接地電阻值對輸電桿塔防雷影響的研究

張明旭 王軍 閆敏 梁利輝 王春明 溫潤賢

摘 要：我國電力系統因為雷擊造成的事故時常發生，比如電路短路、跳閘等。然而隨著我國快速發展，已經離不開電力系統，電力系統直接影響著人類的生產和生活，當電力系統因為雷擊發生故障之后，就會造成比較大的影響。所以為了提高輸電桿塔防雷的效果，文章對接地電阻值對其影響進行了分析，因為接地電阻值直接影響著輸電桿塔防雷效果。同一個輸電桿塔上設置幾個不同的回線符合我國當前對電力的需求，所以文章主要針對的是同塔四回路防雷進行研究。通過實驗結果表明，當接地電阻值越小，輸電桿塔防雷效果將會更好;當接地電阻值小于15Ω時，電阻值不斷增加時，輸電桿塔的防雷水平就會越小，并且其對防雷的影響比較大;當接地電阻值大于15Ω時，電阻值不斷增加，其防雷水平也會降低，此時的電阻對防雷水平影響比較小。最后為了提高輸電桿塔防雷效果，提出了一些降低接地電阻值的方法。文章目的在于降低雷擊對我國電力系統的影響，從而更好發揮電力系統對人類的貢獻作用。

關鍵詞：接地電阻值;輸電桿塔;防雷

中圖分類號：TM863 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0150-04

Abstract：Today， accidents caused by lightning strikes frequently occur in my countrys power system， such as short circuits and trips. However， with the rapid development of my country， the power system has been inseparable. The power system directly affects human production and life. When the power system fails due to lightning strikes， it will have a relatively large impact. Therefore， in order to improve the lightning protection effect of the transmission tower， the paper analyzes the impact of the grounding resistance value， because the grounding resistance value directly affects the lightning protection effect of the transmission tower. Setting several different loops on the same transmission tower is in line with my countrys current demand for electricity， so the article mainly focuses on the four-circuit lightning protection of the same tower. According to the experimental results， the smaller the grounding resistance value， the better the lightning protection effect of the transmission tower; when the grounding resistance value is less than 15Ω， when the resistance value continues to increase， the lightning protection level of the transmission tower will be smaller， and its impact on lightning protection is greater; when the grounding resistance value is greater than 15Ω， the resistance value continues to increase， and its lightning protection level also decreases， at this time， the resistance has little effect on the lightning protection level. Finally， in order to improve the lightning protection effect of the transmission tower， some methods for reducing the grounding resistance value are proposed. The purpose of the paper is to reduce the impact of lightning strikes on my countrys power system， so as to better play the role of power systems contribution to humans.

Key words：ground resistance; transmission tower; lightning protection

雷電屬于一種劇烈的放電現象，一般情況下有3種不同形式的雷電，分別為直擊雷、球形雷和感應雷[1]。不同形式的雷電，對事物的影響程度也會存在差別，但是對于輸電桿塔，容易受到雷電的影響，如果不對其進行防雷處理，將會造成較為嚴重的后果[2]。雷擊活動的強度和頻率程度一般會使用年平均雷暴日數、年雷閃頻數和年平均地面落雷密度進行表達[3]。由于我國對電力需求不斷上升，將會影響到人類生產和生活，如今較為頻繁的雷暴現象影響到了我國電力系統的正常運行。夏季最容易發生雷電現象，屬于赤道附近的地區也非常容易發生雷電活動。雷電會導致系統不能正常運行，造成線路斷路、跳閘等事故，而且很多輸電桿塔屬于偏僻低于，維修相當困難[4]。所以為了增加輸電桿塔防雷效果，設置的接地系統非常重要，能夠在一定程度降低雷電對輸電桿塔的影響，從而降低線路損傷程度和損傷頻率[5]。

雷擊造成線路跳閘主要可以分為兩種類型，分別為繞擊跳閘和反擊跳閘，其中反擊跳閘比較容易出現在電壓等級比較低的線路中[6]。另外，影響輸電桿塔反擊耐雷水平的因素比較多，比如絕緣子絕緣距離、接地電阻值、桿塔高度和桿塔的地理位置等因素，其中接地電阻值能夠直接影響到桿塔的電位分布，所以就會引起其他因素的發生，比如影響到絕緣子兩端的電壓差，所以為了降低輸電桿塔受到雷擊的影響，文章對接地電阻值進行分析，并且已經有研究表明，當接地電阻值越來越小時，輸電桿塔防雷效果將會更好，更不容易發生跳閘等事故[7-8]。但是這一理論是在籠統的分析輸電桿塔，沒有將其進行分層研究，因為在不同電壓等級下，距離雷擊點的距離不同，其受到的電壓將會存在差別，于是其防雷效果就會存在差異。所以文章將進一步分析接地電阻值對輸電桿塔防雷的影響，并且為了降低接地電阻值提出了一些措施，目的在于提高輸電桿塔防雷效果，從而增強我國電力系統的運行效果。

