潘旭

韶關(guān)市關(guān)山供電工程有限公司 廣東韶關(guān) 512000

摘要：220kV高壓輸電線路的防雷是輸電線路安全工作中的重要環(huán)節(jié)，提高防雷接地技術(shù)水平對(duì)于增強(qiáng)220kV高壓輸電線路的安全性能具有重要意義?；诖?，本文結(jié)合某條220Kv輸電線路雷擊事故案例，對(duì)該線路鐵塔裝置建模仿真計(jì)算，探析了鐵塔接地電阻偏高的原因，并提出了有建設(shè)性的防雷接地改進(jìn)方案，希望能夠?yàn)檩旊妴挝惶峁┙梃b和參考。

關(guān)鍵詞：220kV輸電線路；防雷接地；改進(jìn)方案

輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)生活的必要前提，不僅直接影響用戶的可靠供電，而且關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。隨著社會(huì)和電力的聯(lián)系越來(lái)越緊密，人們對(duì)供電可靠性的要求也越來(lái)越高。這就要求我們針對(duì)運(yùn)行環(huán)境、防雷措施以及運(yùn)行管理，構(gòu)筑完善的綜合防雷接地保護(hù)方案，以提高高壓輸電線路運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

1 線路概況

某輸電線路為220kV高壓輸電線路，始建于2005年2月，自JZ220kV變電站至TD220kV變電站線路全長(zhǎng)19.03km，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(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-240/40×2、避雷線型號(hào)為雙根GJ-50，除3號(hào)、4號(hào)、副4號(hào)導(dǎo)線為三角排列外，其他地段導(dǎo)線均為垂直排列。

2 線路鐵塔接地現(xiàn)狀分析

220kV某線處于多雷地帶，2005年投運(yùn)至今發(fā)生多次雷害跳閘。2012年5月11日04：22，220kV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(hù)動(dòng)作，閉鎖式高頻保護(hù)動(dòng)作，雙套保護(hù)測(cè)距顯示距TD220kV變電站分別為3.43km、3.59km，故障點(diǎn)距TD220kV變電站3km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(jìn)行線路全線巡視登檢。10：36在220kV該線（右側(cè)）48號(hào)塔中線（C相）發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。經(jīng)登塔檢查，發(fā)現(xiàn)220kV該線（右側(cè)）48號(hào)直線塔（SZ1-30）中線（C相）導(dǎo)線端均壓環(huán)外側(cè)及橫擔(dān)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(chēng)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(hù)角為12°41′。2010年5月10日及11日經(jīng)該市氣象部門(mén)實(shí)況觀測(cè)，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?yàn)槔缀Α?/p>

220kV該線48號(hào)塔地處該市化工區(qū)邊緣，屬多雷地帶，2005年投運(yùn)至2007年共遭受雷害4次。鑒于上述情況，2007年10月，分別在220kV該線34號(hào)、35號(hào)、37號(hào)、38號(hào)、39號(hào)、41號(hào)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(duì)220kV線路鐵塔裝置建模仿真計(jì)算，分析鐵塔接地電阻偏高的原因，提出改進(jìn)方案。

3 接地電阻分析計(jì)算

關(guān)于桿塔的接地電阻，DL/T620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)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(shí)，不宜超過(guò)表1所列數(shù)值。如果土壤電阻率ρ超過(guò)2000Ω·m，接地電阻很難降低到30Ω時(shí)，可采用6～8根總長(zhǎng)不超過(guò)500m的放射形接地體，或采用連續(xù)伸長(zhǎng)接地體，接地電阻不受限制。

表1 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

3.1 三極法的測(cè)量原理

該條線路采用ZC-8型電阻儀測(cè)量其土壤電阻率。三極法的測(cè)量原理是測(cè)量埋入地中的標(biāo)準(zhǔn)接地極的接地電阻，然后利用接地電阻的計(jì)算公式反推出土壤電阻率。三極法測(cè)量時(shí)需要多次測(cè)量接地電阻值，每次測(cè)量時(shí)，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(shí)驗(yàn)電流通過(guò)深層土壤，所測(cè)得電阻值將反映深度增加時(shí)電阻率ρa(bǔ)的變化。

