電氣化牽引線路桿塔故障時跨步電位差與接觸電位差分析

任華鋼，倪玉貴

(1.湖南省電力公司岳陽電業局，湖南岳陽 414000;2.湖南省電力公司常德電業局，湖南常德 415000）

電氣化牽引線路桿塔故障時跨步電位差與接觸電位差分析

任華鋼1，倪玉貴2

(1.湖南省電力公司岳陽電業局，湖南岳陽 414000;2.湖南省電力公司常德電業局，湖南常德 415000）

變電站架構或輸電線路桿塔在單相接地或相間短路接地故障時，對地電位會升高，從而可能出現危及人身安全的接觸電位與跨步電壓。本文根據110 kV新牽T汨線路4號鐵塔現場對接觸電位與跨步電位的實測和分析，提出相應對策并對其可能引起的的接地危害進行風險評估。

桿塔故障;跨步電壓;接觸電位差

隨著電網的不斷發展，系統的短路電流也在日益增強。當輸變電設備發生故障時，在其架構或桿塔附近就會出現接觸電位差與跨步電位差。在變電站間隔、設備和輸電線路走廊不斷增多的情況下，正在這些設備附近勞作、活動的相關人員 (運行、檢修員工、農民工、田地中耕作的農民等)發生人身安全事故的幾率也在逐步增加。因此，有效抑制和降低接觸電位差與跨步電壓、防范人員的觸電事故是設計、運行單元必須認真考慮的。

1 現場檢測及分析

1.1 現場檢測

110 kV新牽線是從220 kV新市變電站到京廣電氣化鐵路榮家灣牽引變的直供線，全長47 km;T汨線路是從110 kV新牽線T接到汨羅牽引變的線路，全長3 km。線路自2003年投運以來，沿線路的居民反映，在線路經過他們的房屋、樹木、田地處常常有被電擊的感覺，在雷雨天氣時更為明顯。T汨線路4號鐵塔下的居民反映尤為強烈，某些時候甚至有人畜受傷的現象。但是在同一區域的其它110～220 kV線路卻沒有這樣的反映。針對這一問題，現場采用圖1的方式實測4號鐵塔附近的接觸電位和跨步電壓，測量結果如表1，2。

按照電力行業標準〔2〕規定:跨步電壓Ek的允許值 Ek=(174+0.7ρf)，式中 ρf為人畜站立處土壤電阻率，實測為100 Ωm;t為接地短路持續時間，取 0.03 s;Ek=1 408 V。表 1中，Uk=kbUS，kb為跨步系數，等于流過該地的單相接地短路電流Id與測量電流 IS之比;測點間距0-1，…，10-11為0.8 m;結論為測量值與Ek允許值1 408 V的比較結果。

圖1 桿塔接地電位分布及跨步電位測試

表1 往民宅方向10 m所測跨步電壓

表2 往水田方向10 m所測跨步電壓

同樣，按電力行業標準〔2〕規定:接觸電位EJ的允許值Ej=(174+0.17ρf)，式中 ρf為 4 號鐵塔處土壤電阻率，實測值100 Ωm;t為接地短路持續時間，取0.03 s;Ej=1 102 V。表3中，UJ=kJUS，式中kJ為接觸系數，等于流過該地的單相接地短路電流Id與測量電流IS之比。

表3 接觸電位測量數據

1.2 檢測數據分析

(1)對表1～3進行比較發現，往民宅方向跨步電壓在單相接地短路電流4 kA時有7點不合格(距民宅5.6 m以內)，3 kA時有4點不合格 (距民宅3.2 m以內)。往水田方向的跨步電壓及接觸電位差均合格。

(2)由于牽引負荷沖擊性強、波動性大，在正常運行時向電力系統注入較大的負序電流，又由于向電力牽引負荷提供電源的電網系統是大電流接地系統即中性點接地系統，因而正常運行時還會出現零序電流。特別是在電力系統突發單相或兩相接地短路故障時，在大電流接地系統會出現超常的負序電流和零序電流分量，有可能使系統地電位升高、中性點電壓位移等異常情況發生。在正常運行加上單相、兩相接地短路故障所產生的負序電流和零序電流分量作用下，故障點 (例如T汨線路4號鐵塔附近導線有超高樹竹在某些時候發生閃絡等情況)會有地電位升高的現象，這也是在其它線路上桿塔沒有或很少出現電壓升高的現象而電氣化牽引線路卻經常發生地電位升高現象的原因。

