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。
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,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。
2009年11月對該線路每基桿塔處土壤電阻率和接地電阻進行測試,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
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)外文獻對其研究非常深入,降阻劑是一種非常經(jīng)濟、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
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
(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。