输电杆塔的接地改造及防雷设计


1、引言

送电线路杆塔的接地对送电线路的防雷至关重要，特别是对送电线路的耐雷水平影响较大。但是位于山区的送电线路，由于土壤电阻率高、地形、地势复杂，交通不便，施工难度大，杆塔接地电阻普通偏高。如广西500KV天平Ⅰ、Ⅱ回线路位于山区的杆塔有许多接地电阻偏高，有的甚至高达100多欧，结果这两回线路在1998年接地改造之前雷击跳闸率居高不下。再如辽宁本溪溪湖60KV线路，由于位于山区的杆塔接地电阻偏高，每年都有雷害事故发生，经查发生雷害事故的杆塔均为接地电阻偏高的杆塔。还有河南110KV平宝线、110KV信李线，发生雷害事故的杆塔也都是接地电阻偏高的杆塔。对送电线路雷害事故进行深入的调查还发现，经常驻发生雷害事故的线路段，一般都是若干基杆塔接地电阻连续偏高，或有大跨越、大档距存在。这是因为在这些地段一旦杆塔遭受雷击相邻杆塔不能有效分流，而被击杆塔流过大部分的雷电流，由于接地电阻较高造成了较多的塔顶电位，一旦绝缘子串两端的电位差大于绝缘子中的50%冲击放电电压时，绝缘子发生击穿——即“反击”所致。

2、送电线路杆塔接地电阻偏高的原因分析。

对送电线路杆塔接地电阻偏高的原因进行调查发现引起杆塔接地电阻偏高的原因有多个方面，即有客观原因，又有运行维护方面的问题，归纳起来主要有以下几个方面的原因：

2.1 地质、地势复杂，特别是山区主要是土壤电阻率偏高，据我们调查北方山区的土壤电阻率一般在1300Ωm-3000Ωm，南方山区的土壤电阻率有的甚至高达5000-10000Ωm，且有的山区土层较薄或根本没有土壤，基本上全为岩石，交通不便。接地施工难度大。还有在北方土壤干燥，而大地导电基本上是靠离子导电、而各类无机盐类只有在有水的情况下，才能离解为导电的金属离子，所以干燥的土壤导电能力是非常差的，这是山区或北方干旱地区杆塔接地电阻偏高的主要原因。

2.2 设计施工方面的原因

山区由于地形复杂，土壤不均匀，土壤电阻变化较大，在设计杆塔的接地时需要实地进行认真的勘探，结合实际情况进行认真的设计。但是对实际工程进行调查时发现在设计方面存在一些问题，既设计时有些不到现场进行土壤电阻率测式，不到现场进行地形，地势和地质勘探，根据实际做出符合现场条件的设计，而是对相当大的范围取一平均电阻率。或者套用典型的设计图纸，对接地电阻不进行计算，结果设计与现场实际不符。在施工时由于接地工程是属于隐蔽工程，工程技术监督也存在着不到位的现象，不能严格的按图施工，如接地体的长度，埋深及焊接和回填土不符要求的存在较为普遍。造成线路施工后，存在有大量杆塔接地电阻超标。如在工程验收时不严格按进行测试，会使这些隐患一直得不到消除，直到线路投运。

2.3运行维护方面的原因。

有些杆塔在初建成时是合格的，但是随着运行时间的推移，杆塔接地电阻会越来越大，这主要有以下一些原因：

1）接地体的腐蚀，特别是在山区酸性土壤中，或风化后土壤中，最容易发生电化学腐蚀和吸氧腐蚀，最容易发生腐蚀的部位是接地引下线与水平接地体的连接处，由腐蚀电位差不同引起的电化学腐蚀。有时会发生因腐蚀断裂而使杆塔“失地”的现象。还有就是接地体的埋深不够，或用碎石、砂子回填，土壤中含氧量高，使接地体容易发生吸氧腐蚀，由于腐蚀使接地体与周围土壤之间的接触电阻变大，甚至使接地体在焊接头处断裂，导致杆塔接地电阻变大，或失去接地。
2）在山坡坡带由于雨水的冲刷使水土流失而使接地体外露失去与大地的接触。
3）在施工时使用化学降阻剂，或性能不稳定的降阻剂，随着时间的推移降阻剂的降阻成分流失或失效后使接地电阻增大。
4）外力破坏，杆塔接地引下线或接地体被盗或外力破坏。

3、雷击塔杆事故的分析

当杆塔接地电阻高，两边为大跨越时，由于避雷线的电感大，相邻杆塔的分流小，所以当雷击塔顶时，塔顶电位为：
（1）
式中Up为塔顶电位，V；Rch为杆塔冲击接地电阻，Ω；it为流过被击杆塔的入地电流，A；Lt为杆塔的等值电感，H。

