韶关市关山供电工程有限公司 广东韶关 512000
摘要：220kV高压输电线路的防雷是输电线路安全工作中的重要环节，提高防雷接地技术水平对于增强220kV高压输电线路的安全性能具有重要意义。基于此，本文结合某条220Kv输电线路雷击事故案例，对该线路铁塔装置建模仿真计算，探析了铁塔接地电阻偏高的原因，并提出了有建设性的防雷接地改进方案，希望能够为输电单位提供借鉴和参考。
关键词：220kV输电线路；防雷接地；改进方案
输电线路的稳定运行是经济建设与社会生活的必要前提，不仅直接影响用户的可靠供电，而且关系着整个电网的稳定性。随着社会和电力的联系越来越紧密，人们对供电可靠性的要求也越来越高。这就要求我们针对运行环境、防雷措施以及运行管理，构筑完善的综合防雷接地保护方案，以提高高压输电线路运行的安全稳定性。
1 线路概况
某输电线路为220kV高压输电线路，始建于2005年2月，自JZ220kV变电站至TD220kV变电站线路全长19.03km，全线共有57基铁塔（其中单回路铁塔3基、双回路铁塔为54基），线路所处地形为丘陵占80％，平原占20％。全线导线型号为LGJ－240/40×2、避雷线型号为双根GJ－50，除3号、4号、副4号导线为三角排列外，其他地段导线均为垂直排列。
2 线路铁塔接地现状分析
220kV某线处于多雷地带，2005年投运至今发生多次雷害跳闸。2012年5月11日04：22，220kV该线三相断路器跳闸，重合良好，故障相别为C相，双套距离Ⅰ段保护动作，闭锁式高频保护动作，双套保护测距显示距TD220kV变电站分别为3.43km、3.59km，故障点距TD220kV变电站3km处。5月11日07：43，送电工区接到调度命令后，立即组织人员进行线路全线巡视登检。10：36在220kV该线（右侧）48号塔中线（C相）发现故障点。经登塔检查，发现220kV该线（右侧）48号直线塔（SZ1－30）中线（C相）导线端均压环外侧及横担端均压环外侧有放电烧伤痕迹，该塔距TD220kV变电站3.257km。该塔塔型为SZ1－30，呼称高30.0m，此处地形为丘陵，接地电阻为6.8Ω，土壤电阻率140Ω·m，避雷线保护角为12°41′。2010年5月10日及11日经该市气象部门实况观测，该地区出现了雷暴天气。结合故障现象，经分析，此次故障原因为雷害。
220kV该线48号塔地处该市化工区边缘，属多雷地带，2005年投运至2007年共遭受雷害4次。鉴于上述情况，2007年10月，分别在220kV该线34号、35号、37号、38号、39号、41号安装YH10CX－180/520K（D）型避雷器18支/6组。避雷器安装后，效果依然不明显，因此，2014年对220kV线路铁塔装置建模仿真计算，分析铁塔接地电阻偏高的原因，提出改进方案。
3 接地电阻分析计算
关于杆塔的接地电阻，DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》第6.1.4条规定：有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线的工频接地电阻Ｒ，在雷季干燥时，不宜超过表1所列数值。如果土壤电阻率ρ超过2000Ω·m，接地电阻很难降低到30Ω时，可采用6～8根总长不超过500m的放射形接地体，或采用连续伸长接地体，接地电阻不受限制。
表1 有避雷线的线路杆塔的工频接地电阻.png)
3.1 三极法的测量原理
该条线路采用ZC－8型电阻仪测量其土壤电阻率。三极法的测量原理是测量埋入地中的标准接地极的接地电阻，然后利用接地电阻的计算公式反推出土壤电阻率。三极法测量时需要多次测量接地电阻值，每次测量时，被试电极的埋地深度需加深一给定量，其目的是迫使更多的实验电流通过深层土壤，所测得电阻值将反映深度增加时电阻率ρa的变化。
ρa＝2πlR/〔（ln（8l/d）－1〕（1）
式中：l为垂直接地电极打入地中的长度；d为垂直接地电极的直径，d<<l。
然而，采用三极法测量得到的土壤电阻率与接地极的形状及尺寸、埋设情况等因素有关，与采用不同类型和几何尺寸的接地极得到的视在电阻率有一定的差别，会带来一定误差。此外，在查阅初始资料时发现，该条线路48号塔接地土壤存在明显土壤分层情况，而200kV该条线路在采用三级法测量杆塔接地电阻时，虽多次测量求取平均值，但仅限于大地表层，每次测量时，被试电极的埋地深度并未加深，没有反映土壤深度增加时电阻率的变化。
