輸電桿塔的接地改造及防雷設(shè)計(jì)


1、引言

送電線路桿塔的接地對送電線路的防雷至關(guān)重要，特別是對送電線路的耐雷水平影響較大。但是位于山區(qū)的送電線路，由于土壤電阻率高、地形、地勢復(fù)雜，交通不便，施工難度大，桿塔接地電阻普通偏高。如廣西500KV天平Ⅰ、Ⅱ回線路位于山區(qū)的桿塔有許多接地電阻偏高，有的甚至高達(dá)100多歐，結(jié)果這兩回線路在1998年接地改造之前雷擊跳閘率居高不下。再如遼寧本溪溪湖60KV線路，由于位于山區(qū)的桿塔接地電阻偏高，每年都有雷害事故發(fā)生，經(jīng)查發(fā)生雷害事故的桿塔均為接地電阻偏高的桿塔。還有河南110KV平寶線、110KV信李線，發(fā)生雷害事故的桿塔也都是接地電阻偏高的桿塔。對送電線路雷害事故進(jìn)行深入的調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常駐發(fā)生雷害事故的線路段，一般都是若干基桿塔接地電阻連續(xù)偏高，或有大跨越、大檔距存在。這是因?yàn)樵谶@些地段一旦桿塔遭受雷擊相鄰桿塔不能有效分流，而被擊桿塔流過大部分的雷電流，由于接地電阻較高造成了較多的塔頂電位，一旦絕緣子串兩端的電位差大于絕緣子中的50%沖擊放電電壓時，絕緣子發(fā)生擊穿——即“反擊”所致。

2、送電線路桿塔接地電阻偏高的原因分析。

對送電線路桿塔接地電阻偏高的原因進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)引起桿塔接地電阻偏高的原因有多個方面，即有客觀原因，又有運(yùn)行維護(hù)方面的問題，歸納起來主要有以下幾個方面的原因：

2.1 地質(zhì)、地勢復(fù)雜，特別是山區(qū)主要是土壤電阻率偏高，據(jù)我們調(diào)查北方山區(qū)的土壤電阻率一般在1300Ωm-3000Ωm，南方山區(qū)的土壤電阻率有的甚至高達(dá)5000-10000Ωm，且有的山區(qū)土層較薄或根本沒有土壤，基本上全為巖石，交通不便。接地施工難度大。還有在北方土壤干燥，而大地導(dǎo)電基本上是靠離子導(dǎo)電、而各類無機(jī)鹽類只有在有水的情況下，才能離解為導(dǎo)電的金屬離子，所以干燥的土壤導(dǎo)電能力是非常差的，這是山區(qū)或北方干旱地區(qū)桿塔接地電阻偏高的主要原因。

2.2 設(shè)計(jì)施工方面的原因

山區(qū)由于地形復(fù)雜，土壤不均勻，土壤電阻變化較大，在設(shè)計(jì)桿塔的接地時需要實(shí)地進(jìn)行認(rèn)真的勘探，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)計(jì)。但是對實(shí)際工程進(jìn)行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)方面存在一些問題，既設(shè)計(jì)時有些不到現(xiàn)場進(jìn)行土壤電阻率測式，不到現(xiàn)場進(jìn)行地形，地勢和地質(zhì)勘探，根據(jù)實(shí)際做出符合現(xiàn)場條件的設(shè)計(jì)，而是對相當(dāng)大的范圍取一平均電阻率?；蛘咛子玫湫偷脑O(shè)計(jì)圖紙，對接地電阻不進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)際不符。在施工時由于接地工程是屬于隱蔽工程，工程技術(shù)監(jiān)督也存在著不到位的現(xiàn)象，不能嚴(yán)格的按圖施工，如接地體的長度，埋深及焊接和回填土不符要求的存在較為普遍。造成線路施工后，存在有大量桿塔接地電阻超標(biāo)。如在工程驗(yàn)收時不嚴(yán)格按進(jìn)行測試，會使這些隱患一直得不到消除，直到線路投運(yùn)。

