輸電線路桿塔接地狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)探索

王麟超，邱海波

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，社會(huì)對(duì)電力需求持續(xù)增長。為滿足安全生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展的需求，確保輸電線路的平穩(wěn)、高效及安全已成為電網(wǎng)運(yùn)營的核心任務(wù)。接地保護(hù)作為確保輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行的有效措施，已成為實(shí)現(xiàn)高可靠性的關(guān)鍵保障。然而，受科技發(fā)展水平、地形地貌條件、線路材料以及自然環(huán)境等因素的限制，接地設(shè)施在施工過程中可能存在天然缺陷，如接地距離過大、易受雷電破壞和設(shè)施腐蝕等問題。影響輸電線路桿塔接地電阻的狀態(tài)，從而引發(fā)供電隱患[1]。輸電線路桿塔接地電阻數(shù)值越小，輸電線路桿塔抗雷擊性能越好，由雷擊引發(fā)的線路跳閘故障率也就越低[2]。如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路桿塔接地狀態(tài)，對(duì)及時(shí)掌握輸電線路桿塔狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)并處理潛在故障，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。然而，目前接地電阻測(cè)量大多以人工測(cè)量為主，存在測(cè)量實(shí)效性低、復(fù)雜地貌及惡劣天氣測(cè)量困難、難以及時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)等問題。因此，文章提出了一種可實(shí)時(shí)測(cè)量接地電阻、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)的輸電線路桿塔接地狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法。

1 輸電線路桿塔接地狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法

1.1 在線監(jiān)測(cè)原理

輸電線路桿塔接地發(fā)生異常時(shí)，流向接地設(shè)施的短路電流會(huì)形成接地電位，接地電位UD的計(jì)算方式為

式中：Imax表示異常位置的最大短路電流；Iz表示發(fā)生異常的部位未通過接地設(shè)施直接回流到電源的電流；Mn表示分流系數(shù)；R表示當(dāng)前的接地電阻。

通過式（1）發(fā)現(xiàn)，異常部位的電流經(jīng)接地設(shè)施沿著桿塔傳輸至大地的過程中，接地電位由于接地電阻的存在而升高[3]。同時(shí)，接地電位的大小受入地短路電流影響。入地短路電流ID的計(jì)算公式為

式中：Ef表示異常延時(shí)參數(shù)；Ig表示額定對(duì)稱入地故障電流。Ig本質(zhì)是接地網(wǎng)同地面間存在的電流，計(jì)算公式為

式中：Kmax表示入地故障電流的最大范圍；If表示分流參數(shù)。

在異常延時(shí)參數(shù)一定的情況下，入地短路電流與Ig成正比，如果Ig的數(shù)值過高，桿塔接地電位也會(huì)過高[4]。此外，桿塔存在不同類別的接地電極，其中接地體有一定的屏蔽功能，即使接地體參數(shù)一樣，其電阻值也會(huì)因?yàn)榻拥卦O(shè)施建設(shè)形態(tài)的差異有所區(qū)別。因此，需要修正接地體的電阻值，實(shí)施歸一化處理，相關(guān)計(jì)算公式為

式中：ρ表示土壤電阻率；L表示接地設(shè)施的長度；h表示示接地裝置埋深；d表示接地裝置直徑；A表示形狀系數(shù)。

通過式（4）發(fā)現(xiàn)，接地設(shè)施的不同形態(tài)也會(huì)影響電阻。為降低接地電阻值，輸電線路桿塔需要根據(jù)地形地貌、地理特征等選擇符合恰當(dāng)?shù)慕拥卦O(shè)施[5]。

設(shè)當(dāng)前的導(dǎo)線桿塔的狀態(tài)是一個(gè)正六邊形，其邊長為a。為便于計(jì)算，假設(shè)其橫截面的大小可以轉(zhuǎn)化成直徑為1.28a的圓，那么這個(gè)桿塔電流密度矢量ε計(jì)算量公式為

式中：dI表示電流的微小變化量；dt表示微小時(shí)間間隔；dS表示微小面積；dq表示在dt時(shí)間段內(nèi)通過某dS的電荷量的變化量。

假定的矢量方向同橫截面S垂直，則空間中點(diǎn)電荷dq在隨機(jī)點(diǎn)電位表示為

式中：r表示點(diǎn)電荷dq至隨機(jī)點(diǎn)的距離；β表示介電常數(shù)。

當(dāng)接地裝置為2rL的圓柱體時(shí)，設(shè)電極存在于電介質(zhì)內(nèi)，該裝置電流密度表示為

在塔桿設(shè)施里，接地電阻大小與接地設(shè)施所處的埋深也有關(guān)聯(lián)，因此在計(jì)算電阻時(shí)要把地表影響融合進(jìn)去。文章利用鏡像法，將接地設(shè)施在土壤表面的鏡像假定成環(huán)境里電阻率為ρ的電流源，如圖1 所示。