传统的接地电阻计算采用不同的经验公式，得到的结果只是一个粗略的估计，只有当土壤为均匀结构时计算结果才比较可靠，而当土壤不均匀时，与实际值相差很大。本研究选用CDEGS软件中的MALZ模块，绘制杆塔接地装置，准确输入杆塔相关参数、接地土壤分层情况等相关数据后计算、分析该条线路48号塔的接地电阻。考虑到钢筋混凝土塔基也有一定的降阻作用，在计算接地电阻时应记及塔基的影响。
3.2 接地装置建模
该条线路48号铁塔塔基为SZ1C6正方环形混凝土式结构，共分3级阶梯，最上层阶梯尺寸0.8m×0.8m×2.0m，第2至3级阶梯尺寸分别为1.4m×1.4m×0.5m，2.4m×2.4m×0.3m。塔基总高2.8m，露出地表0.2m。水平外延接地装置选用矩形环水平外延接地装置，埋深0.6m，其中矩形环长12.5m，宽9.5m，4条外延放射线长32m。接地体的材料普遍采用φ10mm圆钢。通过CDEGS软件中的SESCAD绘图工具将接地装置参数尺寸、所用材料等输入至软件，组合塔基，效果图见图1。
图1 水平外延接地装置效果示意图.png)
3.3 土壤参数输入
进一步参照初始资料，输入该条线路48号塔土壤分层情况，地貌呈缓坡，地层深度0～0.5m为植土，0.5～12.0m为花岗岩，未见地下水。
参照国家标准DL/T621—1997《交流电气装置的接地》，输入不同土壤层对应的土壤电阻率，其中植土层土壤电阻率为50Ω·m，花岗岩层为200kΩ·m，输入至软件。
输入完毕后，经计算该条线路48号接地电阻为56.34Ω，大于测量值6.8Ω，接地电阻超标。根据仿真实验结果及实际运行情况，分析该条线路48号塔跳闸故障原因，可能是由接地电阻超标导致的。
接地电阻主要由接地装置的电阻，接地装置与土壤的接触电阻，电流流入土壤后形成的散流电阻三部分组成。其中，散流电阻的数值远远大于接地装置自身的电阻与接触电阻，而散流电阻的高低是由土壤电阻率的大小决定的，因此，土壤电阻率决定了接地电阻的大小。220kV该条线路48号塔接地电阻偏高正是因为其土壤下层高电阻率的花岗岩土层结构造成的。对该条线路中所有铁塔接地部分进行建模仿真，在地装置埋设深度为0.6m时，计算其接地电阻，花岗岩土层深度h，计算结果见表2。.png)
表2 某条线路部分铁塔高土壤电阻率接地电阻
从表2可见，当1.0m≤h＜2.0m时，如25号、29号、34号、39号、52号塔，其接地电阻在13.97～16.35Ω；当0.5m＜h＜1.0m时，如38号、40号、44号、51号铁塔，接地装置埋设位置接近高电阻率土层，其接地电阻数值范围在20.56～26.30Ω；当h≤0.5m时，接地装置埋设在高电阻率的花岗岩土层中，如28号、41号、42号、46号、48号铁塔，其接地电阻在52.93～56.41Ω的范围内。
发生雷击时，接地装置将电流引入高电阻率的花岗岩结构中，势必导致接地电阻偏高；此外，当土壤分层情况相同时，采用C10s作为接地装置的铁塔接地电阻普遍小于采用C5s接地装置的铁塔，采用C5s接地装置的铁塔接地电阻小于采用C1s接地装置的铁塔，主要是因为C1s，C5s与C10s接地装置均采用12.5m×9.5m水平环形放射式接地，唯一不同的是C10s接地装置放射线长32m，C5s接地装置放射线长18m，而C1s接地装置未设置放射线。接地装置的放射线可以增加泄流通道，有效增大同土壤的接触面积，在一定程度上减小接地电阻。
4 接地电阻偏高原因探析及改进方案
4.1 接地电阻偏高原因探析
4.1.1土壤电阻率偏高。
该条线路普遍存在土壤电阻率偏高的问题，部分输电铁塔接地土壤浅表层为高土壤电阻率的碎石状花岗岩结构，其电阻率高达约200kΩ·m，导致土壤整体电阻率偏高。
4.1.2杆塔老旧。
该地区220kV线路由于投运时间较长，该条线路杆塔运行年久，经风吹、日晒、雨淋等原因接地体必然腐蚀，使接地体与周围土壤的接触电阻变大。如焊接头处因腐蚀断裂会造成一部分接地体脱离接地装置，杆塔接地引下线和接地极腐蚀均可导致杆塔的接地电阻超标。
4.1.3土壤干燥。
