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摘要：接地装置的主要作用为释放雷电流和释放故障电流。接地改造首要目的是满足各高危风险杆塔接地电阻达到原设计接地电阻值的目的。本文对输电线路的接地装置改造进行了计算与分析，以供大家参考。
关键词：输电线路；接地装置；改造分析
110kV甘白线海拔高程范围为3000～5000m。沿线地形以高原山地为主，沿线地质以较松散的碎石土为主。通过地区年平均雷电日为65天，属中雷区。本次接地改造的N111原设计接地装置型式为乙-1，最大允许工频接地电阻值为15Ω，N112原设计接地装置型式为丁，最大允许工频接地电阻值为20Ω。经现场实际测量，N111现场实测的工频接地电阻值为40Ω，N112现场实测的工频接地电阻值为50Ω。
一、接地装置的作用及使用要求
（一）接地装置的主要作用
当雷电击中输电线路导线或杆塔时，雷电流沿避雷线向两侧及杆塔快速流入大地释放，由于接地装置的阻抗和杆塔的电感原因，雷电流在极短时间内无法全部泄入大地，剩余的雷电荷积聚在杆塔周围，使得杆塔电位大大升高，当塔顶电位与导线之间的电位差超过该杆塔上绝缘子串的冲击放电压时，则雷电压沿绝缘子串对导线闪络放电而跳闸。因此杆塔接地装置的电阻大小决定着线路受到雷击的跳闸率。接地装置是由接地体和接地引下线所组成。接地体通常是指埋入地中并直接与大地接触的金属导体，其作用是能迅速将雷电流在大地中扩散泄导，以保护运行线路不受影响。
（二）雷电的形成及参数
1、雷电的形成
当地面的温度较高，地面的水分化为水蒸气，向上升起到高空，遇到冷空气，凝成水滴，这一过程继续发展下去，最后形成浓黑的乌云。在乌云的形成过程中，由于水滴破坏效应、吸收电荷效应和水滴结冰效应，使乌云中带有大量的电荷，从而形成带电的雷云，雷云对大地有静电感应作用，所感应出电荷为异性，两者之间形成很强的电场。雷云放电分为三个阶段，第一个阶段为先导放电，当超过30kV/cm时，空气开始游离放电。空气就由原来的绝缘状态变为导电性的通道，雷云中的电荷就沿着这个通道向下运动形成先导放电，先导放电是分级跳跃进行的，每级发展到约50m的长度就有30-90μs的间隙。第二个阶段为主放电，当先导放电的头部与大地上感应电荷的集中点间的距离很小时，先导放电的头部与大地间的电场强度达到极高数值，空气急剧游离，游离后产生的正、负电荷分别向上下运动，去中和先导通道及被击点的电荷，持续时间很短，约50-100μs。第三个阶段为余辉放电，主放电结束后，雷云中残余电荷还会沿着主放电通道进入大地，持续时间较长，约0.03s-0.15s，余辉放电阶段的电流约数百安。
2、雷电参数
雷电流的能量频谱显著高于工频电流，泄流瞬间的电位差主要决定于电流变化率产生的感抗。防雷装置地上高度hx处的电位：
U＝UR＋UL＝I×Ri+L0×hx×di/dt。
式中：①UR－雷电流流过防雷装置时接地装置上的电阻电压降（kV）；
②UL－雷电流流过防雷装置时引下线上的电感电压降（kV）；
③Ri-接地装置的冲击接地电阻（Ω）；
④di/dt-雷电流陡度（kA/μs）；
⑤I--雷电流幅值（kA）；
⑥L0－引下线的单位长度电感（μH／m）。
雷电流时间尺度为微秒级，相对而言电阻电压降很小。据计算8/20μs、1.5/40μs、10/700μs波型的90%峰值电流积累值分别出现在24KHz、87 KHz、和11 KHz附近。其频率为工频电流的1000倍左右。感抗变得十分重要。过长的地线对雷电流的泄放作用很小，因而主要用于雷电流泄流的地网其长度应满足防雷接地体的有效长度Le≤2的要求以及GB/T50065《交流电气装置的接地设计规范》5.1.5的要求。确保线路在发生故障短路时能向接地网快速泄放短路电流，保证非故障线路和设备的安全。
（三）接地改造的基本要求
