宗 偉，吳顯舟，姜復亮，張吉林，齊祥和，張 浩

（1.華北電力大學，北京 102206；2.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132001）

輸電線路桿塔由于投運時間長，經(jīng)風吹、日曬、雨淋等原因，桿塔接地引下線和接地極腐蝕導致桿塔的接地電阻超標，輸電線路的耐雷水平下降，使雷擊引起的線路跳閘的事故日益增多。東北220kV某輸電線路始建于2001 年12 月25 日，自JZ220 kV 變電站至TD220kV 變電站線路全長18.403 km，全線共有57基鐵塔（其中單回路鐵塔3基、雙回路鐵塔為54基），線路所處地形為丘陵占80%，平原占20%。全線導線型號為LGJ－240/40×2、避雷線型號為雙根GJ－50，除3號、4號、副4號導線為三角排列外，其他地段導線均為垂直排列。本研究針對該地區(qū)某輸電線路，以及地質(zhì)、地貌環(huán)境變化，分析了土壤電阻率、模擬計算接地電阻，提出科學、合理的桿塔接地裝置的改造措施與方案，推動老舊接地裝置的改造，提高供電可靠性。

1 線路鐵塔接地現(xiàn)狀分析

220kV 某線處于多雷地帶，2001 年投運至今發(fā)生多次雷害跳閘。2010年5月11日04：22，220 kV 該線三相斷路器跳閘，重合良好，故障相別為C相，雙套距離Ⅰ段保護動作，閉鎖式高頻保護動作，雙套保護測距顯示距TD220kV 變電站分別為3.43km、3.59km，故障點距TD220kV 變電站3 km 處。5月11 日07：43，送電工區(qū)接到調(diào)度命令后，立即組織人員進行線路全線巡視登檢。10：36在220kV 該線（右側(cè)）48號塔中線（C 相）發(fā)現(xiàn)故障點。經(jīng)登塔檢查，發(fā)現(xiàn)220kV 該線（右側(cè)）48號直線塔（SZ1－30）中線（C相）導線端均壓環(huán)外側(cè)及橫擔端均壓環(huán)外側(cè)有放電燒傷痕跡，該塔距TD220kV變電站3.257km。該塔塔型為SZ1－30，呼稱高30.0m，此處地形為丘陵，接地電阻為6.8Ω，土壤電阻率140Ω·m，避雷線保護角為12°41′。2010 年5月10日及11日經(jīng)該市氣象部門實況觀測，該地區(qū)出現(xiàn)了雷暴天氣。結(jié)合故障現(xiàn)象，經(jīng)分析，此次故障原因為雷害。

220kV 該線48號塔地處該市化工區(qū)邊緣，屬多雷地帶，2001年投運至2003年共遭受雷害4次。鑒于上述情況，2003年10月，分別在220kV 該線34 號、35 號、37 號、38 號、39 號、41 號 安 裝YH10CX－180/520K（D）型避雷器18支/6組。避雷器安裝后，效果依然不明顯，因此，2014 年對220 kV 線路鐵塔裝置建模仿真計算，分析鐵塔接地電阻偏高的原因，提出改造方案。

2 接地電阻分析計算

關(guān)于桿塔的接地電阻，DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第6.1.4條規(guī)定：有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻R，在雷季干燥時，不宜超過表1所列數(shù)值。如果土壤電阻率ρ超過2 000Ω·m，接地電阻很難降低到30Ω 時，可采用6～8根總長不超過500m的放射形接地體，或采用連續(xù)伸長接地體，接地電阻不受限制［1］。

表1 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

2.1 三極法的測量原理

該條線路采用ZC－8型電阻儀測量其土壤電阻率。三極法的測量原理是測量埋入地中的標準接地極的接地電阻，然后利用接地電阻的計算公式反推出土壤電阻率。三極法測量時需要多次測量接地電阻值，每次測量時，被試電極的埋地深度需加深一給定量，其目的是迫使更多的實驗電流通過深層土壤，所測得電阻值將反映深度增加時電阻率ρa的變化。

式中：l為垂直接地電極打入地中的長度；d為垂直接地電極的直徑，d?l。

然而，采用三極法測量得到的土壤電阻率與接地極的形狀及尺寸、埋設(shè)情況等因素有關(guān)，與采用不同類型和幾何尺寸的接地極得到的視在電阻率有一定的差別，會帶來一定誤差［2－5］。此外，在查閱初始資料時發(fā)現(xiàn)，該條線路48號塔接地土壤存在明顯土壤分層情況，而200kV 該條線路在采用三級法測量桿塔接地電阻時，雖多次測量求取平均值，但僅限于大地表層，每次測量時，被試電極的埋地深度并未加深，沒有反映土壤深度增加時電阻率的變化。