圖1 塔桿接地設(shè)施鏡像

埋深后的接地電阻Rm的計(jì)算公式為

輸電線路塔桿的接地部位一般是4 個(gè)，所以在計(jì)算總體電阻Rz時(shí)，需要將其作為整體，計(jì)算其并聯(lián)作用后的數(shù)額，計(jì)算公式為

式中：λ表示屏蔽參數(shù)；RA、RB、RC及RD分別表示桿塔4 個(gè)接地部位的電阻值。

1.2 故障監(jiān)測(cè)方法

輸電線路桿塔接地出現(xiàn)異常的排查機(jī)理如下：在線監(jiān)測(cè)裝置里提前預(yù)設(shè)電流閾值，如果監(jiān)測(cè)到的桿塔工頻接地電流超過閾值，那么認(rèn)定其出現(xiàn)異常，監(jiān)測(cè)設(shè)施會(huì)給予異常提醒。但是具體操作過程中，如果只依據(jù)閾值判斷是否出現(xiàn)異常，存在明顯的局限性。操作失誤或誤檢等原因都可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此實(shí)際應(yīng)用中需考慮桿塔電流方向。異常接地電路如圖2 所示，當(dāng)輸電線路桿塔工頻接地電流出現(xiàn)故障時(shí)，大部分電流被導(dǎo)入桿塔周邊預(yù)設(shè)的避雷設(shè)施，剩余電流被導(dǎo)入發(fā)生異常的桿塔。

圖2 異常接地電路說明

出現(xiàn)圖2 所示的異常情況時(shí)，表明電路短路，按照差動(dòng)理論，通過相關(guān)的傳感器能夠確定發(fā)生異常的節(jié)點(diǎn)。異常報(bào)警裝置的原理如圖3 所示。

圖3 異常報(bào)警裝置原理

避雷線電流值大小受桿塔兩側(cè)電流參數(shù)影響，相關(guān)傳感器的輸出信號(hào)協(xié)同成幅值一致的波形。如果沒有異常情況，那么桿塔兩側(cè)電流方向相反、大小相同，異常報(bào)警裝置的指示器收到的信號(hào)約等于0，不會(huì)觸發(fā)報(bào)警。如果發(fā)生異常，那么異常桿塔兩側(cè)的電平方向出現(xiàn)變化，桿塔兩側(cè)電流變?yōu)榉较蛳嗤?、大小相同，所以電流是原來? 倍，增大的信號(hào)導(dǎo)致報(bào)警器發(fā)出故障警報(bào)。

2 實(shí)證分析

為檢測(cè)文章提出的方式的有效性，將文章提出的方法與三極相位法、鉗表法進(jìn)行比較。選取山東電力某超高壓輸電線路10 個(gè)500 kV 輸電線路桿塔開展測(cè)試。相關(guān)桿塔編碼及資料如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)桿塔資料

分別利用文章提出的方法、三極相位法、鉗表法3 種方法測(cè)量表1 中的10 個(gè)500 kV 輸電線路塔桿4 個(gè)接地部位的電阻數(shù)值，結(jié)果如表2 所示。文章提出的方法與三級(jí)相位法、鉗表法測(cè)量結(jié)果誤差值結(jié)果如表3 所示。

表2 3 種方法電阻測(cè)量值 單位：Ω

表3 不同方法測(cè)量的電阻誤差情況 單位：Ω

分析表3 誤差值可以發(fā)現(xiàn)，文章提出的監(jiān)測(cè)輸電線路桿塔接地電阻誤差均低于0.5 Ω，而三級(jí)相位法、鉗表法監(jiān)測(cè)誤差值均大于0.5 Ω，鉗表法測(cè)試誤差值最高甚至超過5 Ω。因此，相較于其他兩種方法，文章提出的測(cè)試的方式誤差小、精準(zhǔn)度高，在實(shí)際應(yīng)用中具備較好的效果。

3 結(jié) 論

文章基于目前室外輸電線路塔桿接地測(cè)試方面存在的難點(diǎn)、不足，結(jié)合日常使用需求和安全高效的要求，提出一種輸電線路桿塔接地狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警的方法。該方法能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)接地電阻狀態(tài)，定位發(fā)生異常的位置，并能夠及時(shí)通過異常報(bào)警裝置給與警示。通過實(shí)證分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明文章提出的在線監(jiān)測(cè)方法精準(zhǔn)度高、誤差小。依托文章提出的方發(fā)可以較好的實(shí)現(xiàn)即時(shí)性測(cè)量，幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于意外雷擊、覆冰、倒塔等情況使輸電線路出現(xiàn)損壞的情況，保障線路安全高效運(yùn)行。