第一，接地装置的泄流耗散能力，主要以接地电阻为指标，其次是接地体与土壤之间的接触电阻，接地体对土壤的散流电阻显得最为重要， 接地体及连接器本身的电阻对接地系统的影响是最弱的。根据GB/T50065《交流电气装置的接地设计规范》，对不同土壤电阻率条件下的杆塔分别提出了12Ω、15Ω、20Ω、27Ω、30Ω的接地电阻要求。
第二，接地装置的结构要求，改造增加的杆塔接地系统与杆塔基础不少于两点相连，与原有接地系统组合成一个联合接地系统，以保证稳定可靠的雷电流故障电流泄流通道，满足杆塔的工作接地、保护接地及防雷接地的要求。
第三，接地装置的寿命要求，采用耐腐蚀、与土壤有良好接触、施工方便的接地材料，改造新增接地系统满足寿命不小于20年。
第四，接地装置的稳定性，采用降阻效果好、耐腐蚀、与土壤有良好接触、施工方便、导电稳定性不易受高低温、干湿度和环境介质影响的新型接地装置，以保障接地系统接地电阻值的稳定。
第五，安全性要求：接触电压、跨步电压满足规范要求，保障工程沿线安全。
二、接地改造的方案分析
（一）较高土壤电阻率环境条件下可通过扩大地网面积或水平接地体长度以及增加普通垂直接地体深度和数量来达到降低接地电阻的目的。
（二）着力于对单个接地系统的功能改善，调动一切可能的降阻措施，获得最小的单个接地系统接地电阻。
（三）在满足使用年限的前提下采用经济合理的材料和地网结构进行降阻。
（四）充分利用杆塔基础及原有接地系统，改造新增接地系统与原有接地系统可靠连接，以达到工程最大的经济合理性。
三、接地改造的材料选择
由于杆塔所在区域为山坡上或山顶，土壤电阻率高，所以接地改造时考虑施工简便降阻效果好的接地材料进行改造。
（一）石墨基柔性接地体接地特征
近年来广泛采用石墨基柔性接地体作为接地装置材料，石墨基柔性复合接地体是采用柔化工艺将具有良好导电性和耐腐性的石墨进行柔化改性，使其电气性能、理化性能、力学性能满足防雷接地技术及工程施工要求，彻底解决输电线路杆塔接地设施腐蚀及接地电阻不稳定问题。改造时主要采取浅埋多根放射线的水平接地方式，并在塔基四周设置一个环形接地框，用于降低冲击接地电阻。其中每个塔腿的引下线采用Φ28防破坏石墨基柔性接地体，环形接地框和外延射线采用Φ20石墨基柔性接地体，外延射线分别从每脚引出，成散射状向四周延伸，遇到开挖困难的地方可以适当改变射线外延方向。其主要技术特征表现为以下7个方面。
1、良好的耐腐性，适应我国土壤类型
构成石墨基柔性复合接地体的所有成分均具有良好的耐腐性，能经受滨海地区的氯化物盐土，新疆、甘肃、宁夏、内蒙的硫酸盐盐土，东北、山西的苏打盐土，广西、贵州和云南等的喀斯特土壤等各类土壤的腐蚀，能经受降阻剂、抗冻剂、绿化化肥及杀虫剂的腐蚀，扩大了降阻技术的应用面，寿命不低于30年。
2、与土壤具有良好的粘结性，与土壤的接触电阻低值稳定
石墨基柔性复合接地体截面大，表面粗糙构成细孔，能和土壤紧密咬合粘接，可随土壤一起蠕变而不脱离产生空气界面，在土壤季节性干裂、融水沉降、冰冻、冻土融化产生蠕变的情况下，接地体与土壤的接触电阻始终保持稳定的低值。
3、大电流冲击下良好的动热稳定性，温升低避免土壤烧结
石墨基柔性复合接地体采用大截面电流分散技术降低发热功率密度，采用比热容大的材料提高吸热能力，采用土壤水分渗透技术限制温升，在大电流雷电和短路情况下接地体性能稳定，同时避免高温引起接地体接触面土壤的烧结。
4、采用非磁性材料大大延长有效接地长度，成为大地网降阻的广泛选择
石墨基柔性复合接地体为非导磁材料，在工频及雷击高频冲击下其有效散流长度远远大于钢材类接地体，可使大地网工频接地电阻成倍下降，是大型电厂、变电站地网降阻的广泛选择。
5、具有良好的工程性，运输、开挖、回填等变得简单易行
石墨基柔性复合接地体比重为金属类接地体的1/10，轻便易运输；可蛇形开挖，避开岩石、树木，开挖量少，不破坏绿化；可泥浆回填，回填紧致；接地体压接互联，无需焊接，无需电源焊机等现场要求。
6、石墨基柔性复合接地体取代金属类接地材料，良好的技术经济性
