考虑接地电阻特性影响的差异性杆塔接地设计

李臻奇，蔡 翔，易 浩，李政洋

(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410004；2.国家电网岳阳供电公司，湖南 岳阳 414000)

考虑接地电阻特性影响的差异性杆塔接地设计

李臻奇1，蔡 翔2，易 浩2，李政洋1

(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410004；2.国家电网岳阳供电公司，湖南 岳阳 414000)

目前架空输电线路杆塔接地体的设计，只考虑了可靠性与统一的高标准要求，忽略了经济性，且没有对输电线路雷击特性进行研究。基于此，提出考虑雷击电流及电压影响差异性的杆塔接地设计。首先，分析杆塔接地电阻过高的原因及其产生的影响；然后，仿真测试雷击输电线路，发现各级杆塔雷电流以及雷电过电压幅值逐步递减；最后，根据该特性，实现了对输电线路杆塔接地电阻差异性设计。该设计能够保障电网可靠运行，提高了电力设计的经济性。

杆塔接地；接地电阻；雷击特性；差异性接地设计

中国输配电线路主要以架空线路为主，架空输电线路在架设时由于考虑到电力的经济性，通常需要翻山越岭，基本上是遇山跨山、遇水跨水，架设杆塔很大部分处于山谷或者河流处[1-2]。同时，架空输电线路跨度较大，因此很容易遭受雷击事故。一旦发生雷击事故，无论是低压线路的水泥杆塔还是中高压的铁塔，其接地电阻值的大小直接关系到雷电流的泄流效果。如果接地电阻值的大小不能满足要求，必须对其进行接地优化，以便减少因为雷击而造成事故的发生。但是目前电力施工单位在杆塔接地电阻设计时具有一定的盲目性，盲目地追求国标最高标准。不会对杆塔之间进行区分设计，必然导致一定的人力物力的浪费(只考虑电力设计的可靠性原则而忽略设计的经济性原则)。因此，有必要对杆塔接地设计的现状进行研究，得出一种既满足防雷要求同时又节约人力和物力的新方法。

1 杆塔接地电阻偏高原因分析

土壤电阻率一直是影响杆塔接地电阻值大小的重要因素，土壤电阻率的变化范围很大，在接地工程中电阻率从小到十几欧米，大到上万欧米[3]。杆塔土壤电阻率的大小与杆塔工频接地电阻之间的关系为

式中Rgl为工频接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；L为水平接地体的长度，m；h为水平接地体的埋设深度，m；d1为水平接地体的直径，m；A为屏蔽系数；B为形状系数。水平接地体系数如表1所示。

1.1 土壤电阻率影响因素

自身土壤电阻率高主要是因为自然环境土壤的组成的原因，土壤电阻率的大小很大程度上由组成土壤的成分、含水量、温度以及土壤的致密程度(压强)决定。在砂混合的黏土中，当其中的水分从水到冰变化时，电阻率在0°时会出现一个突然的上升，当温度再降低时，土壤电阻率将出现明显的增大。相反，从0°上升时电阻率将平稳下降。砂质土壤和黏土相比，砂层中单个空隙较大，但是总的空隙数不如黏土的多，而且黏土的透水性能较差，水不易流动，因而沉积较多的盐水化合物，因此黏土的土壤电阻率较低。而对于气压，当土壤的含水量、温度一定，气压增大10倍时，电阻率会降低到原来的65%。例如，北方的冻土土壤电阻率的变化范围为500 ～15 000 Ω·m。同时，土壤电阻率的大小还与其土壤中的含水量相关，在南方10 m深以上的砂质板岩的土壤电阻率高达4 000 Ω·m，10 m以下的由于其土壤中受到地下水的浸入，则逐渐降低到900 Ω·m[4-6]。

表1 水平接地体系数

1.2 地理区域的限制

某些特殊区域由于自然环境恶劣，土壤电阻率较高，导致接地电阻值增大。例如在山西的黄土土质区，由于常年缺水，土壤保水性能较差，导致土壤导电性能差，土壤电阻率高。对于东北的冻土土质，由于土壤温度较低，且在接地体进行铺设时不易深挖，不能深埋接地体，致使土壤电阻率较高。而对于南方某些山区地带，多为岩石，少土壤。且多为雷电多发区域，很难进行接地优化。

