220kV輸電線路防雷接地問題及改進方案

潘旭

韶關市關山供電工程有限公司 廣東韶關 512000

摘要：220kV高壓輸電線路的防雷是輸電線路安全工作中的重要環(huán)節(jié)，提高防雷接地技術水平對于增強220kV高壓輸電線路的安全性能具有重要意義?；诖?，本文結合某條220Kv輸電線路雷擊事故案例，對該線路鐵塔裝置建模仿真計算，探析了鐵塔接地電阻偏高的原因，并提出了有建設性的防雷接地改進方案，希望能夠為輸電單位提供借鑒和參考。

關鍵詞：220kV輸電線路；防雷接地；改進方案

輸電線路的穩(wěn)定運行是經濟建設與社會生活的必要前提，不僅直接影響用戶的可靠供電，而且關系著整個電網的穩(wěn)定性。隨著社會和電力的聯系越來越緊密，人們對供電可靠性的要求也越來越高。這就要求我們針對運行環(huán)境、防雷措施以及運行管理，構筑完善的綜合防雷接地保護方案，以提高高壓輸電線路運行的安全穩(wěn)定性。

1 線路概況

某輸電線路為220kV高壓輸電線路，始建于2005年2月，自JZ220kV變電站至TD220kV變電站線路全長19.03km，全線共有57基鐵塔（其中單回路鐵塔3基、雙回路鐵塔為54基），線路所處地形為丘陵占80%，平原占20%。全線導線型號為LGJ-240/40×2、避雷線型號為雙根GJ-50，除3號、4號、副4號導線為三角排列外，其他地段導線均為垂直排列。

2 線路鐵塔接地現狀分析

220kV某線處于多雷地帶，2005年投運至今發(fā)生多次雷害跳閘。2012年5月11日04：22，220kV該線三相斷路器跳閘，重合良好，故障相別為C相，雙套距離Ⅰ段保護動作，閉鎖式高頻保護動作，雙套保護測距顯示距TD220kV變電站分別為3.43km、3.59km，故障點距TD220kV變電站3km處。5月11日07：43，送電工區(qū)接到調度命令后，立即組織人員進行線路全線巡視登檢。10：36在220kV該線（右側）48號塔中線（C相）發(fā)現故障點。經登塔檢查，發(fā)現220kV該線（右側）48號直線塔（SZ1-30）中線（C相）導線端均壓環(huán)外側及橫擔端均壓環(huán)外側有放電燒傷痕跡，該塔距TD220kV變電站3.257km。該塔塔型為SZ1-30，呼稱高30.0m，此處地形為丘陵，接地電阻為6.8Ω，土壤電阻率140Ω·m，避雷線保護角為12°41′。2010年5月10日及11日經該市氣象部門實況觀測，該地區(qū)出現了雷暴天氣。結合故障現象，經分析，此次故障原因為雷害。

220kV該線48號塔地處該市化工區(qū)邊緣，屬多雷地帶，2005年投運至2007年共遭受雷害4次。鑒于上述情況，2007年10月，分別在220kV該線34號、35號、37號、38號、39號、41號安裝YH10CX-180/520K（D）型避雷器18支/6組。避雷器安裝后，效果依然不明顯，因此，2014年對220kV線路鐵塔裝置建模仿真計算，分析鐵塔接地電阻偏高的原因，提出改進方案。

3 接地電阻分析計算

關于桿塔的接地電阻，DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第6.1.4條規(guī)定：有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻R，在雷季干燥時，不宜超過表1所列數值。如果土壤電阻率ρ超過2000Ω·m，接地電阻很難降低到30Ω時，可采用6～8根總長不超過500m的放射形接地體，或采用連續(xù)伸長接地體，接地電阻不受限制。

表1 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

3.1 三極法的測量原理

該條線路采用ZC-8型電阻儀測量其土壤電阻率。三極法的測量原理是測量埋入地中的標準接地極的接地電阻，然后利用接地電阻的計算公式反推出土壤電阻率。三極法測量時需要多次測量接地電阻值，每次測量時，被試電極的埋地深度需加深一給定量，其目的是迫使更多的實驗電流通過深層土壤，所測得電阻值將反映深度增加時電阻率ρa的變化。

