降低杆塔冲击接地电阻的有效方法

降低杆塔冲击接地电阻的有效方法

江西省电力科学研究院 章叔昌

[摘要] 输电线路的跳闸原因大多由雷击引起，降低输电线路雷击跳闸率的主要措施之一是降低线路杆塔接地装置的冲击接地电阻。本文对杆塔接地装置的基本冲击特性进行了论述，提出了降低杆塔接地装置冲击接地电阻的基本原则。介绍了采用接地模块环形集中接地方式对线路杆塔接地装置进行防雷接地改造的基本方法，总结了采用该方式对一条输电线路杆塔进行接地改造后的效果。 [关键词] 高压输电线路；防雷接地；冲击接地电阻；接地模块

1 概述

高压输电线路的跳闸原因大多由雷击引起，直接影响供电的可靠性。输电线路杆塔接地装置的主要作用是泄放雷电流，当雷电直击输电线路塔顶或避雷线时，雷电流将经过杆塔及其接地装置向大地流散。在此过程中，雷电流在杆塔的电感及其接地装置的接地阻抗（通常称其为接地电阻）上产生的压降将会使塔顶电位升高，当这一电位升高达到一定值时会使线路的绝缘子串击穿，从而可能引起输电线路因雷电过电压造成的反击而跳闸。对于一般高度的杆塔，引起塔顶电位升高的主要因素是线路杆塔的接地电阻。因此，杆塔的接地电阻是影响输电线路反击耐雷水平的重要参数。由于雷电流高频高幅值的特点，使接地装置的冲击接地电阻与工频接地电阻之间存在显著差异。当雷电流通过杆塔及其接地装置向大地散流时，使塔顶电位升高起主要作用的是冲击接地电阻而不是工频接地电阻。因此要降低线路的雷击跳闸率，主要措施之一是降低线路杆塔的冲击接地电阻。

2 杆塔接地装置的基本冲击特性

冲击接地电阻与工频接地电阻之所以存在较大区别，其主要原因之一是由于高幅值的雷电冲击电流流过接地装置时，会引起接地体周围的土壤发生电离（火花效应），土壤电离后的作用相当于增大了接地体的截面积，因此会使冲击接地电阻降低。但是当接地体的截面积足够大时，这种火花效应将不明显。传统的杆塔接地装置主要是放射型接地体，当放射型接地体通过雷电流时，沿接地体长度方向各点上的电位差别很大，因此引起周围土壤电离的长度很有限，而当放射型接地体的长度超过一定值后，对雷电流的泄放所起的作用将非常小；另外，雷电流在通过接地装置向大地流散过程中会发生一系列复杂的过渡过程，在该过程中的每一时刻接地装置所呈现的冲击接地电阻都存在差异，而且呈现的最大冲击接地电阻有可能并不是雷电流到达幅值的时刻。同时由于雷电流的陡度，即di/dt 很大，因此当雷电流经接地装置向大地散流时，在接地装置接地阻抗中感性分量上的压降不容忽视。对于射线式接地装置其本身的电感与其长度成正比，长度越长则其呈现的电感则越大，因此射线式接地装置的冲击系数将随其长度的增加而增大。

有关的研究结果表明，接地装置的冲击特性主要与土壤电阻率、接地装置的几何形状及尺寸、雷电流的波形及幅值密切相关。

3 降低杆塔冲击接地电阻的基本原则

根据波过程理论，接地装置的冲击接地电阻ch R 是雷电波通过接地装置向大地流散时所遇到的

波阻抗，即C

L R ch

，因此要降低接地装置的冲击接地电阻，应该设法增加散流路径中的电容和

减小散流路径中的电感。

根据静电场理论，在电介质相同、极间距离相同的条件下，电容量与极板的面积成正比。为此，要增大接地装置与大地之间的电容，从而降低杆塔接地装置的冲击接地电阻，应该尽量增大接地装置与大地的接触面；而对于减小雷电流散流路径中的电感，我们所能做的是尽量减小接地装置本身的电感，为此，杆塔接地装置本身的形状不能是很长的射线式，而应该是环形的集中接地体。