1.3 缺少定期的维护

对于大部分杆塔的接地来说主要采用2种形式的接地：通过自然接地体接地和通过人工接地体接地。自然接地体主要是指铁塔的杆塔通过铁塔自身进行接地，人工接地体是指通过架设接地引下线再人工铺设接地体进行接地。对于2种形式的接地，由于长时间的雨水(带酸性)冲刷以及日光照射，导致其地表以上的铁塔或者是人工接地体的发生腐蚀，而对于地表以下铺设的接地体，在某些特殊区域，由于难以铺设导致铺设深度不够，同时，由于土壤中含有部分盐分，随着酸性雨水的侵入形成电离回路，加速腐蚀的发生。而对地表以上的腐蚀由于杆塔处于山区顶端，巡线检查的周期比较长，发生腐蚀后很难发现。对于地表以下的部分由于处于地下，只有深挖才能发现其是否发生腐蚀，一般的采用三级法测接地电阻只能发现整个接地系统的问题，很难发现接地体的局部腐蚀情况。

2 接地电阻过大的影响

按照电力行业标准DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、DL/T 61—1997《交流电气装置的接地》，根据不同土壤电阻的大小、架空线路，杆塔的接地电阻要求有所不同。例如，当有避雷线的架空线路(110 kV级以上等级输电线路以及部分特殊低中压线路)时，接地电阻的要求具体如表2所示[3，7-8]。

表2 有避雷线的杆塔接地电阻

2.1 反击事故概率增大

对于输电线路来说，接地电阻过大最直接的影响是杆塔塔顶电位。杆塔接地模型如图1所示，为了便于描述，以水泥杆塔简化铁塔或者其他形式的塔基，而同时简化其他双回或者多回线路为单相线路，以简单地描述替代复杂，分析杆塔顶端电位的组成。

图1中杆塔的接地电阻由两部分组成：①杆塔的接地引下线(对于自然接地体可以看成引下线或者接地体装置)，由于引下线一般都采用电缆或者钢绞线，所以该部分等效看成电感；②杆塔的接地体装置，该部分主要采用扁钢或者圆钢等材料通过串并联连接成接地体，因此，可以看成一个等效电阻[6，9-12]。假设杆塔的顶端电位为Ud，引下线等效为电感L(电感L的大小要根据实际情况进行测量计算，与引下线的长度和材料有关)，同时接地体的接地电阻为R(接地体的接地电阻值大小主要是根据人工三级法进行测量，得到相应的阻值)。因此，整个杆塔的顶端电位由两部分组成：

(2)

式中i为雷电冲击电流的幅值。可以得到：杆塔的顶端电位不仅与引下线的参数有关，同时还与接地体的接地电阻值相关。

图1 杆塔接地模型

2.2 雷击热效应以及机械效应

2.2.1 雷击热效应

在遭受雷击时，如果雷电流不能迅速地通过接地装置泄放到大地，在流经被击物体时产生很高的温升，将造成金属物体的融化以及非金属的烧毁。雷电流流经金属物内时，产生的热量可以采用在雷电流作用时间下t的积分来计算：

(3)

式中Wj为金属物上产生的热量，J;Uar为金属物上的电弧压降，其经验值取20～30 V;i为流过金属物的雷电流，kA。

而对于非金属物体，由于雷电流流进非金属后，将寻找低阻抗路径泄放大地。因此在这个过程产生的热量可以估算为

(4)

式中Wf为非金属物上产生的热量,J;R为非金属物内流过的视在电阻，Ω；i为流过金属物的雷电流，kA。

由于雷电流的作用时间很短，在计算雷电流对金属或者非金属所造成的温升时，可以忽略散热的影响，计算温升：

式中 ΔT为温升，℃；W为雷电流产生的热量，J；m为雷电流流经物体的质量，kg；c为物体材料的比热容，J/(kg·℃)。

2.2.2 雷电的机械效应

雷电流流经被击物体，根据电磁场理论，在被击物体周围将产生相应的磁场，而处在该磁场中的其他载流导体(正常运行的输电线路)将会受到电磁力的作用。由安培定律可知，两平行导体之间单位长度的电动力(电磁力)为