ρa(bǔ)=2πl(wèi)R/〔（ln（8l/d）-1〕（1）

式中：l為垂直接地電極打入地中的長(zhǎng)度；d為垂直接地電極的直徑，d<

然而，采用三極法測(cè)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(lèi)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(huì)帶來(lái)一定誤差。此外，在查閱初始資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，該條線路48號(hào)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(jí)法測(cè)量桿塔接地電阻時(shí)，雖多次測(cè)量求取平均值，但僅限于大地表層，每次測(cè)量時(shí)，被試電極的埋地深度并未加深，沒(méi)有反映土壤深度增加時(shí)電阻率的變化。

傳統(tǒng)的接地電阻計(jì)算采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式，得到的結(jié)果只是一個(gè)粗略的估計(jì)，只有當(dāng)土壤為均勻結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算結(jié)果才比較可靠，而當(dāng)土壤不均勻時(shí)，與實(shí)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(zhǔn)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(jì)算、分析該條線路48號(hào)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(jì)算接地電阻時(shí)應(yīng)記及塔基的影響。

3.2 接地裝置建模

該條線路48號(hào)鐵塔塔基為SZ1C6正方環(huán)形混凝土式結(jié)構(gòu)，共分3級(jí)階梯，最上層階梯尺寸0.8m×0.8m×2.0m，第2至3級(jí)階梯尺寸分別為1.4m×1.4m×0.5m，2.4m×2.4m×0.3m。塔基總高2.8m，露出地表0.2m。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(zhǎng)12.5m，寬9.5m，4條外延放射線長(zhǎng)32m。接地體的材料普遍采用φ10mm圓鋼。通過(guò)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(jiàn)圖1。

圖1 水平外延接地裝置效果示意圖

3.3 土壤參數(shù)輸入

進(jìn)一步參照初始資料，輸入該條線路48號(hào)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(jiàn)地下水。

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》，輸入不同土壤層對(duì)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200kΩ·m，輸入至軟件。

輸入完畢后，經(jīng)計(jì)算該條線路48號(hào)接地電阻為56.34Ω，大于測(cè)量值6.8Ω，接地電阻超標(biāo)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行情況，分析該條線路48號(hào)塔跳閘故障原因，可能是由接地電阻超標(biāo)導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)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，因此，土壤電阻率決定了接地電阻的大小。220kV該條線路48號(hào)塔接地電阻偏高正是因?yàn)槠渫寥老聦痈唠娮杪实幕◢弾r土層結(jié)構(gòu)造成的。對(duì)該條線路中所有鐵塔接地部分進(jìn)行建模仿真，在地裝置埋設(shè)深度為0.6m時(shí)，計(jì)算其接地電阻，花崗巖土層深度h，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 某條線路部分鐵塔高土壤電阻率接地電阻

從表2可見(jiàn)，當(dāng)1.0m≤h<2.0m時(shí)，如25號(hào)、29號(hào)、34號(hào)、39號(hào)、52號(hào)塔，其接地電阻在13.97～16.35Ω；當(dāng)0.5m

發(fā)生雷擊時(shí)，接地裝置將電流引入高電阻率的花崗巖結(jié)構(gòu)中，勢(shì)必導(dǎo)致接地電阻偏高；此外，當(dāng)土壤分層情況相同時(shí)，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?yàn)镃1s，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(zhǎng)32m，C5s接地裝置放射線長(zhǎng)18m，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。

4 接地電阻偏高原因探析及改進(jìn)方案

4.1 接地電阻偏高原因探析

4.1.1土壤電阻率偏高。

該條線路普遍存在土壤電阻率偏高的問(wèn)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(dá)約200kΩ·m，導(dǎo)致土壤整體電阻率偏高。

4.1.2桿塔老舊。

該地區(qū)220kV線路由于投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，該條線路桿塔運(yùn)行年久，經(jīng)風(fēng)吹、日曬、雨淋等原因接地體必然腐蝕，使接地體與周?chē)寥赖慕佑|電阻變大。如焊接頭處因腐蝕斷裂會(huì)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(dǎo)致桿塔的接地電阻超標(biāo)。