当塔顶电位为Up时，与之相连的避雷线也有相同的电位Up，由于避雷线与导线的电磁耦合作用，在导线上将出现耦合电位KUp，K为耦合系数，耦合电位的极性与雷电流相同。此处由于雷击时，空间电磁场的突然变化，在导线上还会出现幅值为 的感应过电压，当雷电流达到幅值时，感应雷电压也达到最大，即
（2）
此时，导线电位等于其耦合电位与感应雷电压之和：
（3）
式中K0为导线对避雷线的几何耦合系数；hs为避雷线的平均高度，m；hc为导线对地平均高度，m；a为感应过电压系数，KV/m；t为时间，s；If为雷电流波头时间，μs。
此时作用在绝缘子串电压Um为杆塔塔顶电位Up与导线电位Uc之差，即
（4）
式中，ha为导线高度，m；β为杆塔分流系数，即杆塔电流与雷电流之比值， 。

当Um随着雷电流的增大而增大，当Um超过绝缘子的50%冲击放电电压U50%时，绝缘子将发生击穿放电，即“反击”。“反击”除了直接与雷电流的大小有关外，还与杆塔电感、杆塔冲击接地电阻和相邻杆塔的冲击接地电阻以及相邻档距的大小直接相关。因为这三基杆塔接地电阻连续超标，相邻又是大跨越大档距，当这三基杆塔任何一基遭受直击雷时，相邻杆塔不能有效分流，当雷电流大到一定程度，势必会发生“反击”事故。

4、关于降阻措施的探讨

对于接地电阻超标的杆塔进行降阻改造是提高线路耐雷水平保证线路安全运行的重要措施。但对输电线路来说，由于降阻主要是出于防雷的需要，所以对降阻措施又有明确的要求，即以降低杆塔冲接接地电阻为主要目的。所以对杆塔降阻措施应考虑以下几方面的问题。

3.1 关于水平接地体。既然是为了降低冲击接地电阻，那么就不能向发电厂、变电所降低工频接地电阻那样，有那么大的范围可以外延水平接地体，而是对接地体的长度有一定的要求，这主要是出于如水平接地体过长，由于电感的影响，对降低冲击接地电阻无效的考虑。对于水平接地体应根据现场的地形、地势、沿杆塔四周向外放射水平射线为主，要充分利和现场地形和地质，比如山岩裂缝等结合使用降阻剂进行降阻处理。为防止雨水冲刷，水平接地体能沿等高线布置的要尽量的沿等高线布置，并结合防水墙进行防护。水平接地体的埋深要尽可能的达到0.8m以下。在北方要埋设在冻土层以下。比如前述110KV信李线、110KV平宝线和辽宁本溪60KV溪湖线的杆塔降阻改造都是结合现场的有利地形使用降阻剂把拉地电阻都降低到合格范围以内。