1 接地電阻值對輸電桿塔防雷的影響

由于我國對電力的需求發生迅猛增長，導致輸電線路走廊比較缺乏，于是為了能夠滿足電力需求，在同一個輸電桿塔上設置幾個多回線路，多回線路可以是雙回、4回或者6回，其中6回線路使用比較少。文章將主要針對4回線路進行防雷研究，該輸電桿塔的示意圖如圖1所示，一共將其分為6層。當輸電桿塔的高速越高時，就更容易受到雷電的襲擊。輸電桿塔上一共有12相導線，每個導線之間的高度存在比較大的差異，于是接地電阻值對輸電桿塔的不同高度防雷影響存在差異。當前輸電桿塔中使用最多的電壓等級為110kV和220kV，所以文章將會在這兩種電壓等級下研究接地電阻值對輸電桿塔防雷的影響。研究過程中，還將不同高度上受到的不同電壓也考慮到防雷效果中。

1.1 接地電阻值對110kV輸電桿塔防雷效果的影響

輸電桿塔每一層的防雷效果將會存在差別，一般情況下，距離地面更高的位置更容易收到雷擊，也就是第一層的防雷效果相比與其他層差，而最后一層，也就是第6層的防雷效果更好，因為該層不容易受到雷擊。于是文章通過測量研究，得到如圖2所示的接地電阻值對輸電桿塔防雷效果的影響結果。從圖中可以看出當接地桿塔電阻值不斷增加時，層級越小，接地電阻值對輸電桿塔的防雷影響越小，因為圖中的線更加平穩，也就是輸電桿塔越高的位置，接地電阻值對其防雷影響更小，反而是越靠近地面的輸電桿塔，接地電阻對其防雷影響更加的顯著。

圖3為輸電桿塔絕緣子兩端電壓峰值結果，其中桿塔使用多波阻抗模型，使用先導發展模型作為絕緣子。從圖中可以看出，從圖中可以看出，接地電阻值越來越大時，絕緣子兩端的電壓越來越大，兩者成正比關系。然而輸電桿塔的每層絕緣子兩端電壓變化程度存在差別，其中輸電桿塔層級越高，接地電阻值對其電壓影響更大，反而是輸電桿塔層級越小時，電阻值對其影響比較小。另外，從兩個圖中可以看出，當接地電阻值越來越大時，輸電桿塔防雷效果更差。所以為了增加防雷效果，需要降低接地電阻值。

當接地電阻值越來越小時，輸電桿塔絕緣子兩端的電壓也越來越小，距離雷擊點越近的位置，受到的電壓應該越大，其耐雷水平應該越差，一般情況下我們會這樣理解，但是通過實驗之后，恰好不是這樣的結果，而是當接地電阻越來越小時，距離雷擊較近的位置更不容易閃絡，而是接近地面率先閃絡。另外，當接地電阻比較小時，對第3層到第6層的耐雷水平影響隨著電阻的增大而更大，而當電阻大于15Ω時，接地電阻值對防雷的影響的就會比較平穩。

1.2 接地電阻值對220kV輸電桿塔防雷效果的影響

220kV下，接地電阻值對輸電桿塔防雷影響的結果如圖4所示，圖5即為不同層絕緣子兩端電壓峰值結果。從圖中可以看出，當電壓升高220kV時，其線路的變化規律與110kV環境下的變化趨勢大致上相同，只有一條存在區別，即110kV時接地電阻值小于15Ω時，對絕緣子兩端電壓峰值影響比較大，而220kV環境下，接地電阻是小于10Ω時，電阻對電壓峰值的影響比較小，但是對線路防雷水平的影響比較大。存在這種現象是因為使用先導發展模型作為絕緣子模型，耐雷水平不僅受到電壓峰值的影響，而且還和絕緣子兩端電壓波形有關，所示說只使用電壓峰值反映耐雷水平的準確度并不是很高，存在比較大的偏差。

通過上述接地電阻值對輸電桿塔防雷的影響研究，可以得出以下結論：接地電阻值對輸電桿塔中不同層導線的防雷影響存在差別。當距離地面比較近的導線，接地電阻值對導線的防雷水平影響就會越大;當接地電阻值小于15Ω時，電阻值不斷增加時，輸電桿塔的防雷水平就會越小，并且其對防雷的影響比較大，當接地電阻值大于15Ω時，電阻值不斷增加，其防雷水平也會降低，當然此時的電阻對防雷水平影響比較小，即防雷水平受到的影響比較平緩。所以為了提高輸電桿塔的防雷效果，需要盡可能的降低接地電阻，最好將其電阻控制在15Ω以內，于是防雷效果將會更好，能夠降低導線跳閘率。

2 降低接地電阻的方法

降低電阻能夠增加輸電桿塔的防雷效果，通過上述分析可以將接地電阻控制在15Ω以下，能夠降低跳閘率。另外由于輸電桿塔距離地面越高的地方，其防雷效果越好，所以可以適當的增加絕緣子的長度，于是可從整體上增加輸電桿塔的防雷效果。當然安裝避雷針能夠很好的避免輸電桿塔受到雷擊，這種方式具有明顯的效果，但是其消耗成本也會比較大。于是文章接下里來將主要研究降低接地電阻值的方法，從而增加輸電桿塔的防雷效果。