傳統(tǒng)的接地電阻計算采用不同的經(jīng)驗公式，得到的結(jié)果只是一個粗略的估計，只有當土壤為均勻結(jié)構(gòu)時計算結(jié)果才比較可靠，而當土壤不均勻時，與實際值相差很大。本研究選用CDEGS 軟件中的MALZ模塊，繪制桿塔接地裝置，準確輸入桿塔相關(guān)參數(shù)、接地土壤分層情況等相關(guān)數(shù)據(jù)后計算、分析該條線路48號塔的接地電阻。考慮到鋼筋混凝土塔基也有一定的降阻作用，在計算接地電阻時應(yīng)記及塔基的影響。

2.2 接地裝置建模

該條線路48號鐵塔塔基為SZ1C6正方環(huán)形混凝土式結(jié)構(gòu)，共分3 級階梯，最上層階梯尺寸0.8m×0.8m×2.0m，第2至3級階梯尺寸分別為1.4m×1.4m×0.5m，2.4m×2.4m×0.3m。塔基總高2.8 m，露出地表0.2 m。水平外延接地裝置選用矩形環(huán)水平外延接地裝置，埋深0.6m，其中矩形環(huán)長12.5m，寬9.5m，4條外延放射線長32 m。接地體的材料普遍采用φ10 mm 圓鋼。通過CDEGS軟件中的SESCAD 繪圖工具將接地裝置參數(shù)尺寸、所用材料等輸入至軟件，組合塔基，效果圖見圖1。

2.3 土壤參數(shù)輸入

進一步參照初始資料，輸入該條線路48號塔土壤分層情況，地貌呈緩坡，地層深度0～0.5m 為植土，0.5～12.0m 為花崗巖，未見地下水。

參照國家標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》，輸入不同土壤層對應(yīng)的土壤電阻率，其中植土層土壤電阻率為50Ω·m，花崗巖層為200 kΩ·m，輸入至軟件。

輸入完畢后，經(jīng)計算該條線路48號接地電阻為56.34Ω，大于測量值6.8Ω，接地電阻超標。根據(jù)仿真實驗結(jié)果及實際運行情況，分析該條線路48號塔跳閘故障原因，可能是由接地電阻超標導致的。接地電阻主要由接地裝置的電阻，接地裝置與土壤的接觸電阻，電流流入土壤后形成的散流電阻三部分組成。其中，散流電阻的數(shù)值遠遠大于接地裝置自身的電阻與接觸電阻，而散流電阻的高低是由土壤電阻率的大小決定的［6－8］，因此，土壤電阻率決定了接地電阻的大小。220kV 該條線路48號塔接地電阻偏高正是因為其土壤下層高電阻率的花崗巖土層結(jié)構(gòu)造成的。對該條線路中所有鐵塔接地部分進行建模仿真，在地裝置埋設(shè)深度為0.6 m 時，計算其接地電阻，花崗巖土層深度h，計算結(jié)果見表2。

圖1 水平外延接地裝置效果示意圖

從表2 可見，當1.0 m≤h＜2.0 m 時，如25號、29 號、34 號、39 號、52 號 塔，其 接 地 電 阻 在13.97～16.35Ω；當0.5 m＜h＜1.0 m 時，如38號、40號、44號、51號鐵塔，接地裝置埋設(shè)位置接近高電阻率土層，其接地電阻數(shù)值范圍在20.56～26.30Ω；當h≤0.5 m 時，接地裝置埋設(shè)在高電阻率的花崗巖土層中，如28號、41號、42號、46號、48號鐵塔，其接地電阻在52.93～56.41Ω 的范圍內(nèi)。發(fā)生雷擊時，接地裝置將電流引入高電阻率的花崗巖結(jié)構(gòu)中，勢必導致接地電阻偏高；此外，當土壤分層情況相同時，采用C10s作為接地裝置的鐵塔接地電阻普遍小于采用C5s接地裝置的鐵塔，采用C5s接地裝置的鐵塔接地電阻小于采用C1s接地裝置的鐵塔，主要是因為C1s，C5s與C10s接地裝置均采用12.5m×9.5m 水平環(huán)形放射式接地，唯一不同的是C10s接地裝置放射線長32 m，C5s接地裝置放射線長18 m，而C1s接地裝置未設(shè)置放射線。接地裝置的放射線可以增加泄流通道，有效增大同土壤的接觸面積，在一定程度上減小接地電阻。

3 接地電阻偏高原因分析及改造方案

3.1 接地電阻偏高原因分析

a.土壤電阻率偏高。該條線路普遍存在土壤電阻率偏高的問題，部分輸電鐵塔接地土壤淺表層為高土壤電阻率的碎石狀花崗巖結(jié)構(gòu)，其電阻率高達約200kΩ·m，導致土壤整體電阻率偏高。

b.桿塔老舊。該地區(qū)220kV 線路由于投運時間較長，該條線路桿塔運行年久，經(jīng)風吹、日曬、雨淋等原因接地體必然腐蝕，使接地體與周圍土壤的接觸電阻變大。如焊接頭處因腐蝕斷裂會造成一部分接地體脫離接地裝置，桿塔接地引下線和接地極腐蝕均可導致桿塔的接地電阻超標。

c.土壤干燥。在北方地區(qū)，上層土壤容易干燥，受氣候的影響也大，在北方冬季還會受凍土層的影響。大地導電基本上是靠離子導電，而可以離解的各類無機鹽類只有在有水的情況下才能離解為導電的離子，干燥土壤的導電能力非常差；另外由于上層土壤中含氧量高，對接地體的腐蝕也較快。

