接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷影響的研究

張明旭 王軍 閆敏 梁利輝 王春明 溫潤(rùn)賢

摘 要：我國(guó)電力系統(tǒng)因?yàn)槔讚粼斐傻氖鹿蕰r(shí)常發(fā)生，比如電路短路、跳閘等。然而隨著我國(guó)快速發(fā)展，已經(jīng)離不開電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)直接影響著人類的生產(chǎn)和生活，當(dāng)電力系統(tǒng)因?yàn)槔讚舭l(fā)生故障之后，就會(huì)造成比較大的影響。所以為了提高輸電桿塔防雷的效果，文章對(duì)接地電阻值對(duì)其影響進(jìn)行了分析，因?yàn)榻拥仉娮柚抵苯佑绊懼旊姉U塔防雷效果。同一個(gè)輸電桿塔上設(shè)置幾個(gè)不同的回線符合我國(guó)當(dāng)前對(duì)電力的需求，所以文章主要針對(duì)的是同塔四回路防雷進(jìn)行研究。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)接地電阻值越小，輸電桿塔防雷效果將會(huì)更好;當(dāng)接地電阻值小于15Ω時(shí)，電阻值不斷增加時(shí)，輸電桿塔的防雷水平就會(huì)越小，并且其對(duì)防雷的影響比較大;當(dāng)接地電阻值大于15Ω時(shí)，電阻值不斷增加，其防雷水平也會(huì)降低，此時(shí)的電阻對(duì)防雷水平影響比較小。最后為了提高輸電桿塔防雷效果，提出了一些降低接地電阻值的方法。文章目的在于降低雷擊對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的影響，從而更好發(fā)揮電力系統(tǒng)對(duì)人類的貢獻(xiàn)作用。

關(guān)鍵詞：接地電阻值;輸電桿塔;防雷

中圖分類號(hào)：TM863 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）04-0150-04

Abstract：Today， accidents caused by lightning strikes frequently occur in my countrys power system， such as short circuits and trips. However， with the rapid development of my country， the power system has been inseparable. The power system directly affects human production and life. When the power system fails due to lightning strikes， it will have a relatively large impact. Therefore， in order to improve the lightning protection effect of the transmission tower， the paper analyzes the impact of the grounding resistance value， because the grounding resistance value directly affects the lightning protection effect of the transmission tower. Setting several different loops on the same transmission tower is in line with my countrys current demand for electricity， so the article mainly focuses on the four-circuit lightning protection of the same tower. According to the experimental results， the smaller the grounding resistance value， the better the lightning protection effect of the transmission tower; when the grounding resistance value is less than 15Ω， when the resistance value continues to increase， the lightning protection level of the transmission tower will be smaller， and its impact on lightning protection is greater; when the grounding resistance value is greater than 15Ω， the resistance value continues to increase， and its lightning protection level also decreases， at this time， the resistance has little effect on the lightning protection level. Finally， in order to improve the lightning protection effect of the transmission tower， some methods for reducing the grounding resistance value are proposed. The purpose of the paper is to reduce the impact of lightning strikes on my countrys power system， so as to better play the role of power systems contribution to humans.

Key words：ground resistance; transmission tower; lightning protection

雷電屬于一種劇烈的放電現(xiàn)象，一般情況下有3種不同形式的雷電，分別為直擊雷、球形雷和感應(yīng)雷[1]。不同形式的雷電，對(duì)事物的影響程度也會(huì)存在差別，但是對(duì)于輸電桿塔，容易受到雷電的影響，如果不對(duì)其進(jìn)行防雷處理，將會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果[2]。雷擊活動(dòng)的強(qiáng)度和頻率程度一般會(huì)使用年平均雷暴日數(shù)、年雷閃頻數(shù)和年平均地面落雷密度進(jìn)行表達(dá)[3]。由于我國(guó)對(duì)電力需求不斷上升，將會(huì)影響到人類生產(chǎn)和生活，如今較為頻繁的雷暴現(xiàn)象影響到了我國(guó)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。夏季最容易發(fā)生雷電現(xiàn)象，屬于赤道附近的地區(qū)也非常容易發(fā)生雷電活動(dòng)。雷電會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，造成線路斷路、跳閘等事故，而且很多輸電桿塔屬于偏僻低于，維修相當(dāng)困難[4]。所以為了增加輸電桿塔防雷效果，設(shè)置的接地系統(tǒng)非常重要，能夠在一定程度降低雷電對(duì)輸電桿塔的影響，從而降低線路損傷程度和損傷頻率[5]。