通過考慮接地電阻的組成成分和影響電阻的因素，從而降低電阻值。接地電阻有接地引線電阻和接地體本身的電阻，該電阻主要容易受到材質和幾何尺寸的影響。接地電阻值還會受到土壤的含水量、性質等影響，還會受到土壤的緊密程度和接觸面積影響。接地電阻還會受到散流電阻的影響，散流電阻就是以接地體為中心點，向遠方擴散電流然后途中經過的土壤電阻，且影響該電阻的主要因素就是土壤的含水量。在這眾多影響電阻的因素中，其中影響最大的因素就是散流電阻和接地體接觸電阻。于是文章為了降低電阻值，將會從這兩個方面提出降低電阻值的方式。

2.1 改變接地極材料

接地電阻所使用的材料直接影響著電阻值，所以為了降低電阻，需要選擇電阻非常小的材料，hd-m1屬于一種優質非金屬模塊，其在室溫環境下的電阻率為0.0013Ω·m，與常見的接地模塊相比，該材料的電阻非常小，小幾百倍以上。在應用過程中將其埋設到地面50～100cm的深度即可。在制作該材料時，使用的工藝比較好，使用500kg以上的壓力制成，所以得到的材料具有比較大的密度，具有受壓能力強、牢固能力好等優勢，而且占用土地面積小、施工方便、成本較低等優勢。作為接地電阻材料，當受到非常大的電流沖擊時，不會影響到接地電阻值，也不會發生脆性斷裂等情況。同時還能夠在非常寒冷的北方使用，因為該材料能夠經受住零下40℃的環境。更重要的是該材料能夠降低地電位反擊，因為金屬和土壤之間存在非常大的電阻率，如果遇到雷擊，就會受到非常大的電流沖擊，如果使用非常普通的接地電阻材料，就會導致使得電位梯度過大，產生非常大的電壓，從而造成各種安全事故，所以使用該材料能夠將這這種電位反擊的情況發生。

2.2 選擇長效復合降阻劑

降低接地電阻值還可以使用降阻劑，為了實現接地電阻值的降低效果更加明顯，使用長效復合降阻劑將會更好。降阻劑能夠降低接地電阻值是因為以下3個原因：

（1）制作降阻劑所使用的材料具有很低的電阻率，所制得的降阻劑一般情況下小于5Ω·m。降阻劑的電阻率比土壤小很多，所以將其包裹在接地體的周圍，增加電阻值非常小，幾乎可以不用考慮，然后就會增加接地體尺寸，就會降低接地電阻值。

（2）使用降阻劑能夠具備吸潮性，能夠使得接地體周圍的土壤保持在一定的潮濕范圍;而且降阻劑還會在土壤中進行滲透，從而降低周圍土壤的電阻率。所以降阻劑能夠降低接地電阻值。

（3）隨著降阻劑的不斷發展，其配方有很多形式，所以在質量和價格上也會存在比較大的差異，所以在選擇降阻劑時需要比較慎重，選擇性能較好的長效復合降阻劑，然后再考慮降阻劑的用量和價格。在選擇降阻劑時需要著重考慮到以下3個方面： ①降阻特性。一般情況下選擇的降阻劑電阻率應該至少小于土壤的20倍，在室溫環境下，其電阻率應該小于5Ω·m，而有些特殊地域，對電阻率的控制比較嚴格，所以選擇的降阻劑電阻率應該大約為1Ω·m;②降阻劑的腐蝕性。由于降阻劑包裹在接地電阻上，所以不能具備腐蝕性，不會就會破壞接地電阻，從而造成電力系統受到雷擊的影響，降阻劑盡量能夠具備保護接地電阻，使其不容易受到土壤的腐蝕。通過相關研究之后，降阻劑的腐蝕率每年不能大于0.03mm。另外，要求降阻劑呈現弱堿性，因為能夠對接待電極起到保護作用，而且降阻劑要能夠在24h內完全凝固，不然就會被流失，還會加快腐蝕;③降阻劑的穩定性。因為降阻劑具備很好的穩定性，就不容易發生任何的變化，于是在使用過程中就能夠長久的發揮作用，具備較長的壽命，能夠更好的降低接地電阻值和保護接地電極。

3 結語

由于雷電對輸電桿塔的影響比較大，造成的各種安全也比較多，在維修上面又相當困難，所以為了降低這些影響，使用接地電阻降低雷電對輸電桿塔的影響。而接地電阻值的不同又會影響到輸電桿塔防雷效果，所以文章通過相關實驗驗證了接地電阻值對輸電桿塔防雷的影響，分析不同層次接地電阻值對輸電桿塔防雷的影響。總體來講，當接地電阻值越來越小時，輸電桿塔能夠具有更好防雷效果;越靠近雷擊點的位置，反擊耐雷水平將會越好。所以為了提高輸電桿塔防雷效果，降低接地電阻值將會有比較好的作用。所以文章還提出了幾點降低接地電阻值的方法。目的在于能夠提高我國電力系統的安全穩定性。

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