洪水沖刷地區(qū)桿塔接地電阻對輸電線路耐雷水平的影響研究

， ，

(1. 新疆電力設(shè)計院, 烏魯木齊 830002；2. 中原工學院, 鄭州 450007；3. 鄭州電力高等?？茖W校, 鄭州 450004)

新疆輸電線路多位于山前沖洪積平原區(qū)域，這種區(qū)域河流沖溝縱橫，且河床切割較淺，每逢春季山上積雪融化以及夏季山區(qū)下暴雨時，部分地區(qū)便成了漫灘，對輸電線路桿塔接地裝置造成了不同程度的沖刷[1].圖1為新疆某110 kV輸電線路桿塔接地裝置被季節(jié)性洪水沖刷的現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場實測可知，受洪水沖刷的桿塔，其接地電阻減小.目前輸電線路設(shè)計中，路徑選擇多考慮當?shù)匾?guī)劃和線路廊道擁擠的情況，未充分考慮輸電線路微地形地貌對輸電線路的影響.本文分析了風車型接地裝置接地電阻的計算模型和輸電線路耐雷水平的計算模型，并通過計算得出了桿塔接地電阻與輸電線路耐雷水平的關(guān)系，對洪水沖刷地區(qū)接地裝置的設(shè)計及運行維護具有一定的參考價值.

圖1 接地裝置中水平接地體被沖刷的情況

1 風車型接地裝置的接地電阻計算方法

風車型接地裝置是常用的一種傳統(tǒng)輸電線路桿塔接地接地型式[2]，如圖2所示.接地裝置由接地引下線和水平接地體組成，引下線與鐵塔的連接處采用熱鍍鋅扁鐵材料，接地引下線采用圓鋼材料，所有桿塔均逐基逐腿接地.水平接地體采用方環(huán)加放射線型式，材料采用圓鋼，水平接地體埋設(shè)深度根據(jù)地形地貌的不同而不同.

圖2 風車型接地裝置沖刷情況示意圖

本文采用風車型接地裝置接地電阻的計算方法進行計算分析[2].

(1)

式中：ρ為土壤電阻率(Ω·m)；l為水平接地體的總長度(m)；d為水平接地體的直徑(m)；t為水平接地體的埋設(shè)深度(m)；D為單根接地體正方形部分邊長(m)；lb為單根接地體射線部分長度(m).

2 輸電線路耐雷水平計算方法

當線路中有避雷線(又稱地線)時，雷擊線路的情況有2種：雷繞過避雷線而擊于桿塔 (塔頂)和雷擊避雷線檔距中央.由經(jīng)驗可知，雷擊避雷線的檔距中央且避雷線與導線發(fā)生閃絡(luò)引起跳閘的情況極少發(fā)生，可不予考慮[3]，本文只分析雷擊桿塔(塔頂)時線路的耐雷水平.

雷擊塔頂前，雷電通道的負電荷在桿塔及架空地線上感應(yīng)正電荷；當雷擊塔頂時，雷電通道中的負電荷與桿塔及架空地線上的正電荷迅速中和形成雷電流，雷電流分布如圖3(a)所示.由圖3(a)可知，在雷擊瞬間，自雷擊點(即塔頂)有1個負雷電流波i沿桿塔向下運動，另有2個相同的負電流波ib/2分別自塔頂沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運動，與此同時，自塔頂有1個正雷電波igt沿雷電通道向上運動，此正雷電流波的數(shù)值與3個負電流波之和相等，線路絕緣上的過電壓即由這幾個電流波引起[4].對于一般高度的桿塔，在工程上常用集中參數(shù)等值電路進行分析計算，等值電路如圖3(b)所示.

圖3 雷擊塔頂時雷電流的分布及等值電路圖

圖3中：Lgt為桿塔的等值電感；Rch為被擊桿塔的沖擊接地電阻；Lb為桿塔兩側(cè)一個檔距內(nèi)避雷線電感并聯(lián)值；i為雷電流.

不同類型桿塔的等值電感Lgt可由表1查出.單根避雷線的等值電感Lb約為0.67l(l為檔距長度(m))，雙根避雷線Lb約為0.42l.

表1 不同類型桿塔的電感

2.1 橫擔高度處桿塔電位幅值Ugh

考慮到雷擊點的阻抗較低，故在計算中可略去雷電通道波阻的影響[4].由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔的電流igt小于雷電流i，即igt=βi，則塔頂電位Ugt為：

(2)

式中：β為分流系數(shù).

桿塔橫擔高度處的電位為：

(3)

式中：hh為桿塔橫擔對地高度(桿塔呼高)，單位為m；hg為桿塔對地高度(桿塔全高)，單位為m.

(4)

2.2 導線上的電位幅值Ud

對于220 kV及以下的線路，工頻電壓對線路耐雷水平影響不大，計算時可以忽略[5].雷擊塔頂時導線上的電位包括2個分量[4]：①塔頂電位為Ugt時由避雷線與導線的耦合作用產(chǎn)生的耦合分量Uep=kUgt，其中k為電暈影響后的耦合系數(shù)，此電壓與雷電流同極性；②雷電放電先導通道產(chǎn)生的電磁場通過場線耦合至導線上的感應(yīng)過電壓分量Ugy，此電壓與雷電流異極性.則導線上的電位幅值Ud為

(5)

式中：k為電暈后兩導線之間耦合系數(shù)；α為雷擊桿塔時感應(yīng)過電壓系數(shù)；hd為導線平均高度(單位為m)；k0為導線與避雷線間的幾何耦合系數(shù)；hb為避雷線平均高度(單位為m).