石墨基柔性接地体较普通扁钢和圆钢的单次投资额大30%左右，在恶劣土壤条件下投资额相当。就全寿命周期来说，普通扁钢和圆钢需每隔3-5年进行改造，而石墨基柔性接地体一次投入，长期稳定，免去安规要求的定期检测接地电阻，避免接地改造的重复性投入，节约人力物力，全寿命周期成本最低。
7、无回收价值，可避免偷盗
石墨基柔性复合接地体取代金属类接地材料，减排减霾，实现良好的社会效益。每消耗一吨钢材（相当于平均1个杆塔的接地用量）等同于消耗240kg标准煤及3.5吨新水，同时排放600kg左右的 CO2、30kg 左右的SO2和NOX及160kg左右的炭灰，而铜则更是宝贵的有色金属资源。这些材料一旦埋入地下就难以回收再利用，所以传统的金属性接地工程既高能耗也高排放。其主材石墨原料在我国储量极其丰富，生产加工过程能耗低，不排放任何污染物。
（二）输电线路杆塔专用接地装置
要求较高的输电线路铁塔可增设HEV输电线路杆塔专用接地装置，利用HEV输电线路杆塔专用接地装置的渗透及吸水保湿特性以扩大接地体等效直径，从而降低接地体与土壤之间的接触电阻。改造增加的水平接地体敷设在杆塔基础周围形成环形接地网，并向外射线敷设，根据实际情况可多条射线敷设，HEV输电线路杆塔专用接地装置水平敷设于改造新增水平接地体水平垂直方向，并与水平接地体可靠连接，HEV输电线路杆塔专用接地装置相互之间的距离应不小于5m。HEV输电线路杆塔专用接地装置是由防腐蚀处理的金属电极单元、复合回填料、土壤预处理剂等组成。其主要技术特征表现为以下7个方面。
1、施工运输方便
采用柔性连接，便于搬运；安装方式为水平安装，开挖量少，减小施工量。
2、安装不需要水
特别适用于野外、山顶等缺水杆塔施工现场。
3、降阻高效
采用导电膜降阻结构，在有限区域达到最佳降阻效果，HEV接地装置降阻效率是常规接地装置效率的8～10倍。
4、接触电阻稳定
土壤预处理剂与复合回填料配合使用，由于亲水物质因素，能迅速渗透到土壤间隙中，形成致密导电膜并将土壤表面处理成泄流通道并能锁住水分，有效改善周围土壤电性能，保证季节变化对HEV-接地装置接地电阻影响较小。
5、安全性高
本设计装置有泄流环和接地极联合结构，大大增强电位扩散均布能力，能降低70%以上的地电位，保障地面人员安全。
6、耐蚀性强
采用低电位复合材料，抗腐蚀性好，且对邻近区域钢制构建物无电偶腐蚀影响。
四、土壤电阻率的分析计算
（一）土壤类别与土壤电阻率
决定接地电阻的主要因素是土壤电阻，影响土壤电阻的主要因素有土壤性质、含水量、温度、化学成分、物理性质等。
九、接地改造的计算结论
土壤电阻率的计算结果，N111计算得出的土壤电阻率为3779Ω·m，N112计算得出的土壤电阻率为5201Ω·m。
采取延长水平射线的接地改造方式，计算出N111放射线加长到最大长度(100米)后的工频接地电阻为28.4Ω，计算出N112放射线加长到最大长度(100米)后的工频接地电阻为35Ω。
采取增设离子接地棒(集中接地装置)的接地改造方式，计算出增设8套离子接棒后N111的工频接地电阻值为30Ω。计算出增设12套离子接棒后N112的工频接地电阻值为24Ω。
采取增设接地网（石墨基柔性接地体）的接地改造方式，计算出增设石墨基柔性接地体120m后N111的工频接地电阻值为26.4Ω，计算出增设石墨基柔性接地体120m后N112的工频接地电阻值为36.3Ω，计算出增设石墨基柔性接地体150m后N111的工频接地电阻值为21.7Ω，计算出增设石墨基柔性接地体150m后N112的工频接地电阻值为30Ω。
结语：
通过以上计算分析，N11接地改造的最佳方案是增设12套离子接棒，N12接地改造的最佳方案是增设石墨基柔性接地体150m。
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论文作者:杨强,杨与平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/19
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