輸電線路桿塔接地狀態在線監測技術探索

王麟超，邱海波

（國網山東省電力公司超高壓公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

近年來，隨著經濟的持續發展和技術的不斷創新，社會對電力需求持續增長。為滿足安全生產和高質量發展的需求，確保輸電線路的平穩、高效及安全已成為電網運營的核心任務。接地保護作為確保輸電線路穩定運行的有效措施，已成為實現高可靠性的關鍵保障。然而，受科技發展水平、地形地貌條件、線路材料以及自然環境等因素的限制，接地設施在施工過程中可能存在天然缺陷，如接地距離過大、易受雷電破壞和設施腐蝕等問題。影響輸電線路桿塔接地電阻的狀態，從而引發供電隱患[1]。輸電線路桿塔接地電阻數值越小，輸電線路桿塔抗雷擊性能越好，由雷擊引發的線路跳閘故障率也就越低[2]。如何實時監測輸電線路桿塔接地狀態，對及時掌握輸電線路桿塔狀態、發現并處理潛在故障，確保電網的安全穩定運行意義重大。然而，目前接地電阻測量大多以人工測量為主，存在測量實效性低、復雜地貌及惡劣天氣測量困難、難以及時監測發現故障點等問題。因此，文章提出了一種可實時測量接地電阻、自動發現故障點的輸電線路桿塔接地狀態在線監測方法。

1 輸電線路桿塔接地狀態在線監測方法

1.1 在線監測原理

輸電線路桿塔接地發生異常時，流向接地設施的短路電流會形成接地電位，接地電位UD的計算方式為

式中：Imax表示異常位置的最大短路電流；Iz表示發生異常的部位未通過接地設施直接回流到電源的電流；Mn表示分流系數；R表示當前的接地電阻。

通過式（1）發現，異常部位的電流經接地設施沿著桿塔傳輸至大地的過程中，接地電位由于接地電阻的存在而升高[3]。同時，接地電位的大小受入地短路電流影響。入地短路電流ID的計算公式為

式中：Ef表示異常延時參數；Ig表示額定對稱入地故障電流。Ig本質是接地網同地面間存在的電流，計算公式為

式中：Kmax表示入地故障電流的最大范圍；If表示分流參數。

在異常延時參數一定的情況下，入地短路電流與Ig成正比，如果Ig的數值過高，桿塔接地電位也會過高[4]。此外，桿塔存在不同類別的接地電極，其中接地體有一定的屏蔽功能，即使接地體參數一樣，其電阻值也會因為接地設施建設形態的差異有所區別。因此，需要修正接地體的電阻值，實施歸一化處理，相關計算公式為

式中：ρ表示土壤電阻率；L表示接地設施的長度；h表示示接地裝置埋深；d表示接地裝置直徑；A表示形狀系數。

通過式（4）發現，接地設施的不同形態也會影響電阻。為降低接地電阻值，輸電線路桿塔需要根據地形地貌、地理特征等選擇符合恰當的接地設施[5]。

設當前的導線桿塔的狀態是一個正六邊形，其邊長為a。為便于計算，假設其橫截面的大小可以轉化成直徑為1.28a的圓，那么這個桿塔電流密度矢量ε計算量公式為

式中：dI表示電流的微小變化量；dt表示微小時間間隔；dS表示微小面積；dq表示在dt時間段內通過某dS的電荷量的變化量。

假定的矢量方向同橫截面S垂直，則空間中點電荷dq在隨機點電位表示為

式中：r表示點電荷dq至隨機點的距離；β表示介電常數。

當接地裝置為2rL的圓柱體時，設電極存在于電介質內，該裝置電流密度表示為

在塔桿設施里，接地電阻大小與接地設施所處的埋深也有關聯，因此在計算電阻時要把地表影響融合進去。文章利用鏡像法，將接地設施在土壤表面的鏡像假定成環境里電阻率為ρ的電流源，如圖1 所示。

圖1 塔桿接地設施鏡像

埋深后的接地電阻Rm的計算公式為

輸電線路塔桿的接地部位一般是4 個，所以在計算總體電阻Rz時，需要將其作為整體，計算其并聯作用后的數額，計算公式為

式中：λ表示屏蔽參數；RA、RB、RC及RD分別表示桿塔4 個接地部位的電阻值。

1.2 故障監測方法

輸電線路桿塔接地出現異常的排查機理如下：在線監測裝置里提前預設電流閾值，如果監測到的桿塔工頻接地電流超過閾值，那么認定其出現異常，監測設施會給予異常提醒。但是具體操作過程中，如果只依據閾值判斷是否出現異常，存在明顯的局限性。操作失誤或誤檢等原因都可能導致監測結果不準確，因此實際應用中需考慮桿塔電流方向。異常接地電路如圖2 所示，當輸電線路桿塔工頻接地電流出現故障時，大部分電流被導入桿塔周邊預設的避雷設施，剩余電流被導入發生異常的桿塔。

圖2 異常接地電路說明

出現圖2 所示的異常情況時，表明電路短路，按照差動理論，通過相關的傳感器能夠確定發生異常的節點。異常報警裝置的原理如圖3 所示。

圖3 異常報警裝置原理

避雷線電流值大小受桿塔兩側電流參數影響，相關傳感器的輸出信號協同成幅值一致的波形。如果沒有異常情況，那么桿塔兩側電流方向相反、大小相同，異常報警裝置的指示器收到的信號約等于0，不會觸發報警。如果發生異常，那么異常桿塔兩側的電平方向出現變化，桿塔兩側電流變為方向相同、大小相同，所以電流是原來的2 倍，增大的信號導致報警器發出故障警報。

2 實證分析

為檢測文章提出的方式的有效性，將文章提出的方法與三極相位法、鉗表法進行比較。選取山東電力某超高壓輸電線路10 個500 kV 輸電線路桿塔開展測試。相關桿塔編碼及資料如表1 所示。

表1 實驗桿塔資料

分別利用文章提出的方法、三極相位法、鉗表法3 種方法測量表1 中的10 個500 kV 輸電線路塔桿4 個接地部位的電阻數值，結果如表2 所示。文章提出的方法與三級相位法、鉗表法測量結果誤差值結果如表3 所示。

表2 3 種方法電阻測量值 單位：Ω

表3 不同方法測量的電阻誤差情況 單位：Ω

分析表3 誤差值可以發現，文章提出的監測輸電線路桿塔接地電阻誤差均低于0.5 Ω，而三級相位法、鉗表法監測誤差值均大于0.5 Ω，鉗表法測試誤差值最高甚至超過5 Ω。因此，相較于其他兩種方法，文章提出的測試的方式誤差小、精準度高，在實際應用中具備較好的效果。

3 結 論

文章基于目前室外輸電線路塔桿接地測試方面存在的難點、不足，結合日常使用需求和安全高效的要求，提出一種輸電線路桿塔接地狀態在線監測并對異常情況進行報警的方法。該方法能夠精準監測接地電阻狀態，定位發生異常的位置，并能夠及時通過異常報警裝置給與警示。通過實證分析和對比實驗，證明文章提出的在線監測方法精準度高、誤差小。依托文章提出的方發可以較好的實現即時性測量，幫助工作人員及時發現由于意外雷擊、覆冰、倒塔等情況使輸電線路出現損壞的情況，保障線路安全高效運行。