(5)

式中F为单位长度导体所受的电动力(电磁力)，N/m；i1，i2均为两导体上的电流，A；d为2根平行导体之间的距离，m。

3 雷击线路特性研究

根据电力实际经验，在对杆塔的接地体进行设计时都是按照电力规程(表2)，而对于某些特殊地区要求更高，接地电阻值更小。电力设计者在设计杆塔接地电阻值时往往都是按照最高标准防雷，确保累计跳闸率，因此,在实施时都会花费很大一部分经济在降低接地体的接地电阻值上，尤其是在某些黄土、干旱以及岩石处土壤电阻率特别高的地方要想把接地电阻值降低下来将要花费很大的人力和财力。有时候为了降低接地电阻率，不得不进行深挖和远距离铺设辅助接地体，这不仅增加电力施工人员劳动强度，同时也造成了电力设备的浪费。

根据雷电流的泄露特性，一旦发生雷击事故，在雷击点的雷电流将通过就近杆塔的接地引线以及杆塔接地体泄入大地。但是由于雷电泄放存在一定的时间以及会产生一定的残压，因此，残余的雷电流将沿着输电线路进一步向相邻的杆塔进行传播。为了研究这个相邻杆塔的雷电流传播特性，采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP建立相应的仿真模型，对雷电流在杆塔之间的传递特性进行研究。仿真电路如图2所示。

图2是利用电磁暂态软件ATP搭建的电路仿真模型，模拟雷击输电线路，并对其模拟检测六级杆塔的雷电流、雷电压特性。分别对模型中杆塔进行相应的编排(1—6号)。由于该文主要是对雷电流在各级杆塔之间传播特性的研究，因此，模型中采用的雷电发生器为2.6/50μs，雷电流的幅值为3 kA[13]。首先对接地体1号(雷击点)进行雷电流检测，检测结果如图3所示。

从图3可知，在雷击输电线路时，最近的第1级杆塔接地体上流经的雷电流幅值达到2 800 A，接近雷电流发生器的发出电流，可知在第1级的杆塔入地电流非常大。雷电流在入地泄流时由于接地电阻以及其他接地体周边环境的影响，导致雷电流不能及时的通过最近的杆塔进行泄流，因此,分别对其他5级杆塔入地电流进行检测，为了更能明显地区分，把显示的时间缩短为0.05 ms，检测结果如图4所示。

图2 仿真电路

图3 雷击点接地电流波形

图4 逐级杆塔入地电流波形

图4是雷电流从雷击点向邻近杆塔进行传播特性，由图可知，在雷电流传递的过程中雷电流幅值是逐步递减的，传播到相邻的第1级杆塔时雷电流的幅值为2 800 A，传播到第2级杆塔时雷电流幅值降低度很大，幅值为312 A左右，相对于第1级入地电流幅值降低很大。第3,4,5,6级杆塔的入地电流分别为175，112，46，0 A。从图4各杆塔入地电流特性可知，雷电发生时绝大部分雷电流都是通过最近的杆塔进行泄流，同时，还有一部分雷电流通过输电线路传输到相邻的杆塔，总体雷电流呈现递减趋势，传递到第6级时基本上为零。

按照电力经验，雷击事故的发生绝大部分体现的是雷击过电压，因此，对各级杆塔过电压进行检测，首先对于第1级杆塔雷电过电压进行检测，检测的结果如图5所示。

从图5可知，在第1级杆塔线路过电压幅值达到580 kV，这个幅值大小是3 kA雷电流直击线路产生的过电压幅值。根据雷电流散流特性，由于接地体及环境的原因导致第1级杆塔后将产生一定的剩余电压，该剩余电压将通过输电线路流经到第2级及后级杆塔。因此，对后无极杆塔过电压进行研究和分析，第2至第6级杆塔线路过电压波形如图6所示。