雷擊造成線路跳閘主要可以分為兩種類型，分別為繞擊跳閘和反擊跳閘，其中反擊跳閘比較容易出現(xiàn)在電壓等級(jí)比較低的線路中[6]。另外，影響輸電桿塔反擊耐雷水平的因素比較多，比如絕緣子絕緣距離、接地電阻值、桿塔高度和桿塔的地理位置等因素，其中接地電阻值能夠直接影響到桿塔的電位分布，所以就會(huì)引起其他因素的發(fā)生，比如影響到絕緣子兩端的電壓差，所以為了降低輸電桿塔受到雷擊的影響，文章對(duì)接地電阻值進(jìn)行分析，并且已經(jīng)有研究表明，當(dāng)接地電阻值越來越小時(shí)，輸電桿塔防雷效果將會(huì)更好，更不容易發(fā)生跳閘等事故[7-8]。但是這一理論是在籠統(tǒng)的分析輸電桿塔，沒有將其進(jìn)行分層研究，因?yàn)樵诓煌妷旱燃?jí)下，距離雷擊點(diǎn)的距離不同，其受到的電壓將會(huì)存在差別，于是其防雷效果就會(huì)存在差異。所以文章將進(jìn)一步分析接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷的影響，并且為了降低接地電阻值提出了一些措施，目的在于提高輸電桿塔防雷效果，從而增強(qiáng)我國(guó)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1 接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷的影響

由于我國(guó)對(duì)電力的需求發(fā)生迅猛增長(zhǎng)，導(dǎo)致輸電線路走廊比較缺乏，于是為了能夠滿足電力需求，在同一個(gè)輸電桿塔上設(shè)置幾個(gè)多回線路，多回線路可以是雙回、4回或者6回，其中6回線路使用比較少。文章將主要針對(duì)4回線路進(jìn)行防雷研究，該輸電桿塔的示意圖如圖1所示，一共將其分為6層。當(dāng)輸電桿塔的高速越高時(shí)，就更容易受到雷電的襲擊。輸電桿塔上一共有12相導(dǎo)線，每個(gè)導(dǎo)線之間的高度存在比較大的差異，于是接地電阻值對(duì)輸電桿塔的不同高度防雷影響存在差異。當(dāng)前輸電桿塔中使用最多的電壓等級(jí)為110kV和220kV，所以文章將會(huì)在這兩種電壓等級(jí)下研究接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷的影響。研究過程中，還將不同高度上受到的不同電壓也考慮到防雷效果中。

1.1 接地電阻值對(duì)110kV輸電桿塔防雷效果的影響

輸電桿塔每一層的防雷效果將會(huì)存在差別，一般情況下，距離地面更高的位置更容易收到雷擊，也就是第一層的防雷效果相比與其他層差，而最后一層，也就是第6層的防雷效果更好，因?yàn)樵搶硬蝗菀资艿嚼讚簟Ｓ谑俏恼峦ㄟ^測(cè)量研究，得到如圖2所示的接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷效果的影響結(jié)果。從圖中可以看出當(dāng)接地桿塔電阻值不斷增加時(shí)，層級(jí)越小，接地電阻值對(duì)輸電桿塔的防雷影響越小，因?yàn)閳D中的線更加平穩(wěn)，也就是輸電桿塔越高的位置，接地電阻值對(duì)其防雷影響更小，反而是越靠近地面的輸電桿塔，接地電阻對(duì)其防雷影響更加的顯著。