4.1.3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(huì)受凍土層的影響。大地導(dǎo)電基本上是靠離子導(dǎo)電，而可以離解的各類(lèi)無(wú)機(jī)鹽類(lèi)只有在有水的情況下才能離解為導(dǎo)電的離子，干燥土壤的導(dǎo)電能力非常差；另外由于上層土壤中含氧量高，對(duì)接地體的腐蝕也較快。

除此之外，輸電線路施工時(shí)的偏差，外力的破壞等原因也可造成接地電阻偏高。

4.2改進(jìn)方案

4.2.1加長(zhǎng)接地裝置放射線。

對(duì)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(wú)法起到明顯降阻效果，因此采用延長(zhǎng)放射線長(zhǎng)度的方法改進(jìn)接地裝置。設(shè)花崗巖土層表層深度為h，當(dāng)0.5m

當(dāng)延長(zhǎng)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(duì)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(hào)、41號(hào)至43號(hào)、46號(hào)至48號(hào)鐵塔，采用延長(zhǎng)放射線長(zhǎng)度的方法可以收到一定接地電阻效果，但無(wú)法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，需要輔助采用其他降阻措施。

表3 采用延長(zhǎng)放射線長(zhǎng)度方法改造線路的測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2.2加裝非金屬接地模塊。

非金屬接地模塊一般來(lái)說(shuō)擁有很強(qiáng)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(dǎo)電作用，并且它對(duì)環(huán)境無(wú)排放，無(wú)污染，接地模塊施工量較少，降阻能力強(qiáng)，屬于環(huán)保型產(chǎn)品，在國(guó)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(dǎo)電性強(qiáng)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(guò)此方法也存在一些問(wèn)題，如相比金屬體，非金屬接地模塊的造價(jià)偏高，模塊之間存在一定的相互屏蔽。

4.2.3實(shí)施爆破接地技術(shù)

爆破接地技術(shù)是通過(guò)對(duì)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(jī)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(guò)降阻劑將地下巨大范圍內(nèi)的土壤內(nèi)部溝通，加強(qiáng)接地電極與土壤、巖石的接觸，從而達(dá)到較大幅度降低接地電阻的目的。通過(guò)此法可有效解決該線所處土壤電阻率較高的問(wèn)題，但此項(xiàng)技術(shù)弊端是實(shí)施成本非常高，且對(duì)桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性存在一定影響影響，需謹(jǐn)慎選用。

4.2.4添加降阻劑

降阻劑由多種成分組成，其中含有細(xì)石墨、膨潤(rùn)土、固化劑、潤(rùn)滑劑、導(dǎo)電水泥等，一般為灰黑色，是一種良好的導(dǎo)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?chē)寥罎B透，降低周?chē)寥离娮杪?，在接地體周?chē)纬梢粋€(gè)變化平緩的低電阻區(qū)域。它具有施工方便，可解決施工場(chǎng)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(diǎn)。此外，降阻劑對(duì)接地體的腐蝕率要低。降阻劑是否具有防腐作用，要看其對(duì)接地體的平均年腐蝕率是否低于當(dāng)?shù)赝寥缹?duì)接地體的腐蝕率。如果降阻劑對(duì)鋼接地體的腐蝕率低于當(dāng)?shù)赝寥缹?duì)鋼接地體的腐蝕率，就認(rèn)為降阻劑對(duì)鋼接地體具有防腐作用，否則就認(rèn)為具有腐蝕作用。除此之外，降阻劑的經(jīng)濟(jì)型也很重要。要做綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，既要滿足性能上的要求，又要價(jià)格經(jīng)濟(jì)、合理。

4 結(jié)論

總之，220kv高壓輸電線路是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系到供用電安全和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，關(guān)系到現(xiàn)代化建設(shè)。而雷擊對(duì)于輸電線路的防運(yùn)行來(lái)講是一種嚴(yán)重的威脅，因此，我們必須做好高壓線路的防雷接地技術(shù)研究，加強(qiáng)輸電線路防雷裝置的管護(hù)，保障電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和供電的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]左建永.架空輸電線路防雷問(wèn)題的研究與改造[J].農(nóng)村電氣化.2015（06）

[2]周學(xué)濤.論220kV高壓輸電線路的防雷接地技術(shù)[].通訊世界.2014（16）

[3]謝廣壘.220kV高壓輸電線路防雷接地技術(shù)探討[J].現(xiàn)代制造.2011（27）