輸電線路桿塔接地設計

蘇秀蘭 凌 歡 何俊豪 張興志 馬 強

(成都桑萊特科技股份有限公司，成都 610045)

根據電網故障分類統計表明，在我國跳閘率較高地區的高壓線路運行總跳閘次數中因雷擊引起的事故次數占 40%～70%。同時對雷擊輸電線路桿塔進行分析，降低桿塔接地裝置的接地電阻，無疑是降低輸電線路故障的一個有效途徑[1]。遵循這一思路，在設計輸電線路桿塔地網時，主要指標為接地電阻。根據桿塔所處的不同土壤電阻率，選取不同的接地電阻值。但是土壤會隨溫度、濕度、含離子量等不同變化，接地電阻并不穩定，有時會出現超標現象，最終造成雷擊事故的發生。現以四川省甘孜州九龍縣某220kV線路12基桿塔接地網的改造為案例，提出一種降低桿塔地網接地電阻、地電位和接觸電壓的方法，為輸電線路桿塔接地設計提供參考。

1 工程概況

本線路位于四川省甘孜州九龍縣，起于某水電站，止于九龍500kV變電站，同塔雙回路架設，線路全長 9.473km。同時該線路還承擔了其他兩水電站的電力送出任務，線路重要性高。全線海拔高程在1988～2688m之間；為高山大嶺和峽谷地形；沿線工程地質主要為半堅硬、堅硬巖類和松散巖類工程地質區；線路區域內年平均雷暴日為70天。線路于2006年開始設計，導線型號為LGJ-500/45，架設雙底線，其中一根地線為OPGW光纜復合地線，另一根分區段分別采用 LBGJ-100-30AC及 GJ-80地線。線路于2008年中旬建成投運，在2009年7月30日以及9月28日兩次出現雷擊跳閘。根據對線路地理情況和雷擊事故的分析，初步判定為桿塔接地網電阻偏高所致。

2 現場信息收集

2009年 11月對該線路每基桿塔處土壤電阻率和接地電阻進行測試，發現有12基桿塔地網電阻不滿足設計要求。測試時，將塔腿處斷接卡與接地網斷開進行測試。測試結果見表1。

表1 各基桿塔土壤電阻率和接地電阻測試值

3 接地解決方案技術分析

對現場踏勘后，查閱了以上12基桿塔的接地型式以及接地材料，提出以下3種解決方案。

方案 1：將原地網圓鋼找出來，在其周圍澆灌降阻劑。

方案 2：在原地網水平射線末端繼續增加水平射線，其增加的長度需滿足雷電流有效泄流長度，并增加一定數量的接地模塊。

方案 3：采用新接地技術——降阻劑多層施工方法和增加水平射線、抑制環的接地技術。

3.1 方案1分析

由于塔基周圍幾乎是石頭，大部分桿塔地處懸崖或邊坡，在塔基基礎建設時部分采用微爆破的方式。地網埋于土中已經幾年，大面積開挖查找較困難，同時正處于冬季，部分塔基周圍附近崖巖可見冰柱和冰塊，將原地網完全挖出來不現實，故此方案不可取。

3.2 方案2分析

以N8為例，本基桿塔地網原設計如圖1，水平環形邊長為14m，水平射線長度為30m，做以下分析。

圖1 原地網示意圖

圖2 方案3示意圖

根據雷電流的沖擊特性，接地極存在有效泄流長度，水平射線有效泄流長度 L≤2ρ0.5=92m（ρ為地網所處的土壤電阻率，實測值為2132Ω·m），故單根外延射線長度還可外延92-30=62 m。如增加接地模塊，需要增加20個接地模塊才能將接地電阻降低至設計要求。但現場勘察發現，本塔基處于邊坡傾斜地帶，周圍為村民的房子，且有村民開墾的梯田式土地，不能隨便破壞。水平射線增加太長受場地限制，其他塔基也存在類似問題。故建議單條水平射線增加的長度控制在10m以內，此種方法不是最優的改造方案。

3.3 方案3分析

結合項目特點，提出了方案3的解決思路：降阻劑多層施工方法和增加水平射線、抑制環的接地技術（圖2）。確保改造后地網接地電阻滿足設計要求，同時不影響周圍村民的生產、生活。

1）降阻劑多層施工方法

目前國內外常用的降低接地電阻的方法是在接地極周圍使用低電阻物質——降阻劑，國內外文獻對其研究非常深入，降阻劑是一種非常經濟、有效的降阻材料。傳統降阻劑的施工方法如圖3所示，降阻劑和水按照重量比 2：1的比例調成漿狀后澆灌于接地極周圍，包裹直徑約為100mm[4]。傳統的降阻劑施工方法存在以下幾個方面的問題。