圖3為輸電桿塔絕緣子兩端電壓峰值結(jié)果，其中桿塔使用多波阻抗模型，使用先導(dǎo)發(fā)展模型作為絕緣子。從圖中可以看出，從圖中可以看出，接地電阻值越來越大時(shí)，絕緣子兩端的電壓越來越大，兩者成正比關(guān)系。然而輸電桿塔的每層絕緣子兩端電壓變化程度存在差別，其中輸電桿塔層級(jí)越高，接地電阻值對(duì)其電壓影響更大，反而是輸電桿塔層級(jí)越小時(shí)，電阻值對(duì)其影響比較小。另外，從兩個(gè)圖中可以看出，當(dāng)接地電阻值越來越大時(shí)，輸電桿塔防雷效果更差。所以為了增加防雷效果，需要降低接地電阻值。

當(dāng)接地電阻值越來越小時(shí)，輸電桿塔絕緣子兩端的電壓也越來越小，距離雷擊點(diǎn)越近的位置，受到的電壓應(yīng)該越大，其耐雷水平應(yīng)該越差，一般情況下我們會(huì)這樣理解，但是通過實(shí)驗(yàn)之后，恰好不是這樣的結(jié)果，而是當(dāng)接地電阻越來越小時(shí)，距離雷擊較近的位置更不容易閃絡(luò)，而是接近地面率先閃絡(luò)。另外，當(dāng)接地電阻比較小時(shí)，對(duì)第3層到第6層的耐雷水平影響隨著電阻的增大而更大，而當(dāng)電阻大于15Ω時(shí)，接地電阻值對(duì)防雷的影響的就會(huì)比較平穩(wěn)。

1.2 接地電阻值對(duì)220kV輸電桿塔防雷效果的影響

220kV下，接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷影響的結(jié)果如圖4所示，圖5即為不同層絕緣子兩端電壓峰值結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)電壓升高220kV時(shí)，其線路的變化規(guī)律與110kV環(huán)境下的變化趨勢(shì)大致上相同，只有一條存在區(qū)別，即110kV時(shí)接地電阻值小于15Ω時(shí)，對(duì)絕緣子兩端電壓峰值影響比較大，而220kV環(huán)境下，接地電阻是小于10Ω時(shí)，電阻對(duì)電壓峰值的影響比較小，但是對(duì)線路防雷水平的影響比較大。存在這種現(xiàn)象是因?yàn)槭褂孟葘?dǎo)發(fā)展模型作為絕緣子模型，耐雷水平不僅受到電壓峰值的影響，而且還和絕緣子兩端電壓波形有關(guān)，所示說只使用電壓峰值反映耐雷水平的準(zhǔn)確度并不是很高，存在比較大的偏差。

通過上述接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷的影響研究，可以得出以下結(jié)論：接地電阻值對(duì)輸電桿塔中不同層導(dǎo)線的防雷影響存在差別。當(dāng)距離地面比較近的導(dǎo)線，接地電阻值對(duì)導(dǎo)線的防雷水平影響就會(huì)越大;當(dāng)接地電阻值小于15Ω時(shí)，電阻值不斷增加時(shí)，輸電桿塔的防雷水平就會(huì)越小，并且其對(duì)防雷的影響比較大，當(dāng)接地電阻值大于15Ω時(shí)，電阻值不斷增加，其防雷水平也會(huì)降低，當(dāng)然此時(shí)的電阻對(duì)防雷水平影響比較小，即防雷水平受到的影響比較平緩。所以為了提高輸電桿塔的防雷效果，需要盡可能的降低接地電阻，最好將其電阻控制在15Ω以內(nèi)，于是防雷效果將會(huì)更好，能夠降低導(dǎo)線跳閘率。