2.3運(yùn)行維護(hù)方面的原因。

有些桿塔在初建成時是合格的，但是隨著運(yùn)行時間的推移，桿塔接地電阻會越來越大，這主要有以下一些原因：

1）接地體的腐蝕，特別是在山區(qū)酸性土壤中，或風(fēng)化后土壤中，最容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕和吸氧腐蝕，最容易發(fā)生腐蝕的部位是接地引下線與水平接地體的連接處，由腐蝕電位差不同引起的電化學(xué)腐蝕。有時會發(fā)生因腐蝕斷裂而使桿塔“失地”的現(xiàn)象。還有就是接地體的埋深不夠，或用碎石、砂子回填，土壤中含氧量高，使接地體容易發(fā)生吸氧腐蝕，由于腐蝕使接地體與周圍土壤之間的接觸電阻變大，甚至使接地體在焊接頭處斷裂，導(dǎo)致桿塔接地電阻變大，或失去接地。
2）在山坡坡帶由于雨水的沖刷使水土流失而使接地體外露失去與大地的接觸。
3）在施工時使用化學(xué)降阻劑，或性能不穩(wěn)定的降阻劑，隨著時間的推移降阻劑的降阻成分流失或失效后使接地電阻增大。
4）外力破壞，桿塔接地引下線或接地體被盜或外力破壞。

3、雷擊塔桿事故的分析

當(dāng)桿塔接地電阻高，兩邊為大跨越時，由于避雷線的電感大，相鄰桿塔的分流小，所以當(dāng)雷擊塔頂時，塔頂電位為：
（1）
式中Up為塔頂電位，V；Rch為桿塔沖擊接地電阻，Ω；it為流過被擊桿塔的入地電流，A；Lt為桿塔的等值電感，H。

當(dāng)塔頂電位為Up時，與之相連的避雷線也有相同的電位Up，由于避雷線與導(dǎo)線的電磁耦合作用，在導(dǎo)線上將出現(xiàn)耦合電位KUp，K為耦合系數(shù)，耦合電位的極性與雷電流相同。此處由于雷擊時，空間電磁場的突然變化，在導(dǎo)線上還會出現(xiàn)幅值為 的感應(yīng)過電壓，當(dāng)雷電流達(dá)到幅值時，感應(yīng)雷電壓也達(dá)到最大，即
（2）
此時，導(dǎo)線電位等于其耦合電位與感應(yīng)雷電壓之和：
（3）
式中K0為導(dǎo)線對避雷線的幾何耦合系數(shù)；hs為避雷線的平均高度，m；hc為導(dǎo)線對地平均高度，m；a為感應(yīng)過電壓系數(shù)，KV/m；t為時間，s；If為雷電流波頭時間，μs。
此時作用在絕緣子串電壓Um為桿塔塔頂電位Up與導(dǎo)線電位Uc之差，即
（4）
式中，ha為導(dǎo)線高度，m；β為桿塔分流系數(shù)，即桿塔電流與雷電流之比值， 。

當(dāng)Um隨著雷電流的增大而增大，當(dāng)Um超過絕緣子的50%沖擊放電電壓U50%時，絕緣子將發(fā)生擊穿放電，即“反擊”?！胺磽簟背酥苯优c雷電流的大小有關(guān)外，還與桿塔電感、桿塔沖擊接地電阻和相鄰桿塔的沖擊接地電阻以及相鄰檔距的大小直接相關(guān)。因?yàn)檫@三基桿塔接地電阻連續(xù)超標(biāo)，相鄰又是大跨越大檔距，當(dāng)這三基桿塔任何一基遭受直擊雷時，相鄰桿塔不能有效分流，當(dāng)雷電流大到一定程度，勢必會發(fā)生“反擊”事故。

4、關(guān)于降阻措施的探討

對于接地電阻超標(biāo)的桿塔進(jìn)行降阻改造是提高線路耐雷水平保證線路安全運(yùn)行的重要措施。但對輸電線路來說，由于降阻主要是出于防雷的需要，所以對降阻措施又有明確的要求，即以降低桿塔沖接接地電阻為主要目的。所以對桿塔降阻措施應(yīng)考慮以下幾方面的問題。