（1）僅對接地極溝底極少部分土壤的環境進行改變。

（2）在高山上，施工取水不方便。

所以我們做了以下設計（圖4），直接包裹熱鍍鋅圓鋼內層的降阻劑采用在生產廠已預制成膏狀（降阻劑和水按比例調和后包裝成形，原料配比做適當調整）的降阻劑，外層采用干粉降阻劑均勻倒入接地溝低部和溝壁，并回填素土夯實。整個施工過程無需水源，施工便捷。在多個實驗場地進行了傳統施工方法和多層施工方法的對比實驗，8m?10熱鍍鋅圓鋼，同等重量的降阻劑，分別按照圖 3、圖4所示的施工方法，并記錄數據（見表2）。當土壤電阻率ρ＞500Ω·m，采用多層施工方法后接地電阻降低越顯著，多層施工方法可在傳統施工方法上降低16.5%～48.3%。

圖3 降阻劑施工剖面圖

圖4 降阻劑多層施工方法

表2 實驗數據記錄

2）地網結構設計

通常輸電線路桿塔地網結構的設計，主要分為三種：水平環形、水平環形兼水平射線、帶接地模塊或角鋼的水平環形兼水平射線地網。設計時主要考慮降低地網接地電阻來降低雷擊的跳閘事故，從地網結構上考慮降低地網的地電位升，從而降低接觸電壓和跨步電壓思考相對較少。認為輸電桿塔一般建在山區，周圍人畜較少。同時滿足以下幾點人畜才會發生觸電事故。

（1）線路發生故障。

（2）桿塔附近產生電位分布。

（3）人又恰好進入桿塔附近危險電位分布范圍內。

（4）通過人體的電流等于或大于人體允許通過的安全電流。

但是做為設計工作者，我們需要考慮更多問題，使設計在符合規范要求的情況下，做更多的創新和優化，使地網更合理、更安全。

以 N8為例，根據理論推算，并采用上文所述的降阻劑多層施工方法，還需在原地網每條水平射線上增加 8m水平接地極才能將接地電阻降低至設計要求，用 CDEGS軟件對其進行模擬。原地網采用 ?10熱鍍鋅圓鋼，增加的水平射線周圍包裹100mm降阻劑，地網注入電流I=10kA，輸出如圖5、圖6所示。地網的地電位最大值發生在水平環形網四角和水平射線端部，接觸電壓最大值發生在水平射線端部，可見水平射線端部是最不安全的。

圖5 地電位升示意圖

圖6 接觸電壓示意圖

為了降低水平射線端部的地電位，對增加的8m水平射線進行結構的改變，總長度不變，將其端部做成直徑為0.6m的圓環，如圖2所示。用CDEGS進行模擬，輸出圖7、圖8。從圖中可以計算，采用了抑制環后，與以上設計相比地電位降低了5.91%，接觸電壓降低了 12.8%。地網結構的改變，發生雷電故障時，人畜經過桿塔更安全。故此方式在輸電線路桿塔地網設計中可采納，施工便利，地網更安全。同時可以以 8m水平射線、降阻劑、水平射線末端一個抑制環為一個組合體進行設計，減少設計的復雜性。

圖7 地電位示意圖

圖8 接觸電壓示意圖

3 工程實施情況

通過以上分析，比較了3種方案，方案3更合理，更具有可實施性和安全性。故對本條線路12基桿塔地網均采用方案3的方法，以8m水平射線、降阻劑、水平射線末端一個抑制環為一個組合體，將其布置在每基桿塔每條水平射線末端。根據桿塔原地網接地電阻、土壤電阻率、改造后最終接地電阻值等因素確定增加組合體的數量，理論計算后，每基桿塔地網每條水平射線端部增加組合體的數量為1～2組。改造后實測每基桿塔接地電阻值，均達到設計要求，而且效果較明顯，具體測試數據見表3。該條線路經本次改造后，到目前為止，沒有出現一次雷擊事故。

表3 改造后接地電阻實測值

4 結論

1）土壤電阻率越高，降阻越困難，如果接地電阻不滿足設計要求，線路桿塔更易遭受雷擊事故。

2）在接地極長度相等，使用同等重量的降阻劑，采用多層施工方法與傳統的施工方法相比，多層施工方法比傳統施工方法的接地電阻降低16.5%～48.3%。

3）在輸電線路桿塔設計中，由于地網端部地電位升較大，在其末端增加抑制環，可有效降低地網的地電位升、接觸電壓，使地網更安全。這種地網結構可應用到線路桿塔地網新建和改建的設計中。

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