地體的長度，m；h為水平接地體的埋設深度，m；d1為水平接地體的直徑，m；A為屏蔽系數(shù)；B為形狀系數(shù)。水平接地體系數(shù)如表1所示。

1.1 土壤電阻率影響因素

自身土壤電阻率高主要是因為自然環(huán)境土壤的組成的原因，土壤電阻率的大小很大程度上由組成土壤的成分、含水量、溫度以及土壤的致密程度(壓強)決定。在砂混合的黏土中，當其中的水分從水到冰變化時，電阻率在0°時會出現(xiàn)一個突然的上升，當溫度再降低時，土壤電阻率將出現(xiàn)明顯的增大。相反，從0°上升時電阻率將平穩(wěn)下降。砂質(zhì)土壤和黏土相比，砂層中單個空隙較大，但是總的空隙數(shù)不如黏土的多，而且黏土的透水性能較差，水不易流動，因而沉積較多的鹽水化合物，因此黏土的土壤電阻率較低。而對于氣壓，當土壤的含水量、溫度一定，氣壓增大10倍時，電阻率會降低到原來的65%。例如，北方的凍土土壤電阻率的變化范圍為500 ～15 000 Ω·m。同時，土壤電阻率的大小還與其土壤中的含水量相關，在南方10 m深以上的砂質(zhì)板巖的土壤電阻率高達4 000 Ω·m，10 m以下的由于其土壤中受到地下水的浸入，則逐漸降低到900 Ω·m[4-6]。

表1 水平接地體系數(shù)

1.2 地理區(qū)域的限制

某些特殊區(qū)域由于自然環(huán)境惡劣，土壤電阻率較高，導致接地電阻值增大。例如在山西的黃土土質(zhì)區(qū)，由于常年缺水，土壤保水性能較差，導致土壤導電性能差，土壤電阻率高。對于東北的凍土土質(zhì)，由于土壤溫度較低，且在接地體進行鋪設時不易深挖，不能深埋接地體，致使土壤電阻率較高。而對于南方某些山區(qū)地帶，多為巖石，少土壤。且多為雷電多發(fā)區(qū)域，很難進行接地優(yōu)化。

1.3 缺少定期的維護

對于大部分桿塔的接地來說主要采用2種形式的接地：通過自然接地體接地和通過人工接地體接地。自然接地體主要是指鐵塔的桿塔通過鐵塔自身進行接地，人工接地體是指通過架設接地引下線再人工鋪設接地體進行接地。對于2種形式的接地，由于長時間的雨水(帶酸性)沖刷以及日光照射，導致其地表以上的鐵塔或者是人工接地體的發(fā)生腐蝕，而對于地表以下鋪設的接地體，在某些特殊區(qū)域，由于難以鋪設導致鋪設深度不夠，同時，由于土壤中含有部分鹽分，隨著酸性雨水的侵入形成電離回路，加速腐蝕的發(fā)生。而對地表以上的腐蝕由于桿塔處于山區(qū)頂端，巡線檢查的周期比較長，發(fā)生腐蝕后很難發(fā)現(xiàn)。對于地表以下的部分由于處于地下，只有深挖才能發(fā)現(xiàn)其是否發(fā)生腐蝕，一般的采用三級法測接地電阻只能發(fā)現(xiàn)整個接地系統(tǒng)的問題，很難發(fā)現(xiàn)接地體的局部腐蝕情況。

2 接地電阻過大的影響

按照電力行業(yè)標準DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》、DL/T 61—1997《交流電氣裝置的接地》，根據(jù)不同土壤電阻的大小、架空線路，桿塔的接地電阻要求有所不同。例如，當有避雷線的架空線路(110 kV級以上等級輸電線路以及部分特殊低中壓線路)時，接地電阻的要求具體如表2所示[3，7-8]。

表2 有避雷線的桿塔接地電阻

2.1 反擊事故概率增大

對于輸電線路來說，接地電阻過大最直接的影響是桿塔塔頂電位。桿塔接地模型如圖1所示，為了便于描述，以水泥桿塔簡化鐵塔或者其他形式的塔基，而同時簡化其他雙回或者多回線路為單相線路，以簡單地描述替代復雜，分析桿塔頂端電位的組成。