3.1 關(guān)于水平接地體。既然是為了降低沖擊接地電阻，那么就不能向發(fā)電廠、變電所降低工頻接地電阻那樣，有那么大的范圍可以外延水平接地體，而是對接地體的長度有一定的要求，這主要是出于如水平接地體過長，由于電感的影響，對降低沖擊接地電阻無效的考慮。對于水平接地體應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的地形、地勢、沿桿塔四周向外放射水平射線為主，要充分利和現(xiàn)場地形和地質(zhì)，比如山巖裂縫等結(jié)合使用降阻劑進(jìn)行降阻處理。為防止雨水沖刷，水平接地體能沿等高線布置的要盡量的沿等高線布置，并結(jié)合防水墻進(jìn)行防護(hù)。水平接地體的埋深要盡可能的達(dá)到0.8m以下。在北方要埋設(shè)在凍土層以下。比如前述110KV信李線、110KV平寶線和遼寧本溪60KV溪湖線的桿塔降阻改造都是結(jié)合現(xiàn)場的有利地形使用降阻劑把拉地電阻都降低到合格范圍以內(nèi)。

3.2 關(guān)于垂直接地體。垂直接地體是線路桿塔接地的常用措施，但位于山區(qū)的線路由于石頭多，特別是位于巖石地帶的桿塔，垂直接地極的施工是不容易的，這時可結(jié)合巖石裂縫使用垂直接地極。在地下有金屬礦，或地下有低電阻率的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時可采用豎井式接地降阻法。但如地下沒有較低電阻率的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時，再使用豎井法降阻是不經(jīng)濟(jì)的。再說雷電流屬于高頻電流具有很強(qiáng)的趨膚性。雷電流一般沿表層土壤散流，深層土壤并不散流。所以在一般的地質(zhì)結(jié)構(gòu)使用深井式接地極，對降低沖擊接地電阻效果并不大。所以對桿塔接地的接地體應(yīng)以水平接地體為主，以垂直接地體為輔，垂直接地體的長度以1.5-2m為宜，一般設(shè)置在水平接地體的頂點(diǎn)，或水平接地體中間容易打入的位置。
3.3 關(guān)于降阻劑的使用。大量的工程實(shí)踐證明，使用降阻劑對降低桿塔接地電阻是非常有效的。因?yàn)闂U塔接地是屬于中小型接地裝置、降阻劑的降阻效果能得到充分發(fā)揮。但在實(shí)際工程上也發(fā)生了一些問題，主要是：
（1）降阻劑的穩(wěn)定性問題，有些降阻劑，特別是一些化學(xué)降阻劑，雖然短時期內(nèi)具有很好的降阻效果，但其性能不穩(wěn)，隨著降阻劑的滲透、擴(kuò)散，特別是隨著雨水的流失其降阻效果容易失效；
（2）降阻劑的腐蝕性問題，有些降阻劑具有很強(qiáng)腐蝕性，能對鋼接地體構(gòu)成較大的腐蝕，如廣東某電廠使用的某型號的降阻劑后不到5年接地體就全部腐蝕爛掉，還對其地下相鄰的消防水管系統(tǒng)造成了較大的腐蝕；
（3）降阻效果問題，降阻劑的降阻效果主要由降阻劑本身的電阻率、保水性、滲透和擴(kuò)散作用決定的。所以在降阻劑的選用上，一定要注意選用降阻性能好，對鋼接地體低腐蝕，性能穩(wěn)定、壽命長、保水性好，不易隨水土流失的降阻劑。
無論什么型號的降阻劑的降阻效果都是通過一定的設(shè)計(jì)和施工體現(xiàn)出來的。關(guān)于降阻劑的用量要結(jié)合設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真的接地電阻計(jì)算，如XS128長效物理降阻劑就給定了降阻系數(shù)和用量的關(guān)系，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)具體的工程要求和土壤電阻率進(jìn)行計(jì)算。降阻劑及水平妝地體要埋設(shè)在凍土層以下，埋深最好能達(dá)到0.6m以下，回填土要用細(xì)土回填，并分層夯實(shí)，不可用砂子和碎石回填。因降阻劑大多具有比土壤高的腐蝕電位所以對所有的接地體都應(yīng)均勻的包裹在降阻劑中間，不允許有脫節(jié)，或接地體外露的現(xiàn)象，因?yàn)檫@樣會造成腐蝕電位差不同，引起電化學(xué)腐蝕，這已為大量的工程實(shí)踐所證實(shí)。如河南南陽電業(yè)局發(fā)現(xiàn)在線路桿塔接地中均勻包裹在降阻劑內(nèi)的鋼接地體基本無腐蝕，而有脫節(jié)或因降阻劑施加不勻，使接地體外露的，則發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。河南信陽有一基桿塔接地則因埋深不夠，又用碎石回填，結(jié)果造成了降阻劑失效和接地體腐蝕。
3.4 關(guān)于工程施工。因接地工程屬于隱蔽工程，所以在該工程中要對每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程的認(rèn)真的技術(shù)監(jiān)督。對新建桿塔最好在桿塔基礎(chǔ)和拉線基礎(chǔ)施工時坑底，鋪設(shè)接地體和降阻劑進(jìn)行降阻，這樣可收到事半功倍的效果。對改造降阻工程要結(jié)合現(xiàn)場有利地質(zhì)、地勢做切合現(xiàn)場實(shí)際的設(shè)計(jì)，按要求進(jìn)行水平接地和垂直接地體的施工。要特別注意水平接地體的埋深，焊接要合格?；靥钔烈眉?xì)土回填，并分層夯實(shí)，對接地引下線的各連接頭要做防腐處理，對接地引下線直到與水平接地體連接處要刷瀝清漆和防腐漆進(jìn)行防腐處理。
3.5 關(guān)于運(yùn)行維護(hù)，對桿塔的接地裝置要定期進(jìn)行維護(hù)和檢查，比如定期對接地引下線進(jìn)行防腐處理，定期測試桿塔接地電阻和回路電阻，定期檢查接地體有無沖刷和外力破壞等。
5、桿塔接地改造實(shí)例