2.3 絕緣子串上的電壓幅值Uj

線路絕緣子串上電壓為桿塔橫擔高度處電位和導線電位之差，故線路絕緣子串上的電壓幅值為

(6)

2.4 耐雷水平I

當電壓Uj未超過線路絕緣水平U50%時，導線與桿塔之間不會發(fā)生閃絡(luò)，由此可得出雷擊桿塔時線路的耐雷水平I為

(7)

3 桿塔接地電阻對輸電線路耐雷水平影響的實例計算分析

3.1 計算參數(shù)

新疆某接地裝置受洪水沖刷的輸電線路(110 kV)導線為LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線，避雷線采用GJ-50型鋼絞線，導線懸垂絕緣子串長度為1.7 m，地線懸垂絕緣子串長度為0.3 m，絕緣子50%電壓為550 kV，桿塔呼高為24 m，土壤電阻率為800 Ω·m，單根接地體正方形部分邊長為8 m, 水平接地體直徑為0.12 m，水平接地體的埋設(shè)深度為0.6 m.

3.2 單根接地體射線部分長度對接地電阻的影響

根據(jù)公式(1)計算得到的接地電阻如表2所示，單根接地體射線部分長度與接地電阻的關(guān)系如圖4所示.

表2 單根接地體射線部分長度和接地電阻

圖4 單根接地體射線部分長度與接地電阻的關(guān)系

由表2和圖4可知：隨著單根接地體射線部分長度的增加，桿塔接地電阻則逐漸減小.

3.3 桿塔接地電阻對輸電線路耐雷水平的影響

根據(jù)公式(7)計算得到的耐雷水平如表3所示，接地電阻與耐雷水平的關(guān)系如圖5所示.

由表3和圖5可知,隨著桿塔接地電阻的增大，輸電線路耐雷水平則逐漸降低.

綜合分析可知，隨著單根接地體射線部分長度的減小，輸電線路耐雷水平則逐漸降低.

表3 接地電阻和耐雷水平

圖5 接地電阻與耐雷水平的關(guān)系

4 沖刷地區(qū)輸電線路桿塔接地裝置的防護措施

4.1 工程設(shè)計階段

地質(zhì)勘探需根據(jù)水文、氣象條件以及現(xiàn)場勘察提供合理的沖刷深度.根據(jù)此沖刷深度、余度以及工程投資對線路專業(yè)采取以下設(shè)計方案：

(1)采用傳統(tǒng)接地型式，增加水平接地體的埋設(shè)深度.該方案避免了山洪對接地體的沖刷，可減小接地電阻，提高輸電線路的耐雷水平.

(2)采用深埋式復合接地型式.將圓鋼焊接成4個2.5 m×2.5 m的正方形，并將這4個正方形焊接在一起形成接地體.基礎(chǔ)施工完成后，將接地體置于基礎(chǔ)底臺上面，接地體尺寸可根據(jù)基礎(chǔ)大小適當調(diào)整.這樣既增加了接地體的埋設(shè)深度又可以減少接地體敷設(shè)的土石開挖量.

(3)采用水平加垂直接地體的接地型式.垂直接地體敷設(shè)深度較深，不易被洪水沖刷.

4.2 運行維護階段

春季是積雪集中融化的季節(jié)，而夏季又是雷雨頻發(fā)的季節(jié)，這兩個季節(jié)易出現(xiàn)山洪暴發(fā)，輸電線路接地裝置易遭洪水沖刷而裸露在外.所以在這兩個季節(jié)要加大對輸電線路接地裝置的巡查力度，發(fā)現(xiàn)問題要及時處理，處理完畢后要對接地電阻進行測試，直至達到設(shè)計要求為止[6-7].

5 結(jié) 語

當洪水沖刷接地裝置，使水平接地體的單根接地體射線部分長度減小時，會造成整條輸電線路的耐雷水平降低，可從設(shè)計階段及運行維護階段采取措施減少洪水沖刷接地裝置的發(fā)生，提高輸電線路的耐雷水平.

參考文獻:

[1] 焦玉紅，陳虎.淺論輸電線桿塔沖刷深度的確定[J]. 新疆電力，2005，24(5): 33-34.

[2] 國家電力公司東北電力設(shè)計院.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(第二版)[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3] 邵俊楠，王燕，李軼. 風速對500 kV輸電線路繞擊性能的影響分析[J].中原工學院學報，2010，21(3)：72-75.

[4] 屠志健，張一塵.電氣絕緣與過電壓(第二版)[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5] 邵俊楠，王燕，黃廣龍.工頻電壓對輸電線路耐雷水平的影響分析[J].中原工學院學報，2012，23(3)：62-65.

[6] 韓富春，劉亞新，賈雷亮，等.老舊架空輸電線路運行狀態(tài)評估標準的研究[J].山西電力，2005，21(6)：23-24.

[7] 張云都，蒲曉羽. 輸電線路接地網(wǎng)存在的問題及改造措施[J].電力建設(shè)，2005，26(3)：34-35.