3.2 关于垂直接地体。垂直接地体是线路杆塔接地的常用措施，但位于山区的线路由于石头多，特别是位于岩石地带的杆塔，垂直接地极的施工是不容易的，这时可结合岩石裂缝使用垂直接地极。在地下有金属矿，或地下有低电阻率的地质结构时可采用竖井式接地降阻法。但如地下没有较低电阻率的地质结构时，再使用竖井法降阻是不经济的。再说雷电流属于高频电流具有很强的趋肤性。雷电流一般沿表层土壤散流，深层土壤并不散流。所以在一般的地质结构使用深井式接地极，对降低冲击接地电阻效果并不大。所以对杆塔接地的接地体应以水平接地体为主，以垂直接地体为辅，垂直接地体的长度以1.5-2m为宜，一般设置在水平接地体的顶点，或水平接地体中间容易打入的位置。
3.3 关于降阻剂的使用。大量的工程实践证明，使用降阻剂对降低杆塔接地电阻是非常有效的。因为杆塔接地是属于中小型接地装置、降阻剂的降阻效果能得到充分发挥。但在实际工程上也发生了一些问题，主要是：
（1）降阻剂的稳定性问题，有些降阻剂，特别是一些化学降阻剂，虽然短时期内具有很好的降阻效果，但其性能不稳，随着降阻剂的渗透、扩散，特别是随着雨水的流失其降阻效果容易失效；
（2）降阻剂的腐蚀性问题，有些降阻剂具有很强腐蚀性，能对钢接地体构成较大的腐蚀，如广东某电厂使用的某型号的降阻剂后不到5年接地体就全部腐蚀烂掉，还对其地下相邻的消防水管系统造成了较大的腐蚀；
（3）降阻效果问题，降阻剂的降阻效果主要由降阻剂本身的电阻率、保水性、渗透和扩散作用决定的。所以在降阻剂的选用上，一定要注意选用降阻性能好，对钢接地体低腐蚀，性能稳定、寿命长、保水性好，不易随水土流失的降阻剂。
无论什么型号的降阻剂的降阻效果都是通过一定的设计和施工体现出来的。关于降阻剂的用量要结合设计进行认真的接地电阻计算，如XS128长效物理降阻剂就给定了降阻系数和用量的关系，设计时应根据具体的工程要求和土壤电阻率进行计算。降阻剂及水平妆地体要埋设在冻土层以下，埋深最好能达到0.6m以下，回填土要用细土回填，并分层夯实，不可用砂子和碎石回填。因降阻剂大多具有比土壤高的腐蚀电位所以对所有的接地体都应均匀的包裹在降阻剂中间，不允许有脱节，或接地体外露的现象，因为这样会造成腐蚀电位差不同，引起电化学腐蚀，这已为大量的工程实践所证实。如河南南阳电业局发现在线路杆塔接地中均匀包裹在降阻剂内的钢接地体基本无腐蚀，而有脱节或因降阻剂施加不匀，使接地体外露的，则发生了严重的腐蚀。河南信阳有一基杆塔接地则因埋深不够，又用碎石回填，结果造成了降阻剂失效和接地体腐蚀。
3.4 关于工程施工。因接地工程属于隐蔽工程，所以在该工程中要对每一个环节进行全过程的认真的技术监督。对新建杆塔最好在杆塔基础和拉线基础施工时坑底，铺设接地体和降阻剂进行降阻，这样可收到事半功倍的效果。对改造降阻工程要结合现场有利地质、地势做切合现场实际的设计，按要求进行水平接地和垂直接地体的施工。要特别注意水平接地体的埋深，焊接要合格。回填土要用细土回填，并分层夯实，对接地引下线的各连接头要做防腐处理，对接地引下线直到与水平接地体连接处要刷沥清漆和防腐漆进行防腐处理。
3.5 关于运行维护，对杆塔的接地装置要定期进行维护和检查，比如定期对接地引下线进行防腐处理，定期测试杆塔接地电阻和回路电阻，定期检查接地体有无冲刷和外力破坏等。
5、杆塔接地改造实例

1998年春天，为了提高该线路的耐雷水平，防止雷害事故，我们决定对位于振雷山上的三基杆塔的接地进行彻底的降阻改造。首先我们对这三杆塔所在位置及周边山坡进行了土壤电阻率的勘探测试。由于土壤电阻率在水平方向上为不平均分布，通过测试我们找出了土壤电阻率较低的位置。我们还对垂直方向的土壤电阻率进行了勘探测试，发现越往深层，土壤电阻率越高，地下没有可以利用的地质构造。在做了详细的勘探和调查后我们制定了如下改造措施。

1）沿土壤电阻率低又便于施工的地方做水平放射线，每基杆塔2-条，射线直线长度不大于100m，但在放射线中间，结合地形和土质情况做放射分支线，即做成树枝状的放射线。水平接地体埋深0.8m以下。
2）在岩缝及土层较厚的地方打入垂直接地极，或用炸药爆破后做深埋接地坑，在坑中用扁钢与非金属接地模块焊接做接地极。
3）对水平放射线和深埋接地坑接地体四周加XS128长效物理降阻剂，该降阻剂具有较好的降阻性能，自身电阻率为ρ=0.35Ω.m。吸水性强，保水性好。胶质价高，粘度大，不易随山水流失。对钢接地体具有很好的防腐保护作用。
4）对上下布置的放射线每隔一定距离用石块彻防水土流失保护墙，对回填土用细土回填，并分层夯实，上部植草和灌木进行水土保持。
5）对杆塔接接引下线直到地下与水平接地体连接处，刷沥清漆进行保护，防止因腐蚀电位不同引起的电化学腐蚀。

这三基塔经改造后接地电阻分别从70Ω、85Ω，大于100Ω降到6.5Ω、9Ω和12Ω，1年后降到并稳定到5Ω、7.5Ω和8.5Ω。
该线路从1998年3月改造后至今已经过5年多的运行，特别是经过1999年和2000年夏季的强雷电流活动，至今未发生一起雷击跳闸事故，主要是因为降低了接地电阻，有效地防止了反击过电压，提高了线路的耐雷水平。

6、结束语

送电线路杆塔的接地降阻处理因主要目的是防雷，所以应以降低冲击接地电阻为主，那么所有的降阻措施都应围绕这个目的进行，不宜采用特长的外延接地和较深的深井接地。但可以结合现场地形用放射形接地，深埋接地体和采用适当的降阻剂的方法进行降阻。对具体的工程要做具体的技术经济分析，做出切合实际的设计，并进行精心的施工，加强运行维护，才能收到理想的防雷效果。