图3.1是解广润著《电力系统接地技术》中所提供的一组不同形状及尺寸的接地体在不同雷电流幅值下的冲击系数曲线。

图3.1 不同形状接地体的冲击系数曲线

从图 3.1中可看出，在土壤电阻率确定后，接地装置的冲击接地电阻与其几何形状及尺寸有密切关系。例如在土壤电阻率为500Ω·m、雷电流为40kA的条件下，长40m的水平接地体其冲击系数接近1，而直径为12m（周长37.7m）的环形接地体的冲击系数约0.5。由此可见，在土壤电阻率相同、所测工频接地电阻相同的情况下，环形接地装置的冲击接地电阻明显要低于水平接地体的冲击接地电阻。

大量的实验室模拟试验结果也表明：在相同土壤电阻率的情况下，当各接地装置占地尺寸大致相同时，圆环型接地装置的冲击特性相对最优。

综上所述，可得出降低杆塔冲击接地电阻的基本原则为：采用圆环形集中接地装置，并尽量加大接地装置与大地之间的接触面，使雷电流能够快速顺畅地通过接地装置向大地泄放。

4 接地模块环形集中接地装置

4.1 接地模块环形集中接地装置的基本构造

在采用接地模块敷设线路杆塔的集中接地装置时，需要根据不同的土壤电阻率，在线路杆塔的周围φ15～φ20的环形地沟内一块接一块地埋设一圈接地模块，每基杆塔需用500×400mm长方形接地模块约85～114块，组成一个新的环形接地网并与杆塔的原接地网相互焊接。

4.2 接地模块环形集中接地装置的降阻原理及特点

根据前面的研究，要降低接地装置的冲击接地电阻，应该设法增加散流路径中的电容和减小散流路径中的电感。采用接地模块所构成的接地装置可大大增加与土壤之间的接触面，因而与射线式接地装置相比可增大接地装置与大地之间的电容、减小接地装置与土壤之间的接触电阻；同时由于采用的是集中环形接地方式，与射线式接地装置相比可大大减小接地装置本身的电感，从而使雷电

流向大地流散时所遇到的波阻抗比射线式接地装置大大减小。因此，采用接地模块环形集中接地方式不仅可降低线路接地装置的工频接地电阻，更主要的是能有效地降低接地装置的冲击系数，使接地装置的冲击接地电阻大幅降低。

接地模块中的主要材料是石墨，石墨是一种非金属材料，它具有很强的保湿性和吸湿性，其本身的稳定性、抗腐蚀性、导电性、抗老化性能良好。由于石墨对环境敏感度非常低，几乎不受外界因素的影响，所以接地模块的接地电阻值能够在相当长的时间内保持不变，这是传统接地材料无法比拟的。石墨的基本结构是碳，因此使用接地模块不会带来环境污染。

石墨本身的电阻率很低，高纯度石墨的电阻率<1Ω·m，但电阻率越低的石墨其价格就越高。用于输电线路杆塔接地装置的成品接地模块，其电阻率控制在<4Ω·m比较合适。

5 防雷接地改造实例

为了验证以上所述方法的有效性，对一条220kV输电线路工频接地电阻不合格的40基杆塔，主要采用接地模块环形集中接地方式进行了接地改造，改造工作于2005年底完成。该线路全长83.786km，绝大部分经过雷电活动频繁的山区，全线装有双避雷线。根据统计，该线路自2001～2003年共雷击跳闸7次。计算该线路在此期间的平均雷击跳闸率高达2.785次/百千米·年。该线路2001～2010年的雷击跳闸次数统计见表4-1，根据江西电网雷电定位系统所查询的该线路走廊1公里范围内的落雷密度见表4-2。从表4-1和表4-2可看出，在进行防雷接地改造后，虽然在该线路走廊内的雷电活动有明显增强的趋势，但该线路的雷击跳闸次数却明显下降，并在2008～2010年连续三年实现了零雷击跳闸，这充分说明对该条线路的防雷接地改造是非常成功的。

表4-1 被改线路历年雷击跳闸一览表

对该线路5基杆塔的工频接地电阻和冲击接地电阻进行了抽测，抽测情况见表4-3。测试结果表明：经采用接地模块环形集中接地方式进行改造后的杆塔，其接地装置的工频接地电阻明显下降，而且接地装置的冲击系数＜0.5。而随机抽测的一基地处水田中未经接地改造的杆塔，其接地装置的冲击系数为1.9658。

表4-3 杆塔冲击接地电阻测试抽测情况（采用0.618法，电流线长100米。）

6 结论

1）降低高压输电线路雷击跳闸率的主要措施之一是降低线路杆塔接地装置的冲击接地电阻。