圖1中桿塔的接地電阻由兩部分組成：①桿塔的接地引下線(對于自然接地體可以看成引下線或者接地體裝置)，由于引下線一般都采用電纜或者鋼絞線，所以該部分等效看成電感；②桿塔的接地體裝置，該部分主要采用扁鋼或者圓鋼等材料通過串并聯(lián)連接成接地體，因此，可以看成一個等效電阻[6，9-12]。假設桿塔的頂端電位為Ud，引下線等效為電感L(電感L的大小要根據(jù)實際情況進行測量計算，與引下線的長度和材料有關)，同時接地體的接地電阻為R(接地體的接地電阻值大小主要是根據(jù)人工三級法進行測量，得到相應的阻值)。因此，整個桿塔的頂端電位由兩部分組成：

(2)

式中i為雷電沖擊電流的幅值?？梢缘玫剑簵U塔的頂端電位不僅與引下線的參數(shù)有關，同時還與接地體的接地電阻值相關。

圖1 桿塔接地模型

2.2 雷擊熱效應以及機械效應

2.2.1 雷擊熱效應

在遭受雷擊時，如果雷電流不能迅速地通過接地裝置泄放到大地，在流經(jīng)被擊物體時產(chǎn)生很高的溫升，將造成金屬物體的融化以及非金屬的燒毀。雷電流流經(jīng)金屬物內(nèi)時，產(chǎn)生的熱量可以采用在雷電流作用時間下t的積分來計算：

(3)

式中Wj為金屬物上產(chǎn)生的熱量，J;Uar為金屬物上的電弧壓降，其經(jīng)驗值取20～30 V;i為流過金屬物的雷電流，kA。

而對于非金屬物體，由于雷電流流進非金屬后，將尋找低阻抗路徑泄放大地。因此在這個過程產(chǎn)生的熱量可以估算為

(4)

式中Wf為非金屬物上產(chǎn)生的熱量,J;R為非金屬物內(nèi)流過的視在電阻，Ω；i為流過金屬物的雷電流，kA。

由于雷電流的作用時間很短，在計算雷電流對金屬或者非金屬所造成的溫升時，可以忽略散熱的影響，計算溫升：

式中 ΔT為溫升，℃；W為雷電流產(chǎn)生的熱量，J；m為雷電流流經(jīng)物體的質(zhì)量，kg；c為物體材料的比熱容，J/(kg·℃)。

2.2.2 雷電的機械效應

雷電流流經(jīng)被擊物體，根據(jù)電磁場理論，在被擊物體周圍將產(chǎn)生相應的磁場，而處在該磁場中的其他載流導體(正常運行的輸電線路)將會受到電磁力的作用。由安培定律可知，兩平行導體之間單位長度的電動力(電磁力)為

(5)

式中F為單位長度導體所受的電動力(電磁力)，N/m；i1，i2均為兩導體上的電流，A；d為2根平行導體之間的距離，m。

3 雷擊線路特性研究

根據(jù)電力實際經(jīng)驗，在對桿塔的接地體進行設計時都是按照電力規(guī)程(表2)，而對于某些特殊地區(qū)要求更高，接地電阻值更小。電力設計者在設計桿塔接地電阻值時往往都是按照最高標準防雷，確保累計跳閘率，因此,在實施時都會花費很大一部分經(jīng)濟在降低接地體的接地電阻值上，尤其是在某些黃土、干旱以及巖石處土壤電阻率特別高的地方要想把接地電阻值降低下來將要花費很大的人力和財力。有時候為了降低接地電阻率，不得不進行深挖和遠距離鋪設輔助接地體，這不僅增加電力施工人員勞動強度，同時也造成了電力設備的浪費。

根據(jù)雷電流的泄露特性，一旦發(fā)生雷擊事故，在雷擊點的雷電流將通過就近桿塔的接地引線以及桿塔接地體泄入大地。但是由于雷電泄放存在一定的時間以及會產(chǎn)生一定的殘壓，因此，殘余的雷電流將沿著輸電線路進一步向相鄰的桿塔進行傳播。為了研究這個相鄰桿塔的雷電流傳播特性，采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立相應的仿真模型，對雷電流在桿塔之間的傳遞特性進行研究。仿真電路如圖2所示。

