根據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計表明，在我國跳閘率較高地區(qū)的高壓線路運(yùn)行總跳閘次數(shù)中因雷擊引起的事故次數(shù)占40%～70%。同時對雷擊輸電線路桿塔進(jìn)行分析，降低桿塔接地裝置的接地電阻，無疑是降低輸電線路故障的一個有效途徑。

遵循這一思路，在設(shè)計輸電線路桿塔地網(wǎng)時，主要指標(biāo)為接地電阻。根據(jù)桿塔所處的不同土壤電阻率，選取不同的接地電阻值。但是土壤會隨溫度、濕度、含離子量等不同變化，接地電阻并不穩(wěn)定，有時會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，最終造成雷擊事故的發(fā)生。現(xiàn)以四川省甘孜州九龍縣某220kV線路12基桿塔接地網(wǎng)的改造為案例，提出一種降低桿塔地網(wǎng)接地電阻、地電位和接觸電壓的方法，為輸電線路桿塔接地設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本線路位于四川省甘孜州九龍縣，起于某水電站，止于九龍500kV變電站，同塔雙回路架設(shè)，線路全長9.473km。同時該線路還承擔(dān)了其他兩水電站的電力送出任務(wù)，線路重要性高。全線海拔高程在1988～2688m之間；為高山大嶺和峽谷地形；沿線工程地質(zhì)主要為半堅硬、堅硬巖類和松散巖類工程地質(zhì)區(qū)；線路區(qū)域內(nèi)年平均雷暴日為70天。

線路于2006年開始設(shè)計，導(dǎo)線型號為LGJ-500/45，架設(shè)雙底線，其中一根地線為OPGW光纜復(fù)合地線，另一根分區(qū)段分別采用LBGJ-100-30AC及GJ-80地線。線路于2008年中旬建成投運(yùn)，在2009年7月30日以及9月28日兩次出現(xiàn)雷擊跳閘。根據(jù)對線路地理情況和雷擊事故的分析，初步判定為桿塔接地網(wǎng)電阻偏高所致。

2 現(xiàn)場信息收集

2009年11月對該線路每基桿塔處土壤電阻率和接地電阻進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)有12基桿塔地網(wǎng)電阻不滿足設(shè)計要求。測試時，將塔腿處斷接卡與接地網(wǎng)斷開進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表1。

表1 各基桿塔土壤電阻率和接地電阻測試值

3 接地解決方案技術(shù)分析

對現(xiàn)場踏勘后，查閱了以上12基桿塔的接地型式以及接地材料，提出以下三種解決方案。

方案1：將原地網(wǎng)圓鋼找出來，在其周圍澆灌降阻劑；

方案2：在原地網(wǎng)水平射線末端繼續(xù)增加水平射線，其增加的長度需滿足雷電流有效泄流長度，并增加一定數(shù)量的接地模塊；

方案3：采用新接地技術(shù)——降阻劑多層施工方法和增加水平射線、抑制環(huán)的接地技術(shù)。

3.1 方案1分析

由于塔基周圍幾乎是石頭，大部分桿塔地處懸崖或邊坡，在塔基基礎(chǔ)建設(shè)時部分采用微爆破的方式。地網(wǎng)埋于土中已經(jīng)幾年，大面積開挖查找較困難，同時正處于冬季，部分塔基周圍附近崖巖可見冰柱和冰塊，將原地網(wǎng)完全挖出來不現(xiàn)實，故此方案不可取。

3.2 方案2分析

以N8為例，本基桿塔地網(wǎng)原設(shè)計見圖1，水平環(huán)形邊長為14m，水平射線長度為30m，我們做以下分析。

圖1　原地網(wǎng)示意圖

圖2　方案3示意圖

根據(jù)雷電流的沖擊特性，接地極存在有效泄流長度，水平射線有效泄流長度L≤2ρ0.5=92 m (ρ為地網(wǎng)所處的土壤電阻率，實測值為2132W.m)，故單根外延射線長度還可外延92-30=62 m。如增加接地模塊，需要增加20個接地模塊才能將接地電阻降低至設(shè)計要求。

但現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，本塔基處于邊坡傾斜地帶，周圍為村民的房子，且有村民開墾的梯田式土地，不能隨便破壞。水平射線增加太長受場地限制，其他塔基也存在類似問題。故建議單條水平射線增加的長度控制在10米以內(nèi)，此種方法不是最優(yōu)的改造方案。

3.3 方案3分析

結(jié)合項目特點，提出了方案3的解決思路：降阻劑多層施工方法和增加水平射線、抑制環(huán)的接地技術(shù)（圖2）。確保改造后地網(wǎng)接地電阻滿足設(shè)計要求，同時不影響周圍村民的生產(chǎn)、生活。

3.3.1 降阻劑多層施工方法

目前國內(nèi)外常用的降低接地電阻的方法是在接地極周圍使用低電阻物質(zhì)——降阻劑，國內(nèi)外文獻(xiàn)對其研究非常深入，降阻劑是一種非常經(jīng)濟(jì)、有效的降阻材料。傳統(tǒng)降阻劑的施工方法如圖3，降阻劑和水按照重量比2:1的比例調(diào)成漿狀后澆灌于接地極周圍，包裹直徑約為100mm。傳統(tǒng)的降阻劑施工方法存在以下幾個方面的問題：