除此之外，輸電線路施工時的偏差，外力的破壞等原因也可造成接地電阻偏高。

3.2 改造方案

a.加長接地裝置放射線。對于上層土壤電阻率低，下層電阻率高的輸電鐵塔，采用豎井式或深埋式接地裝置無法起到明顯降阻效果，因此采用延長放射線長度的方法改進接地裝置。設(shè)花崗巖土層表層深度為h，當0.5m＜h＜1.0m 時，如38號、40號、44號、51號鐵塔，接地裝置埋設(shè)位置接近花崗巖土層，采用延長放射線長度的方法可以收到一定接地電阻效果。分別延長放射線至100 m，對接地裝置進行改造，測試數(shù)據(jù)見表3。

當延長放射線至100m，其接地電阻在13.97～14.56Ω，小于30Ω，接地電阻數(shù)值滿足要求。對于h≤0.5m 的鐵塔，接地裝置埋設(shè)于高土壤電阻率的花崗 巖結(jié)構(gòu) 中，如28 號、41號 至43 號、46 號 至48號鐵塔，采用延長放射線長度的方法可以收到一定接地電阻效果，但無法滿足國家標準要求，需要輔助采用其他降阻措施。

表3 采用延長放射線長度方法改造線路的測試數(shù)據(jù)

b.加裝非金屬接地模塊。非金屬接地模塊一般來說擁有很強的保濕性和吸濕性，從而能充分發(fā)揮接地體中電解質(zhì)的導電作用，并且它對環(huán)境無排放，無污染，接地模塊施工量較少，降阻能力強，屬于環(huán)保型產(chǎn)品，在國內(nèi)的一些線路和變電站的接地工程中已有使用；另一方面，非金屬接地模塊由電解物質(zhì)和導電性強于金屬材料的非金屬材料組成，同等尺寸下，非金屬接地模塊比金屬材料在土壤層和接地體間具有更大的的接觸面積，等效降低了土壤和接地體之間的接觸電阻；此外，模塊中的與地線相連的金屬極芯也可以更快的速度將電流泄放到大地。不過此方法也存在一些問題，如相比金屬體，非金屬接地模塊的造價偏高，模塊之間存在一定的相互屏蔽。

c.實施爆破接地技術(shù)。爆破接地技術(shù)是通過對地鉆孔，在孔中布置接地電極，然后沿孔每隔一定的距離安放一定量的炸藥爆破，將巖石爆裂、爆松，再用壓力機將調(diào)成漿狀的物理降阻劑壓入深孔及爆破制裂產(chǎn)生的縫隙中，通過降阻劑將地下巨大范圍內(nèi)的土壤內(nèi)部溝通，加強接地電極與土壤、巖石的接觸，從而達到較大幅度降低接地電阻的目的。通過此法可有效解決該線所處土壤電阻率較高的問題，但此項技術(shù)弊端是實施成本非常高，且對桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性存在一定影響影響，需謹慎選用。

d.添加降阻劑。降阻劑由多種成分組成，其中含有細石墨、膨潤土、固化劑、潤滑劑、導電水泥等，一般為灰黑色，是一種良好的導電體。將其使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，形成足夠大的電流流通面；另一方面能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個變化平緩的低電阻區(qū)域。它具有施工方便，可解決施工場地受局限的困難，可大量節(jié)省金屬材料，較少受氣候的影響等優(yōu)點［9－10］。此外，降阻劑對接地體的腐蝕率要低。降阻劑是否具有防腐作用，要看其對接地體的平均年腐蝕率是否低于當?shù)赝寥缹拥伢w的腐蝕率。如果降阻劑對鋼接地體的腐蝕率低于當?shù)赝寥缹︿摻拥伢w的腐蝕率，就認為降阻劑對鋼接地體具有防腐作用，否則就認為具有腐蝕作用。除此之外，降阻劑的經(jīng)濟型也很重要。要做綜合的技術(shù)經(jīng)濟分析，既要滿足性能上的要求，又要價格經(jīng)濟、合理。

4 結(jié)論

本研究針對該條220kV 輸電線路鐵塔及線路雷害事故情況分析，對鐵塔接地裝置進行了建模仿真計算，模擬了真實的土壤分層情況，發(fā)現(xiàn)了鐵塔接地電阻偏高的主要原因是由于其土壤電阻率偏高。根據(jù)仿真結(jié)果與線路實際運行情況，提出了相應(yīng)的接地裝置改造方案，對于花崗巖土層表層深度大于0.5m 的高土壤電阻率鐵塔，采用延長放射線長度的方法可以收到一定接地電阻效果，對于花崗巖土層表層深度小于或等于0.5m 的鐵塔，采用延長放射線長度難以滿足要求，需輔助采用非金屬模塊接地，添加降阻劑等方法以達到降阻效果。

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