圖2是利用電磁暫態(tài)軟件ATP搭建的電路仿真模型，模擬雷擊輸電線路，并對其模擬檢測六級桿塔的雷電流、雷電壓特性。分別對模型中桿塔進行相應的編排(1—6號)。由于該文主要是對雷電流在各級桿塔之間傳播特性的研究，因此，模型中采用的雷電發(fā)生器為2.6/50μs，雷電流的幅值為3 kA[13]。首先對接地體1號(雷擊點)進行雷電流檢測，檢測結果如圖3所示。

從圖3可知，在雷擊輸電線路時，最近的第1級桿塔接地體上流經(jīng)的雷電流幅值達到2 800 A，接近雷電流發(fā)生器的發(fā)出電流，可知在第1級的桿塔入地電流非常大。雷電流在入地泄流時由于接地電阻以及其他接地體周邊環(huán)境的影響，導致雷電流不能及時的通過最近的桿塔進行泄流，因此,分別對其他5級桿塔入地電流進行檢測，為了更能明顯地區(qū)分，把顯示的時間縮短為0.05 ms，檢測結果如圖4所示。

圖2 仿真電路

圖3 雷擊點接地電流波形

圖4 逐級桿塔入地電流波形

圖4是雷電流從雷擊點向鄰近桿塔進行傳播特性，由圖可知，在雷電流傳遞的過程中雷電流幅值是逐步遞減的，傳播到相鄰的第1級桿塔時雷電流的幅值為2 800 A，傳播到第2級桿塔時雷電流幅值降低度很大，幅值為312 A左右，相對于第1級入地電流幅值降低很大。第3,4,5,6級桿塔的入地電流分別為175，112，46，0 A。從圖4各桿塔入地電流特性可知，雷電發(fā)生時絕大部分雷電流都是通過最近的桿塔進行泄流，同時，還有一部分雷電流通過輸電線路傳輸?shù)较噜彽臈U塔，總體雷電流呈現(xiàn)遞減趨勢，傳遞到第6級時基本上為零。

按照電力經(jīng)驗，雷擊事故的發(fā)生絕大部分體現(xiàn)的是雷擊過電壓，因此，對各級桿塔過電壓進行檢測，首先對于第1級桿塔雷電過電壓進行檢測，檢測的結果如圖5所示。

從圖5可知，在第1級桿塔線路過電壓幅值達到580 kV，這個幅值大小是3 kA雷電流直擊線路產(chǎn)生的過電壓幅值。根據(jù)雷電流散流特性，由于接地體及環(huán)境的原因?qū)е碌?級桿塔后將產(chǎn)生一定的剩余電壓，該剩余電壓將通過輸電線路流經(jīng)到第2級及后級桿塔。因此，對后無極桿塔過電壓進行研究和分析，第2至第6級桿塔線路過電壓波形如圖6所示。

圖5 雷擊點過電壓波形

圖6 逐級過電壓波形

從圖6中可以看出,各級桿塔的過電壓幅值依次為160，61,46,40，9 kV。各級桿塔輸電線路的雷電過電壓的幅值類似于雷電流，逐級在桿塔輸電線路中降低。在第6級桿塔線路中雷電過電壓幅值達到9 kV，而雷電流的幅值為零，這是因為在電流檢測時由于檢測的單位都是kA級，而第6級桿塔的入地電流相對于kA級很低，導致在對第6級桿塔入地電流檢測時檢測電流為零。而對于雷電過電壓，其來源主要是上一級桿塔(第5級)線路在入地泄流后的殘壓，因而比較高。

以上仿真研究分析采用的是3 kA雷電流發(fā)生器，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，雷擊事故發(fā)生時雷電流幅值主要變化范圍為3～300 kA 。工程實踐雷擊雷電流的幅值比仿真實驗的雷電發(fā)生器的電流大很多，主要表現(xiàn)的特性(桿塔的雷擊入地電流特性以及桿塔輸電線路雷電過電壓特性)趨勢相似，只是在桿塔入地電流的幅值和桿塔輸電線路過電壓幅值相對于仿真實驗的值大很多。