（1）僅對接地極溝底極少部分土壤的環(huán)境進(jìn)行改變；

（2）在高山上，施工取水不方便。

所以我們做了以下設(shè)計（圖4），直接包裹熱鍍鋅圓鋼內(nèi)層的降阻劑采用在生產(chǎn)廠已預(yù)制成膏狀（降阻劑和水按比例調(diào)和后包裝成形，原料配比做適當(dāng)調(diào)整）的降阻劑，外層采用干粉降阻劑均勻倒入接地溝底部和溝壁，并回填素土夯實。整個施工過程無需水源，施工便捷。

在多個實驗場地進(jìn)行了傳統(tǒng)施工方法和多層施工方法的對比實驗，8米?10熱鍍鋅圓鋼，同等重量的降阻劑，分別按照圖3、圖4的施工方法，并記錄數(shù)據(jù)（表2）。當(dāng)土壤電阻率ρ>500?.m，采用多層施工方法后接地電阻降低越顯著，多層施工方法可在傳統(tǒng)施工方法上降低16.5%-48.3%。

圖3 降阻劑施工剖面圖

圖4 降阻劑多層施工方法

表2 實驗數(shù)據(jù)記錄

3.3.2 地網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常輸電線路桿塔地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要分為三種：水平環(huán)形、水平環(huán)形兼水平射線、帶接地模塊或角鋼的水平環(huán)形兼水平射線地網(wǎng)。設(shè)計時主要考慮降低地網(wǎng)接地電阻來降低雷擊的跳閘事故，從地網(wǎng)結(jié)構(gòu)上考慮降低地網(wǎng)的地電位升，從而降低接觸電壓和跨步電壓思考相對較少。認(rèn)為輸電桿塔一般建在山區(qū)，周圍人畜較少。同時滿足以下幾點人畜才會發(fā)生觸電事故：

(1) 線路發(fā)生故障；

(2) 桿塔附近產(chǎn)生電位分布；

(3) 人又恰好進(jìn)入桿塔附近危險電位分布范圍內(nèi)；

(4) 通過人體的電流等于或大于人體允許通過的安全電流；

但是作為設(shè)計工作者，我們需要考慮更多問題，使設(shè)計在符合規(guī)范要求的情況下，做更多的創(chuàng)新和優(yōu)化，使地網(wǎng)更合理、更安全。

以N8為例，根據(jù)理論推算，并采用3.3.1所述的降阻劑多層施工方法，還需在原地網(wǎng)每條水平射線上增加8米水平接地極才能將接地電阻降低至設(shè)計要求，用CDEGS軟件對其進(jìn)行模擬。

原地網(wǎng)采用?10熱鍍鋅圓鋼，增加的水平射線周圍包裹100mm降阻劑，地網(wǎng)注入電流I=10kA，輸出圖5、圖6。地網(wǎng)的地電位最大值發(fā)生在水平環(huán)形網(wǎng)四角和水平射線端部，接觸電壓最大值發(fā)生在水平射線端部，可見水平射線端部是最不安全的。

圖5 地電位升示意圖

圖6 接觸電壓示意圖

為了降低水平射線端部的地電位，對增加的8米水平射線進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變，總長度不變，將其端部做成直徑為0.6m的圓環(huán)，見示意圖2。用CDEGS進(jìn)行模擬，輸出圖7、圖8。從圖中可以計算，采用了抑制環(huán)后，與以上設(shè)計相比地電位降低了5.91%，接觸電壓降低了12.8%。

地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，發(fā)生雷電故障時，人畜經(jīng)過桿塔更安全。故此方式在輸電線路桿塔地網(wǎng)設(shè)計中可采納，施工便利，地網(wǎng)更安全。同時可以以8米水平射線、降阻劑、水平射線末端一個抑制環(huán)為一個組合體進(jìn)行設(shè)計，減少設(shè)計的復(fù)雜性。

圖7 地電位示意圖

圖8 接觸電壓示意圖

3 工程實施情況

通過以上分析，比較了三種方案，方案3更合理，更具有可實施性和安全性。故對本條線路12基桿塔地網(wǎng)均采用方案3的方法，以8米水平射線、降阻劑、水平射線末端一個抑制環(huán)為一個組合體，將其布置在每基桿塔每條水平射線末端。

根據(jù)桿塔原地網(wǎng)接地電阻、土壤電阻率、改造后最終接地電阻值等因素確定增加組合體的數(shù)量，理論計算后，每基桿塔地網(wǎng)每條水平射線端部增加組合體的數(shù)量為1-2組。改造后實測每基桿塔接地電阻值，均達(dá)到設(shè)計要求，而且效果較明顯，具體測試數(shù)據(jù)見表3。該條線路經(jīng)本次改造后，到目前為止，沒有出現(xiàn)一次雷擊事故。

表3　改造后接地電阻實測值

4 結(jié)論

(1)土壤電阻率越高，降阻越困難，如果接地電阻不滿足設(shè)計要求，線路桿塔更易遭受雷擊事故。

(2)在接地極長度相等，使用同等重量的降阻劑，采用多層施工方法與傳統(tǒng)的施工方法相比，多層施工方法比傳統(tǒng)施工方法的接地電阻降低16.5%～48.3%。

(3)在輸電線路桿塔設(shè)計中，由于地網(wǎng)端部地電位升較大，在其末端增加抑制環(huán)，可有效降低地網(wǎng)的地電位升、接觸電壓，使地網(wǎng)更安全。這種地網(wǎng)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用到線路桿塔地網(wǎng)新建和改建的設(shè)計中。

本文編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“輸電線路桿塔接地設(shè)計”，作者為蘇秀蘭、凌歡 等。