在北方地区，上层土壤容易干燥，受气候的影响也大，在北方冬季还会受冻土层的影响。大地导电基本上是靠离子导电，而可以离解的各类无机盐类只有在有水的情况下才能离解为导电的离子，干燥土壤的导电能力非常差；另外由于上层土壤中含氧量高，对接地体的腐蚀也较快。
除此之外，输电线路施工时的偏差，外力的破坏等原因也可造成接地电阻偏高。
4.2改进方案
4.2.1加长接地装置放射线。
对于上层土壤电阻率低，下层电阻率高的输电铁塔，采用竖井式或深埋式接地装置无法起到明显降阻效果，因此采用延长放射线长度的方法改进接地装置。设花岗岩土层表层深度为ｈ，当0.5m＜h＜1.0m时，如38号、40号、44号、51号铁塔，接地装置埋设位置接近花岗岩土层，采用延长放射线长度的方法可以收到一定接地电阻效果。分别延长放射线至100m，对接地装置进行改造，测试数据见表3。.png)
当延长放射线至100m，其接地电阻在13.97～14.56Ω，小于30Ω，接地电阻数值满足要求。对于h≤0.5m的铁塔，接地装置埋设于高土壤电阻率的花岗岩结构中，如28号、41号至43号、46号至48号铁塔，采用延长放射线长度的方法可以收到一定接地电阻效果，但无法满足国家标准要求，需要辅助采用其他降阻措施。
表3 采用延长放射线长度方法改造线路的测试数据
4.2.2加装非金属接地模块。
非金属接地模块一般来说拥有很强的保湿性和吸湿性，从而能充分发挥接地体中电解质的导电作用，并且它对环境无排放，无污染，接地模块施工量较少，降阻能力强，属于环保型产品，在国内的一些线路和变电站的接地工程中已有使用；另一方面，非金属接地模块由电解物质和导电性强于金属材料的非金属材料组成，同等尺寸下，非金属接地模块比金属材料在土壤层和接地体间具有更大的的接触面积，等效降低了土壤和接地体之间的接触电阻；此外，模块中的与地线相连的金属极芯也可以更快的速度将电流泄放到大地。不过此方法也存在一些问题，如相比金属体，非金属接地模块的造价偏高，模块之间存在一定的相互屏蔽。
4.2.3实施爆破接地技术
爆破接地技术是通过对地钻孔，在孔中布置接地电极，然后沿孔每隔一定的距离安放一定量的炸药爆破，将岩石爆裂、爆松，再用压力机将调成浆状的物理降阻剂压入深孔及爆破制裂产生的缝隙中，通过降阻剂将地下巨大范围内的土壤内部沟通，加强接地电极与土壤、岩石的接触，从而达到较大幅度降低接地电阻的目的。通过此法可有效解决该线所处土壤电阻率较高的问题，但此项技术弊端是实施成本非常高，且对杆塔基础稳定性存在一定影响影响，需谨慎选用。
4.2.4添加降阻剂
降阻剂由多种成分组成，其中含有细石墨、膨润土、固化剂、润滑剂、导电水泥等，一般为灰黑色，是一种良好的导电体。将其使用于接地体和土壤之间，一方面能够与金属接地体紧密接触，形成足够大的电流流通面；另一方面能向周围土壤渗透，降低周围土壤电阻率，在接地体周围形成一个变化平缓的低电阻区域。它具有施工方便，可解决施工场地受局限的困难，可大量节省金属材料，较少受气候的影响等优点。此外，降阻剂对接地体的腐蚀率要低。降阻剂是否具有防腐作用，要看其对接地体的平均年腐蚀率是否低于当地土壤对接地体的腐蚀率。如果降阻剂对钢接地体的腐蚀率低于当地土壤对钢接地体的腐蚀率，就认为降阻剂对钢接地体具有防腐作用，否则就认为具有腐蚀作用。除此之外，降阻剂的经济型也很重要。要做综合的技术经济分析，既要满足性能上的要求，又要价格经济、合理。
4 结论
总之，220kv高压输电线路是电网系统的重要组成部分，直接关系到供用电安全和人民生命财产的安全，关系到现代化建设。而雷击对于输电线路的防运行来讲是一种严重的威胁，因此，我们必须做好高压线路的防雷接地技术研究，加强输电线路防雷装置的管护，保障电网运行的稳定性和供电的可靠性。
参考文献：
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[2]周学涛.论220kV高压输电线路的防雷接地技术[].通讯世界.2014（16）
[3]谢广垒.220kV高压输电线路防雷接地技术探讨[J].现代制造.2011（27）
论文作者:潘旭
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/14
标签：电阻论文; 土壤论文; 线路论文; 电阻率论文; 装置论文; 铁塔论文; 放射线论文; 《基层建设》2015年29期论文;