2 電氣化牽引線路桿塔在電網故障時電位升高的防治

2.1 基本原理

一個足夠大尺寸的地下半球狀的地線網在包圍線路桿塔時，理論上能把接觸電位降低到0，而且還可消除水平接地網的邊緣效應，從而消除跨步電位，所以接地網的最佳尺寸數據選定主要取決于最大容許地電位的梯度。而半球體可以認為近似于一系列輻條相互連接而成的加大直徑和深度的環，但在現實中卻只能考慮有限數量的環。一般架構或桿塔附近電位升高而產生危及安全的接觸電位與跨步電位是通過裝設附加架空地線、連續延伸接地體、改進接地、敷設均壓物質等措施來降低的。

2.2 降低地電位措施的試驗分析

根據文獻〔3〕的試驗研究，在輸電線路桿塔基礎附近裝設特制的接地電位控制導體環 (GPC)作為桿塔的接地部分，可以降低桿塔基礎附近的接觸電位與跨步電位。按照現場情況，在110 kV新牽T汨線路4號鐵塔4個塔腿基礎處各設置1對GPC環 (由線徑10 mm的銅導體制成，外環直徑為Φ6 m、內環直徑為Φ3 m)，埋深0.8 m，4個GPC環互相焊接并與鐵塔本體連接。

裝設圓環后，鐵塔基礎附近電位分布V為〔5〕:

式中 A為鐵塔基礎圓環接地網等效面積;h為圓環埋深;d為圓環導體直徑;x為距圓環電極導體水平距離;I為入地電流;R為圓環等效接地電阻。

按式 (1)可得鐵塔基礎附近電位分布曲線如圖2。

圖2 鐵塔接地GPC環附近地面電位分布示意圖

同樣可以得到GPC環接地電極的接觸電勢Ej和接觸電勢系數kj

式中 V0為鐵塔接地點電位。

當GPC環的尺寸足夠大時 (b?0.8 m)，可得到GPC環接地電極最大跨步電勢Ekm的近似估算式:

式中 T為跨步取0.8 m，b為GPC環半徑取3 m。

取GPC環導體直徑Φ10 mm、埋深0.8 m、半徑50 m(與鐵塔原接地網相連后，等效半徑)，I取3 kA，R實測為4.2 Ω，利用式 (1)計算得到地面電位分布和跨步電位如表4:

表4 GPC環接地電極的地面電位U分布和跨步電位Ek分布系數表

利用式 (4)可以計算出該點接觸電位:

2.3 降低地電位的效果分析

(1)由表4可以看到:在距鐵塔接地點2.4 m處跨步電位最高;最大跨步電位由2 045 V下降為1 126 V，下降45%。

(2)經計算比較，接觸電位為故障時地電位的29.8%，下降幅度較大。即由1 102 V下降為330.6 V。

(3)對GPC環的要求:

①由于接觸電位與垂直接地極的位置相關，如果在GPC環地網中增加若干垂直接地極并與鐵塔的水平接地網連接，按文獻〔3〕的計算，可以將接觸電位降低90%之多。

②環的直徑要求:由表中可以看到隨著環的直徑變小鐵塔地電位和塔基電阻會變大，但當GPC環直徑過大 (比如大于18 m)則接觸電位可能會增加。因此按文獻〔3〕的經驗，環的直徑在Φ8 m～Φ9 m為佳。

③環的埋深:較淺的埋深會導致直接在環上面的跨步電位急劇上升，因此要求埋深為好，一般在0.8 ～1.2 m。

④在塔基接地電阻降不下來時應采用內外雙環效果較好。

3 塔基附近因跨步電位和接觸電位引起接地危險的風險評價

3.1 事故概率統計

按照電力行業標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》推薦的跨步電位計算式Ek=(174+0.7ρf)和接觸電位計算式 Ej= (174+0.17ρf)中的t，ρf是統計參數:t由故障排除時間的概率分布確定，ρf由土壤導電的概率分布確定。對于跨步電位和接觸電位引起接地危險的風險可按故障地電位Pa(Va)和耐受電壓Pw(Vw)的概率密度函數來求得。Va和Va～dVa之間施加電壓的概率等于Pa(Va)·dVa(見圖3)。耐受電壓小于Va的概率由密度函數Pw(Vw)在0～Va區間積分得到。因此跨步電位和接觸電位引起接地危險的事故概率Pf為