ρa=2πl(wèi)R/〔（ln（8l/d）-1〕（1）

式中：l為垂直接地電極打入地中的長度；d為垂直接地電極的直徑，d<

然而，采用三極法測量得到的土壤電阻率與接地極的形狀及尺寸、埋設情況等因素有關，與采用不同類型和幾何尺寸的接地極得到的視在電阻率有一定的差別，會帶來一定誤差。此外，在查閱初始資料時發(fā)現，該條線路48號塔接地土壤存在明顯土壤分層情況，而200kV該條線路在采用三級法測量桿塔接地電阻時，雖多次測量求取平均值，但僅限于大地表層，每次測量時，被試電極的埋地深度并未加深，沒有反映土壤深度增加時電阻率的變化。

傳統的接地電阻計算采用不同的經驗公式，得到的結果只是一個粗略的估計，只有當土壤為均勻結構時計算結果才比較可靠，而當土壤不均勻時，與實際值相差很大。本研究選用CDEGS軟件中的MALZ模塊，繪制桿塔接地裝置，準確輸入桿塔相關參數、接地土壤分層情況等相關數據后計算、分析該條線路48號塔的接地電阻。考慮到鋼筋混凝土塔基也有一定的降阻作用，在計算接地電阻時應記及塔基的影響。

3.2 接地裝置建模

該條線路48號鐵塔塔基為SZ1C6正方環(huán)形混凝土式結構，共分3級階梯，最上層階梯尺寸0.8m×0.8m×2.0m，第2至3級階梯尺寸分別為1.4m×1.4m×0.5m，2.4m×2.4m×0.3m。塔基總高2.8m，露出地表0.2m。水平外延接地裝置選用矩形環(huán)水平外延接地裝置，埋深0.6m，其中矩形環(huán)長12.5m，寬9.5m，4條外延放射線長32m。接地體的材料普遍采用φ10mm圓鋼。通過CDEGS軟件中的SESCAD繪圖工具將接地裝置參數尺寸、所用材料等輸入至軟件，組合塔基，效果圖見圖1。

圖1 水平外延接地裝置效果示意圖

3.3 土壤參數輸入

進一步參照初始資料，輸入該條線路48號塔土壤分層情況，地貌呈緩坡，地層深度0～0.5m為植土，0.5～12.0m為花崗巖，未見地下水。

參照國家標準DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》，輸入不同土壤層對應的土壤電阻率，其中植土層土壤電阻率為50Ω·m，花崗巖層為200kΩ·m，輸入至軟件。

輸入完畢后，經計算該條線路48號接地電阻為56.34Ω，大于測量值6.8Ω，接地電阻超標。根據仿真實驗結果及實際運行情況，分析該條線路48號塔跳閘故障原因，可能是由接地電阻超標導致的。

接地電阻主要由接地裝置的電阻，接地裝置與土壤的接觸電阻，電流流入土壤后形成的散流電阻三部分組成。其中，散流電阻的數值遠遠大于接地裝置自身的電阻與接觸電阻，而散流電阻的高低是由土壤電阻率的大小決定的，因此，土壤電阻率決定了接地電阻的大小。220kV該條線路48號塔接地電阻偏高正是因為其土壤下層高電阻率的花崗巖土層結構造成的。對該條線路中所有鐵塔接地部分進行建模仿真，在地裝置埋設深度為0.6m時，計算其接地電阻，花崗巖土層深度h，計算結果見表2。

表2 某條線路部分鐵塔高土壤電阻率接地電阻

從表2可見，當1.0m≤h<2.0m時，如25號、29號、34號、39號、52號塔，其接地電阻在13.97～16.35Ω；當0.5m

發(fā)生雷擊時，接地裝置將電流引入高電阻率的花崗巖結構中，勢必導致接地電阻偏高；此外，當土壤分層情況相同時，采用C10s作為接地裝置的鐵塔接地電阻普遍小于采用C5s接地裝置的鐵塔，采用C5s接地裝置的鐵塔接地電阻小于采用C1s接地裝置的鐵塔，主要是因為C1s，C5s與C10s接地裝置均采用12.5m×9.5m水平環(huán)形放射式接地，唯一不同的是C10s接地裝置放射線長32m，C5s接地裝置放射線長18m，而C1s接地裝置未設置放射線。接地裝置的放射線可以增加泄流通道，有效增大同土壤的接觸面積，在一定程度上減小接地電阻。

4 接地電阻偏高原因探析及改進方案

4.1 接地電阻偏高原因探析

4.1.1土壤電阻率偏高。

該條線路普遍存在土壤電阻率偏高的問題，部分輸電鐵塔接地土壤淺表層為高土壤電阻率的碎石狀花崗巖結構，其電阻率高達約200kΩ·m，導致土壤整體電阻率偏高。

4.1.2桿塔老舊。

該地區(qū)220kV線路由于投運時間較長，該條線路桿塔運行年久，經風吹、日曬、雨淋等原因接地體必然腐蝕，使接地體與周圍土壤的接觸電阻變大。如焊接頭處因腐蝕斷裂會造成一部分接地體脫離接地裝置，桿塔接地引下線和接地極腐蝕均可導致桿塔的接地電阻超標。