1998年春天，為了提高該線路的耐雷水平，防止雷害事故，我們決定對位于振雷山上的三基桿塔的接地進(jìn)行徹底的降阻改造。首先我們對這三桿塔所在位置及周邊山坡進(jìn)行了土壤電阻率的勘探測試。由于土壤電阻率在水平方向上為不平均分布，通過測試我們找出了土壤電阻率較低的位置。我們還對垂直方向的土壤電阻率進(jìn)行了勘探測試，發(fā)現(xiàn)越往深層，土壤電阻率越高，地下沒有可以利用的地質(zhì)構(gòu)造。在做了詳細(xì)的勘探和調(diào)查后我們制定了如下改造措施。

1）沿土壤電阻率低又便于施工的地方做水平放射線，每基桿塔2-條，射線直線長度不大于100m，但在放射線中間，結(jié)合地形和土質(zhì)情況做放射分支線，即做成樹枝狀的放射線。水平接地體埋深0.8m以下。
2）在巖縫及土層較厚的地方打入垂直接地極，或用炸藥爆破后做深埋接地坑，在坑中用扁鋼與非金屬接地模塊焊接做接地極。
3）對水平放射線和深埋接地坑接地體四周加XS128長效物理降阻劑，該降阻劑具有較好的降阻性能，自身電阻率為ρ=0.35Ω.m。吸水性強(qiáng)，保水性好。膠質(zhì)價高，粘度大，不易隨山水流失。對鋼接地體具有很好的防腐保護(hù)作用。
4）對上下布置的放射線每隔一定距離用石塊徹防水土流失保護(hù)墻，對回填土用細(xì)土回填，并分層夯實(shí)，上部植草和灌木進(jìn)行水土保持。
5）對桿塔接接引下線直到地下與水平接地體連接處，刷瀝清漆進(jìn)行保護(hù)，防止因腐蝕電位不同引起的電化學(xué)腐蝕。

這三基塔經(jīng)改造后接地電阻分別從70Ω、85Ω，大于100Ω降到6.5Ω、9Ω和12Ω，1年后降到并穩(wěn)定到5Ω、7.5Ω和8.5Ω。
該線路從1998年3月改造后至今已經(jīng)過5年多的運(yùn)行，特別是經(jīng)過1999年和2000年夏季的強(qiáng)雷電流活動，至今未發(fā)生一起雷擊跳閘事故，主要是因?yàn)榻档土私拥仉娮?，有效地防止了反擊過電壓，提高了線路的耐雷水平。

6、結(jié)束語

送電線路桿塔的接地降阻處理因主要目的是防雷，所以應(yīng)以降低沖擊接地電阻為主，那么所有的降阻措施都應(yīng)圍繞這個目的進(jìn)行，不宜采用特長的外延接地和較深的深井接地。但可以結(jié)合現(xiàn)場地形用放射形接地，深埋接地體和采用適當(dāng)?shù)慕底鑴┑姆椒ㄟM(jìn)行降阻。對具體的工程要做具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，做出切合實(shí)際的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行精心的施工，加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，才能收到理想的防雷效果。