圖3 事故概率統計

Ua可以是跨步電位，也可以是接觸電位。同樣Uw可以是跨步電位，也可以是接觸電位。

3.2 總風險計算

如風險計算時間為1年，用f表示每年接地故障的平均數，則跨步電位、接觸電位的概率Pe為:

式中 系數C，D分別為人每次受到跨步電壓、接觸電壓的時間、故障持續時間 (按年統計)，k為實際觸電的次數。如求得事故概率Pf，再與求得Pe相乘即為總風險。

110 kV新牽T汨線路4號鐵塔在加裝接地電位控制導體環GPC后按上述計算式計算，事故概率Pf值為0.007 72(取人體阻抗值1000～1 500 Ω，土壤電阻率100 Ω·m)，Pe按實際可能觸電的概率計算得3.4× (10-2)3，因此在4號鐵塔可能由于跨步電壓、接觸電壓而觸電的總風險為:

0.007 72 ×3.4 × (10-2)3=2.62 ×10-8

4 結束語

4.1 電氣化牽引線路在單相接地或兩相接地短路時會在故障點附近產生較高的地電位，并將引起跨步電位和接觸電位的升高，因而會給相關人員造成觸電危險，這比一般輸電線路在同樣故障時發生的頻率要高，且跨步電位值和接觸電位值也要高許多，原因是由于電氣化牽引線路在故障時除了故障零序電流外，還有其運行中產生的零序和負序電流的共同作用。

4.2 為了降低電氣化牽引線路桿塔故障時的地電位升高，盡可能避免跨步電位和接觸電位對人體的傷害，在距民居、常年耕作的田地、人員流動量大的道路較近的線路桿塔基礎加裝接地電位控制導體環GPC可以有效地將地電位降低，并能抑制跨步電位和接觸電位的危害程度。如果結合改進接地網、敷設均壓物質等措施則效果會更好。

4.3 110 kV新牽T汨線路4號鐵塔在線路故障時跨步電位經實測超過相關規程標準，在加裝GPC導體環后，經計算和現場實測，跨步電位和接觸電位已分別降低45%和29.8%，而可能造成人身傷害的總風險也僅為2.62×10-8，即基本確保不會因線路故障給當地居民帶來危害。

4.4 隨著電氣化牽引負荷在電力用戶中所占的比重越來越大，在電網中帶來的新問題也越來越多，因而對于牽引負荷在接入系統后產生的一系列課題應該進行全面深入的研究。例如在電氣化牽引線路沒有發生單相接地或兩相接地短路情況下，由于牽引負荷的波動、沖擊、閃變、瞬時短路等正常運行方式下也有地電位升高而產生跨步電位和接觸電位的現象，還需要分析研究，以確定相應對策。

〔1〕中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 475—2006接地裝置特性參數測量導則〔S〕.北京:中國電力出版社，2006.

〔2〕中華人民共和國電力工業部.DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地〔S〕.北京:中國電力出版社，1997.

〔3〕切尼，E.A.在故障輸電鐵塔下的跨步與接觸電壓〔J〕.美國電氣工程師學會學報，1981(7).

〔4〕GB/T 17949.1—2000接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測試導則第1部分常規測量〔S〕.北京:中國標準出版社.

〔5〕解廣潤.電力系統接地技術〔M〕.北京:中國水利水電出版社，1991.

〔6〕凱迪，M.A.EI.輸電線路結構附近跨步與接觸電壓引起的接地危險風險評估〔J〕.美國電氣工程師學會學報，1983(9).

Analysis on step and touch potential difference in the breakdown of power traction transmission lines

REN Hua-gang1，NI Yu-gui2
(1.Hunan Electric Power Corporation Yueyang Electric Power Bureau，Yueyang 414000，Chnia;2.Hunan Electric Power Corporation Changde Power Bureau，Changde 415001，China)

When the breakdown of substation frame or tower in transmission lines occurs in single-phase or interphase short circuit and grounding，grounding potential will rise，then possible step and touch potential will endanger personal safety.According to the measure and analysis of step and touch potential of 4thiron tower for 110 kV Xinqian transmission line，corresponding countermeasure is presented and probable grouding risk is appraised in the paper.

tower breakdown;step potential difference;touch potential difference

TM75

B

1008-0198(2011)03-0025-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.008

2010-10-12

任華鋼(1963— )，男，漢族，工程師，本科，主要從事電力系統輸電和配網方面的技術工作。