4.1.3土壤干燥。

在北方地區(qū)，上層土壤容易干燥，受氣候的影響也大，在北方冬季還會受凍土層的影響。大地導電基本上是靠離子導電，而可以離解的各類無機鹽類只有在有水的情況下才能離解為導電的離子，干燥土壤的導電能力非常差；另外由于上層土壤中含氧量高，對接地體的腐蝕也較快。

除此之外，輸電線路施工時的偏差，外力的破壞等原因也可造成接地電阻偏高。

4.2改進方案

4.2.1加長接地裝置放射線。

對于上層土壤電阻率低，下層電阻率高的輸電鐵塔，采用豎井式或深埋式接地裝置無法起到明顯降阻效果，因此采用延長放射線長度的方法改進接地裝置。設花崗巖土層表層深度為h，當0.5m

當延長放射線至100m，其接地電阻在13.97～14.56Ω，小于30Ω，接地電阻數值滿足要求。對于h≤0.5m的鐵塔，接地裝置埋設于高土壤電阻率的花崗巖結構中，如28號、41號至43號、46號至48號鐵塔，采用延長放射線長度的方法可以收到一定接地電阻效果，但無法滿足國家標準要求，需要輔助采用其他降阻措施。

表3 采用延長放射線長度方法改造線路的測試數據

4.2.2加裝非金屬接地模塊。

非金屬接地模塊一般來說擁有很強的保濕性和吸濕性，從而能充分發(fā)揮接地體中電解質的導電作用，并且它對環(huán)境無排放，無污染，接地模塊施工量較少，降阻能力強，屬于環(huán)保型產品，在國內的一些線路和變電站的接地工程中已有使用；另一方面，非金屬接地模塊由電解物質和導電性強于金屬材料的非金屬材料組成，同等尺寸下，非金屬接地模塊比金屬材料在土壤層和接地體間具有更大的的接觸面積，等效降低了土壤和接地體之間的接觸電阻；此外，模塊中的與地線相連的金屬極芯也可以更快的速度將電流泄放到大地。不過此方法也存在一些問題，如相比金屬體，非金屬接地模塊的造價偏高，模塊之間存在一定的相互屏蔽。

4.2.3實施爆破接地技術

爆破接地技術是通過對地鉆孔，在孔中布置接地電極，然后沿孔每隔一定的距離安放一定量的炸藥爆破，將巖石爆裂、爆松，再用壓力機將調成漿狀的物理降阻劑壓入深孔及爆破制裂產生的縫隙中，通過降阻劑將地下巨大范圍內的土壤內部溝通，加強接地電極與土壤、巖石的接觸，從而達到較大幅度降低接地電阻的目的。通過此法可有效解決該線所處土壤電阻率較高的問題，但此項技術弊端是實施成本非常高，且對桿塔基礎穩(wěn)定性存在一定影響影響，需謹慎選用。

4.2.4添加降阻劑

降阻劑由多種成分組成，其中含有細石墨、膨潤土、固化劑、潤滑劑、導電水泥等，一般為灰黑色，是一種良好的導電體。將其使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，形成足夠大的電流流通面；另一方面能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個變化平緩的低電阻區(qū)域。它具有施工方便，可解決施工場地受局限的困難，可大量節(jié)省金屬材料，較少受氣候的影響等優(yōu)點。此外，降阻劑對接地體的腐蝕率要低。降阻劑是否具有防腐作用，要看其對接地體的平均年腐蝕率是否低于當地土壤對接地體的腐蝕率。如果降阻劑對鋼接地體的腐蝕率低于當地土壤對鋼接地體的腐蝕率，就認為降阻劑對鋼接地體具有防腐作用，否則就認為具有腐蝕作用。除此之外，降阻劑的經濟型也很重要。要做綜合的技術經濟分析，既要滿足性能上的要求，又要價格經濟、合理。

4 結論

總之，220kv高壓輸電線路是電網系統的重要組成部分，直接關系到供用電安全和人民生命財產的安全，關系到現代化建設。而雷擊對于輸電線路的防運行來講是一種嚴重的威脅，因此，我們必須做好高壓線路的防雷接地技術研究，加強輸電線路防雷裝置的管護，保障電網運行的穩(wěn)定性和供電的可靠性。

參考文獻：

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