輸電桿塔的接地改造及防雷設計


1、引言

送電線路桿塔的接地對送電線路的防雷至關重要，特別是對送電線路的耐雷水平影響較大。但是位于山區的送電線路，由于土壤電阻率高、地形、地勢復雜，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回線路位于山區的桿塔有許多接地電阻偏高，有的甚至高達100多歐，結果這兩回線路在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，由于位于山區的桿塔接地電阻偏高，每年都有雷害事故發生，經查發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行深入的調查還發現，經常駐發生雷害事故的線路段，一般都是若干基桿塔接地電阻連續偏高，或有大跨越、大檔距存在。這是因為在這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行調查發現引起桿塔接地電阻偏高的原因有多個方面，即有客觀原因，又有運行維護方面的問題，歸納起來主要有以下幾個方面的原因：

2.1 地質、地勢復雜，特別是山區主要是土壤電阻率偏高，據我們調查北方山區的土壤電阻率一般在1300Ωm-3000Ωm，南方山區的土壤電阻率有的甚至高達5000-10000Ωm，且有的山區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，而大地導電基本上是靠離子導電、而各類無機鹽類只有在有水的情況下，才能離解為導電的金屬離子，所以干燥的土壤導電能力是非常差的，這是山區或北方干旱地區桿塔接地電阻偏高的主要原因。

2.2 設計施工方面的原因

山區由于地形復雜，土壤不均勻，土壤電阻變化較大，在設計桿塔的接地時需要實地進行認真的勘探，結合實際情況進行認真的設計。但是對實際工程進行調查時發現在設計方面存在一些問題，既設計時有些不到現場進行土壤電阻率測式，不到現場進行地形，地勢和地質勘探，根據實際做出符合現場條件的設計，而是對相當大的范圍取一平均電阻率。或者套用典型的設計圖紙，對接地電阻不進行計算，結果設計與現場實際不符。在施工時由于接地工程是屬于隱蔽工程，工程技術監督也存在著不到位的現象，不能嚴格的按圖施工，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。如在工程驗收時不嚴格按進行測試，會使這些隱患一直得不到消除，直到線路投運。

2.3運行維護方面的原因。

有些桿塔在初建成時是合格的，但是隨著運行時間的推移，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，特別是在山區酸性土壤中，或風化后土壤中，最容易發生電化學腐蝕和吸氧腐蝕，最容易發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腐蝕。有時會發生因腐蝕斷裂而使桿塔“失地”的現象。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）在施工時使用化學降阻劑，或性能不穩定的降阻劑，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，由于避雷線與導線的電磁耦合作用，在導線上將出現耦合電位KUp，K為耦合系數，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，在導線上還會出現幅值為 的感應過電壓，當雷電流達到幅值時，感應雷電壓也達到最大，即
（2）
此時，導線電位等于其耦合電位與感應雷電壓之和：
（3）
式中K0為導線對避雷線的幾何耦合系數；hs為避雷線的平均高度，m；hc為導線對地平均高度，m；a為感應過電壓系數，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與導線電位Uc之差，即
（4）
式中，ha為導線高度，m；β為桿塔分流系數，即桿塔電流與雷電流之比值， 。

當Um隨著雷電流的增大而增大，當Um超過絕緣子的50%沖擊放電電壓U50%時，絕緣子將發生擊穿放電，即“反擊”。“反擊”除了直接與雷電流的大小有關外，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。因為這三基桿塔接地電阻連續超標，相鄰又是大跨越大檔距，當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，當雷電流大到一定程度，勢必會發生“反擊”事故。

4、關于降阻措施的探討

對于接地電阻超標的桿塔進行降阻改造是提高線路耐雷水平保證線路安全運行的重要措施。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考慮以下幾方面的問題。

3.1 關于水平接地體。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。對于水平接地體應根據現場的地形、地勢、沿桿塔四周向外放射水平射線為主，要充分利和現場地形和地質，比如山巖裂縫等結合使用降阻劑進行降阻處理。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，并結合防水墻進行防護。水平接地體的埋深要盡可能的達到0.8m以下。在北方要埋設在凍土層以下。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合現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。

