输电线路杆塔接地状态在线监测技术探索

王麟超，邱海波

（国网山东省电力公司超高压公司，山东 烟台 264000）

0 引 言

近年来，随着经济的持续发展和技术的不断创新，社会对电力需求持续增长。为满足安全生产和高质量发展的需求，确保输电线路的平稳、高效及安全已成为电网运营的核心任务。接地保护作为确保输电线路稳定运行的有效措施，已成为实现高可靠性的关键保障。然而，受科技发展水平、地形地貌条件、线路材料以及自然环境等因素的限制，接地设施在施工过程中可能存在天然缺陷，如接地距离过大、易受雷电破坏和设施腐蚀等问题。影响输电线路杆塔接地电阻的状态，从而引发供电隐患[1]。输电线路杆塔接地电阻数值越小，输电线路杆塔抗雷击性能越好，由雷击引发的线路跳闸故障率也就越低[2]。如何实时监测输电线路杆塔接地状态，对及时掌握输电线路杆塔状态、发现并处理潜在故障，确保电网的安全稳定运行意义重大。然而，目前接地电阻测量大多以人工测量为主，存在测量实效性低、复杂地貌及恶劣天气测量困难、难以及时监测发现故障点等问题。因此，文章提出了一种可实时测量接地电阻、自动发现故障点的输电线路杆塔接地状态在线监测方法。

1 输电线路杆塔接地状态在线监测方法

1.1 在线监测原理

输电线路杆塔接地发生异常时，流向接地设施的短路电流会形成接地电位，接地电位UD的计算方式为

式中：Imax表示异常位置的最大短路电流；Iz表示发生异常的部位未通过接地设施直接回流到电源的电流；Mn表示分流系数；R表示当前的接地电阻。

通过式（1）发现，异常部位的电流经接地设施沿着杆塔传输至大地的过程中，接地电位由于接地电阻的存在而升高[3]。同时，接地电位的大小受入地短路电流影响。入地短路电流ID的计算公式为

式中：Ef表示异常延时参数；Ig表示额定对称入地故障电流。Ig本质是接地网同地面间存在的电流，计算公式为

式中：Kmax表示入地故障电流的最大范围；If表示分流参数。

在异常延时参数一定的情况下，入地短路电流与Ig成正比，如果Ig的数值过高，杆塔接地电位也会过高[4]。此外，杆塔存在不同类别的接地电极，其中接地体有一定的屏蔽功能，即使接地体参数一样，其电阻值也会因为接地设施建设形态的差异有所区别。因此，需要修正接地体的电阻值，实施归一化处理，相关计算公式为

式中：ρ表示土壤电阻率；L表示接地设施的长度；h表示示接地装置埋深；d表示接地装置直径；A表示形状系数。

通过式（4）发现，接地设施的不同形态也会影响电阻。为降低接地电阻值，输电线路杆塔需要根据地形地貌、地理特征等选择符合恰当的接地设施[5]。

设当前的导线杆塔的状态是一个正六边形，其边长为a。为便于计算，假设其横截面的大小可以转化成直径为1.28a的圆，那么这个杆塔电流密度矢量ε计算量公式为

式中：dI表示电流的微小变化量；dt表示微小时间间隔；dS表示微小面积；dq表示在dt时间段内通过某dS的电荷量的变化量。

假定的矢量方向同横截面S垂直，则空间中点电荷dq在随机点电位表示为

式中：r表示点电荷dq至随机点的距离；β表示介电常数。

当接地装置为2rL的圆柱体时，设电极存在于电介质内，该装置电流密度表示为

在塔杆设施里，接地电阻大小与接地设施所处的埋深也有关联，因此在计算电阻时要把地表影响融合进去。文章利用镜像法，将接地设施在土壤表面的镜像假定成环境里电阻率为ρ的电流源，如图1 所示。

图1 塔杆接地设施镜像

埋深后的接地电阻Rm的计算公式为

输电线路塔杆的接地部位一般是4 个，所以在计算总体电阻Rz时，需要将其作为整体，计算其并联作用后的数额，计算公式为

式中：λ表示屏蔽参数；RA、RB、RC及RD分别表示杆塔4 个接地部位的电阻值。

1.2 故障监测方法

输电线路杆塔接地出现异常的排查机理如下：在线监测装置里提前预设电流阈值，如果监测到的杆塔工频接地电流超过阈值，那么认定其出现异常，监测设施会给予异常提醒。但是具体操作过程中，如果只依据阈值判断是否出现异常，存在明显的局限性。操作失误或误检等原因都可能导致监测结果不准确，因此实际应用中需考虑杆塔电流方向。异常接地电路如图2 所示，当输电线路杆塔工频接地电流出现故障时，大部分电流被导入杆塔周边预设的避雷设施，剩余电流被导入发生异常的杆塔。

图2 异常接地电路说明

出现图2 所示的异常情况时，表明电路短路，按照差动理论，通过相关的传感器能够确定发生异常的节点。异常报警装置的原理如图3 所示。

图3 异常报警装置原理

避雷线电流值大小受杆塔两侧电流参数影响，相关传感器的输出信号协同成幅值一致的波形。如果没有异常情况，那么杆塔两侧电流方向相反、大小相同，异常报警装置的指示器收到的信号约等于0，不会触发报警。如果发生异常，那么异常杆塔两侧的电平方向出现变化，杆塔两侧电流变为方向相同、大小相同，所以电流是原来的2 倍，增大的信号导致报警器发出故障警报。

2 实证分析

为检测文章提出的方式的有效性，将文章提出的方法与三极相位法、钳表法进行比较。选取山东电力某超高压输电线路10 个500 kV 输电线路杆塔开展测试。相关杆塔编码及资料如表1 所示。

表1 实验杆塔资料

分别利用文章提出的方法、三极相位法、钳表法3 种方法测量表1 中的10 个500 kV 输电线路塔杆4 个接地部位的电阻数值，结果如表2 所示。文章提出的方法与三级相位法、钳表法测量结果误差值结果如表3 所示。

表2 3 种方法电阻测量值 单位：Ω

表3 不同方法测量的电阻误差情况 单位：Ω

分析表3 误差值可以发现，文章提出的监测输电线路杆塔接地电阻误差均低于0.5 Ω，而三级相位法、钳表法监测误差值均大于0.5 Ω，钳表法测试误差值最高甚至超过5 Ω。因此，相较于其他两种方法，文章提出的测试的方式误差小、精准度高，在实际应用中具备较好的效果。

3 结 论

文章基于目前室外输电线路塔杆接地测试方面存在的难点、不足，结合日常使用需求和安全高效的要求，提出一种输电线路杆塔接地状态在线监测并对异常情况进行报警的方法。该方法能够精准监测接地电阻状态，定位发生异常的位置，并能够及时通过异常报警装置给与警示。通过实证分析和对比实验，证明文章提出的在线监测方法精准度高、误差小。依托文章提出的方发可以较好的实现即时性测量，帮助工作人员及时发现由于意外雷击、覆冰、倒塔等情况使输电线路出现损坏的情况，保障线路安全高效运行。