4 差異性桿塔接地設計

針對仿真雷擊輸電線路實驗結果，提出差異性桿塔接地設計。差異性桿塔接地設計就是在設計桿塔接地時考慮雷擊電流及電壓特性，針對桿塔進行不同的接地電阻設計。根據(jù)歐姆定律，過電壓幅值的耐受值一定，當電流的幅值降低時，電阻值要求可以相應的放寬(電阻值可以變大)。根據(jù)仿真結果，第1級仿真電流很大，隨著桿塔級數(shù)的增大，入地電流值變小。對于接地電阻的要求可放寬，只要滿足最后的過電壓幅值不超過線路的最大耐受值。

設計步驟如下：

1)首先對該地區(qū)的雷電活動進行相關數(shù)據(jù)的收集，同時對該輸電線路雷擊事故記錄進行研究，以得到我們仿真模擬電路中的第一級桿塔。并且在研究的過程中針對雷電歷史數(shù)據(jù)得到仿真雷電流的大小，對實際雷電流的大小進行仿真分析，得到相應的每一級入地雷電流以及相應的線路雷電過電壓。

2)按照電力系統(tǒng)桿塔接地規(guī)程，按照規(guī)程設計出第1級桿塔的接地要求，根據(jù)仿真實驗的結果特性，分別按照遞減特性設計后續(xù)桿塔的接地電阻的要求，并通過三級法對接地電阻進行實地測量每一級桿塔的實際自然接地電阻值。

3)對實際接地電阻值與仿真分析計算得到的每一級桿塔的接地電阻要求值進行對比，對于滿足仿真分析特性要求的桿塔接地不需要再對其進行降阻(達到第1級桿塔的要求)，對于其中不能滿足仿真分析要求的，再對其采用人工降阻措施，例如輔助接地網(wǎng)的鋪設、垂直接地體的鋪設、增設傘狀散流裝置等等[14-16]。

5 結語

通過對雷擊輸電線路時雷電流在桿塔接地體中的特性研究，得出結論：

1)人工鋪設、運行時間以及自然環(huán)境的因素，與輸電線路桿塔的接地電阻值大小密切相關，是導致雷擊時發(fā)生事故的重要原因，工程中運行工作人員應當對此類參數(shù)關注。

2)雷電流在沿輸電線路傳遞過程中，隨著桿塔級數(shù)的增大，入地電流與輸電線路過電壓呈現(xiàn)逐漸降低特性。

3)針對雷電流在桿塔接地中的特性，提出差異性桿塔接地設計，該設計不僅能夠同樣滿足雷電的防護要求，同時還對那些接地要求的桿塔進行降低要求設計(部分桿塔不需要再進行深度的鋪設以及遠距離鋪設輔助接地體)，降低了設計施工者的勞動量以及節(jié)約了成本。對于電力系統(tǒng)運行的要求原則來說，在確?？煽啃缘那疤嵯略鰪娏穗娏\行的經(jīng)濟性。

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Study on difference tower grounding considering the characteristics of the grounding resistance

LI Zhen-qi1, CAI Xiang2, YI Hao2, LI Zheng-yang1

(1.School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004，China； 2.State Grid yueyang Power Supply Company, Yueyang 414000, China)

The design of overhead transmission line tower grounding system only considers reliability and the high standard of design, but it doesn't consider the lightning characteristics of transmission line and neglects the economy. This paper studied the causes and impacts of the high tower grounding resistance, and then simulated the lightening lines, it was found that the magnitude of lightning current and voltage were both decreased along the power towers. Finally, the difference grounding tower design was proposed.The design guarantees the power grid reliability as well as improves the economic benefits of the electric power design.

tower grounding; grounding resistance; lightning characteristics; difference grounding design

2016-09-12

李臻奇(1991-)，男，碩士研究生，主要從事高電壓絕緣技術研究；E-mail：675652965@qq.com

TM862; TM74

A

1673-9140(2016)04-0168-07