2 降低接地電阻的方法

降低電阻能夠增加輸電桿塔的防雷效果，通過上述分析可以將接地電阻控制在15Ω以下，能夠降低跳閘率。另外由于輸電桿塔距離地面越高的地方，其防雷效果越好，所以可以適當(dāng)?shù)脑黾咏^緣子的長(zhǎng)度，于是可從整體上增加輸電桿塔的防雷效果。當(dāng)然安裝避雷針能夠很好的避免輸電桿塔受到雷擊，這種方式具有明顯的效果，但是其消耗成本也會(huì)比較大。于是文章接下里來將主要研究降低接地電阻值的方法，從而增加輸電桿塔的防雷效果。

通過考慮接地電阻的組成成分和影響電阻的因素，從而降低電阻值。接地電阻有接地引線電阻和接地體本身的電阻，該電阻主要容易受到材質(zhì)和幾何尺寸的影響。接地電阻值還會(huì)受到土壤的含水量、性質(zhì)等影響，還會(huì)受到土壤的緊密程度和接觸面積影響。接地電阻還會(huì)受到散流電阻的影響，散流電阻就是以接地體為中心點(diǎn)，向遠(yuǎn)方擴(kuò)散電流然后途中經(jīng)過的土壤電阻，且影響該電阻的主要因素就是土壤的含水量。在這眾多影響電阻的因素中，其中影響最大的因素就是散流電阻和接地體接觸電阻。于是文章為了降低電阻值，將會(huì)從這兩個(gè)方面提出降低電阻值的方式。

2.1 改變接地極材料

接地電阻所使用的材料直接影響著電阻值，所以為了降低電阻，需要選擇電阻非常小的材料，hd-m1屬于一種優(yōu)質(zhì)非金屬模塊，其在室溫環(huán)境下的電阻率為0.0013Ω·m，與常見的接地模塊相比，該材料的電阻非常小，小幾百倍以上。在應(yīng)用過程中將其埋設(shè)到地面50～100cm的深度即可。在制作該材料時(shí)，使用的工藝比較好，使用500kg以上的壓力制成，所以得到的材料具有比較大的密度，具有受壓能力強(qiáng)、牢固能力好等優(yōu)勢(shì)，而且占用土地面積小、施工方便、成本較低等優(yōu)勢(shì)。作為接地電阻材料，當(dāng)受到非常大的電流沖擊時(shí)，不會(huì)影響到接地電阻值，也不會(huì)發(fā)生脆性斷裂等情況。同時(shí)還能夠在非常寒冷的北方使用，因?yàn)樵摬牧夏軌蚪?jīng)受住零下40℃的環(huán)境。更重要的是該材料能夠降低地電位反擊，因?yàn)榻饘俸屯寥乐g存在非常大的電阻率，如果遇到雷擊，就會(huì)受到非常大的電流沖擊，如果使用非常普通的接地電阻材料，就會(huì)導(dǎo)致使得電位梯度過大，產(chǎn)生非常大的電壓，從而造成各種安全事故，所以使用該材料能夠?qū)⑦@這種電位反擊的情況發(fā)生。

2.2 選擇長(zhǎng)效復(fù)合降阻劑

降低接地電阻值還可以使用降阻劑，為了實(shí)現(xiàn)接地電阻值的降低效果更加明顯，使用長(zhǎng)效復(fù)合降阻劑將會(huì)更好。降阻劑能夠降低接地電阻值是因?yàn)橐韵?個(gè)原因：

（1）制作降阻劑所使用的材料具有很低的電阻率，所制得的降阻劑一般情況下小于5Ω·m。降阻劑的電阻率比土壤小很多，所以將其包裹在接地體的周圍，增加電阻值非常小，幾乎可以不用考慮，然后就會(huì)增加接地體尺寸，就會(huì)降低接地電阻值。

（2）使用降阻劑能夠具備吸潮性，能夠使得接地體周圍的土壤保持在一定的潮濕范圍;而且降阻劑還會(huì)在土壤中進(jìn)行滲透，從而降低周圍土壤的電阻率。所以降阻劑能夠降低接地電阻值。