3.2 關于垂直接地體。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結構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結構時，再使用豎井法降阻是不經濟的。再說雷電流屬于高頻電流具有很強的趨膚性。雷電流一般沿表層土壤散流，深層土壤并不散流。所以在一般的地質結構使用深井式接地極，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，一般設置在水平接地體的頂點，或水平接地體中間容易打入的位置。
3.3 關于降阻劑的使用。大量的工程實踐證明，使用降阻劑對降低桿塔接地電阻是非常有效的。因為桿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揮。但在實際工程上也發生了一些問題，主要是：
（1）降阻劑的穩定性問題，有些降阻劑，特別是一些化學降阻劑，雖然短時期內具有很好的降阻效果，但其性能不穩，隨著降阻劑的滲透、擴散，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腐蝕性，能對鋼接地體構成較大的腐蝕，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計和施工體現出來的。關于降阻劑的用量要結合設計進行認真的接地電阻計算，如XS128長效物理降阻劑就給定了降阻系數和用量的關系，設計時應根據具體的工程要求和土壤電阻率進行計算。降阻劑及水平妝地體要埋設在凍土層以下，埋深最好能達到0.6m以下，回填土要用細土回填，并分層夯實，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均勻的包裹在降阻劑中間，不允許有脫節，或接地體外露的現象，因為這樣會造成腐蝕電位差不同，引起電化學腐蝕，這已為大量的工程實踐所證實。如河南南陽電業局發現在線路桿塔接地中均勻包裹在降阻劑內的鋼接地體基本無腐蝕，而有脫節或因降阻劑施加不勻，使接地體外露的，則發生了嚴重的腐蝕。河南信陽有一基桿塔接地則因埋深不夠，又用碎石回填，結果造成了降阻劑失效和接地體腐蝕。
3.4 關于工程施工。因接地工程屬于隱蔽工程，所以在該工程中要對每一個環節進行全過程的認真的技術監督。對新建桿塔最好在桿塔基礎和拉線基礎施工時坑底，鋪設接地體和降阻劑進行降阻，這樣可收到事半功倍的效果。對改造降阻工程要結合現場有利地質、地勢做切合現場實際的設計，按要求進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。回填土要用細土回填，并分層夯實，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行防腐處理。
3.5 關于運行維護，對桿塔的接地裝置要定期進行維護和檢查，比如定期對接地引下線進行防腐處理，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行了勘探測試，發現越往深層，土壤電阻率越高，地下沒有可以利用的地質構造。在做了詳細的勘探和調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，結合地形和土質情況做放射分支線，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，保水性好。膠質價高，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墻，對回填土用細土回填，并分層夯實，上部植草和灌木進行水土保持。
5）對桿塔接接引下線直到地下與水平接地體連接處，刷瀝清漆進行保護，防止因腐蝕電位不同引起的電化學腐蝕。

這三基塔經改造后接地電阻分別從70Ω、85Ω，大于100Ω降到6.5Ω、9Ω和12Ω，1年后降到并穩定到5Ω、7.5Ω和8.5Ω。
該線路從1998年3月改造后至今已經過5年多的運行，特別是經過1999年和2000年夏季的強雷電流活動，至今未發生一起雷擊跳閘事故，主要是因為降低了接地電阻，有效地防止了反擊過電壓，提高了線路的耐雷水平。

6、結束語

送電線路桿塔的接地降阻處理因主要目的是防雷，所以應以降低沖擊接地電阻為主，那么所有的降阻措施都應圍繞這個目的進行，不宜采用特長的外延接地和較深的深井接地。但可以結合現場地形用放射形接地，深埋接地體和采用適當的降阻劑的方法進行降阻。對具體的工程要做具體的技術經濟分析，做出切合實際的設計，并進行精心的施工，加強運行維護，才能收到理想的防雷效果。