图5 雷击点过电压波形

图6 逐级过电压波形

从图6中可以看出,各级杆塔的过电压幅值依次为160，61,46,40，9 kV。各级杆塔输电线路的雷电过电压的幅值类似于雷电流，逐级在杆塔输电线路中降低。在第6级杆塔线路中雷电过电压幅值达到9 kV，而雷电流的幅值为零，这是因为在电流检测时由于检测的单位都是kA级，而第6级杆塔的入地电流相对于kA级很低，导致在对第6级杆塔入地电流检测时检测电流为零。而对于雷电过电压，其来源主要是上一级杆塔(第5级)线路在入地泄流后的残压，因而比较高。

以上仿真研究分析采用的是3 kA雷电流发生器，根据工程实践经验，雷击事故发生时雷电流幅值主要变化范围为3～300 kA 。工程实践雷击雷电流的幅值比仿真实验的雷电发生器的电流大很多，主要表现的特性(杆塔的雷击入地电流特性以及杆塔输电线路雷电过电压特性)趋势相似，只是在杆塔入地电流的幅值和杆塔输电线路过电压幅值相对于仿真实验的值大很多。

4 差异性杆塔接地设计

针对仿真雷击输电线路实验结果，提出差异性杆塔接地设计。差异性杆塔接地设计就是在设计杆塔接地时考虑雷击电流及电压特性，针对杆塔进行不同的接地电阻设计。根据欧姆定律，过电压幅值的耐受值一定，当电流的幅值降低时，电阻值要求可以相应的放宽(电阻值可以变大)。根据仿真结果，第1级仿真电流很大，随着杆塔级数的增大，入地电流值变小。对于接地电阻的要求可放宽，只要满足最后的过电压幅值不超过线路的最大耐受值。

设计步骤如下：

1)首先对该地区的雷电活动进行相关数据的收集，同时对该输电线路雷击事故记录进行研究，以得到我们仿真模拟电路中的第一级杆塔。并且在研究的过程中针对雷电历史数据得到仿真雷电流的大小，对实际雷电流的大小进行仿真分析，得到相应的每一级入地雷电流以及相应的线路雷电过电压。

2)按照电力系统杆塔接地规程，按照规程设计出第1级杆塔的接地要求，根据仿真实验的结果特性，分别按照递减特性设计后续杆塔的接地电阻的要求，并通过三级法对接地电阻进行实地测量每一级杆塔的实际自然接地电阻值。

3)对实际接地电阻值与仿真分析计算得到的每一级杆塔的接地电阻要求值进行对比，对于满足仿真分析特性要求的杆塔接地不需要再对其进行降阻(达到第1级杆塔的要求)，对于其中不能满足仿真分析要求的，再对其采用人工降阻措施，例如辅助接地网的铺设、垂直接地体的铺设、增设伞状散流装置等等[14-16]。

5 结语

通过对雷击输电线路时雷电流在杆塔接地体中的特性研究，得出结论：

1)人工铺设、运行时间以及自然环境的因素，与输电线路杆塔的接地电阻值大小密切相关，是导致雷击时发生事故的重要原因，工程中运行工作人员应当对此类参数关注。

2)雷电流在沿输电线路传递过程中，随着杆塔级数的增大，入地电流与输电线路过电压呈现逐渐降低特性。

3)针对雷电流在杆塔接地中的特性，提出差异性杆塔接地设计，该设计不仅能够同样满足雷电的防护要求，同时还对那些接地要求的杆塔进行降低要求设计(部分杆塔不需要再进行深度的铺设以及远距离铺设辅助接地体)，降低了设计施工者的劳动量以及节约了成本。对于电力系统运行的要求原则来说，在确保可靠性的前提下增强了电力运行的经济性。

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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，硕士研究生，主要从事高电压绝缘技术研究；E-mail：675652965@qq.com

TM862; TM74

A

1673-9140(2016)04-0168-07