（3）隨著降阻劑的不斷發(fā)展，其配方有很多形式，所以在質(zhì)量和價(jià)格上也會(huì)存在比較大的差異，所以在選擇降阻劑時(shí)需要比較慎重，選擇性能較好的長(zhǎng)效復(fù)合降阻劑，然后再考慮降阻劑的用量和價(jià)格。在選擇降阻劑時(shí)需要著重考慮到以下3個(gè)方面： ①降阻特性。一般情況下選擇的降阻劑電阻率應(yīng)該至少小于土壤的20倍，在室溫環(huán)境下，其電阻率應(yīng)該小于5Ω·m，而有些特殊地域，對(duì)電阻率的控制比較嚴(yán)格，所以選擇的降阻劑電阻率應(yīng)該大約為1Ω·m;②降阻劑的腐蝕性。由于降阻劑包裹在接地電阻上，所以不能具備腐蝕性，不會(huì)就會(huì)破壞接地電阻，從而造成電力系統(tǒng)受到雷擊的影響，降阻劑盡量能夠具備保護(hù)接地電阻，使其不容易受到土壤的腐蝕。通過相關(guān)研究之后，降阻劑的腐蝕率每年不能大于0.03mm。另外，要求降阻劑呈現(xiàn)弱堿性，因?yàn)槟軌驅(qū)哟姌O起到保護(hù)作用，而且降阻劑要能夠在24h內(nèi)完全凝固，不然就會(huì)被流失，還會(huì)加快腐蝕;③降阻劑的穩(wěn)定性。因?yàn)榻底鑴┚邆浜芎玫姆€(wěn)定性，就不容易發(fā)生任何的變化，于是在使用過程中就能夠長(zhǎng)久的發(fā)揮作用，具備較長(zhǎng)的壽命，能夠更好的降低接地電阻值和保護(hù)接地電極。

3 結(jié)語

由于雷電對(duì)輸電桿塔的影響比較大，造成的各種安全也比較多，在維修上面又相當(dāng)困難，所以為了降低這些影響，使用接地電阻降低雷電對(duì)輸電桿塔的影響。而接地電阻值的不同又會(huì)影響到輸電桿塔防雷效果，所以文章通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷的影響，分析不同層次接地電阻值對(duì)輸電桿塔防雷的影響?？傮w來講，當(dāng)接地電阻值越來越小時(shí)，輸電桿塔能夠具有更好防雷效果;越靠近雷擊點(diǎn)的位置，反擊耐雷水平將會(huì)越好。所以為了提高輸電桿塔防雷效果，降低接地電阻值將會(huì)有比較好的作用。所以文章還提出了幾點(diǎn)降低接地電阻值的方法。目的在于能夠提高我國(guó)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]谷鳴.緊湊型220kV智能變電站防直擊雷分析計(jì)算與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016.

[2]李勛，黃榮輝，伍國(guó)興，等.輸電桿塔雷擊接地模型對(duì)附近管道運(yùn)行安全影響研究[J].智慧電力，2017（10）：25-30.

[3]吳蓓，黃樹華，宗文瑜，等.青島地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要參數(shù)的分析[J].科技促進(jìn)發(fā)展，2012（4）：193-197.

[4]王輝，劉俊，何金良，等.輸電線路桿塔對(duì)雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響[J].高電壓技術(shù)，2008（9）：1910-1914.

[5]張敏，曹曉斌，李瑞芳，等.輸電線路桿塔接地極沖擊接地電阻特性分析[J].電瓷避雷器，2012（4）：5-9.

[6]譚志慶.基于擊距法的1000kV特高壓輸電線路耐雷水平及跳閘率研究[J].機(jī)電信息，2016（12）：32-34.

[7]李俊，張偉，劉渝根，等.220kV同塔四回輸電線路反擊耐雷性能影響因素[J].電力建設(shè)，2010（09）：60-64.

[8]邢文圣，劉國(guó)勛，夏瑞瑞，等.接地電阻和土壤電阻率及隱蔽泄流地網(wǎng)測(cè)量的輸電桿塔防雷技術(shù)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2018，034（007）：25-30.