洪水冲刷地区杆塔接地电阻对输电线路耐雷水平的影响研究

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(1. 新疆电力设计院, 乌鲁木齐 830002；2. 中原工学院, 郑州 450007；3. 郑州电力高等专科学校, 郑州 450004)

新疆输电线路多位于山前冲洪积平原区域，这种区域河流冲沟纵横，且河床切割较浅，每逢春季山上积雪融化以及夏季山区下暴雨时，部分地区便成了漫滩，对输电线路杆塔接地装置造成了不同程度的冲刷[1].图1为新疆某110 kV输电线路杆塔接地装置被季节性洪水冲刷的现状，根据现场实测可知，受洪水冲刷的杆塔，其接地电阻减小.目前输电线路设计中，路径选择多考虑当地规划和线路廊道拥挤的情况，未充分考虑输电线路微地形地貌对输电线路的影响.本文分析了风车型接地装置接地电阻的计算模型和输电线路耐雷水平的计算模型，并通过计算得出了杆塔接地电阻与输电线路耐雷水平的关系，对洪水冲刷地区接地装置的设计及运行维护具有一定的参考价值.

图1 接地装置中水平接地体被冲刷的情况

1 风车型接地装置的接地电阻计算方法

风车型接地装置是常用的一种传统输电线路杆塔接地接地型式[2]，如图2所示.接地装置由接地引下线和水平接地体组成，引下线与铁塔的连接处采用热镀锌扁铁材料，接地引下线采用圆钢材料，所有杆塔均逐基逐腿接地.水平接地体采用方环加放射线型式，材料采用圆钢，水平接地体埋设深度根据地形地貌的不同而不同.

图2 风车型接地装置冲刷情况示意图

本文采用风车型接地装置接地电阻的计算方法进行计算分析[2].

(1)

式中：ρ为土壤电阻率(Ω·m)；l为水平接地体的总长度(m)；d为水平接地体的直径(m)；t为水平接地体的埋设深度(m)；D为单根接地体正方形部分边长(m)；lb为单根接地体射线部分长度(m).

2 输电线路耐雷水平计算方法

当线路中有避雷线(又称地线)时，雷击线路的情况有2种：雷绕过避雷线而击于杆塔 (塔顶)和雷击避雷线档距中央.由经验可知，雷击避雷线的档距中央且避雷线与导线发生闪络引起跳闸的情况极少发生，可不予考虑[3]，本文只分析雷击杆塔(塔顶)时线路的耐雷水平.

雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上感应正电荷；当雷击塔顶时，雷电通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正电荷迅速中和形成雷电流，雷电流分布如图3(a)所示.由图3(a)可知，在雷击瞬间，自雷击点(即塔顶)有1个负雷电流波i沿杆塔向下运动，另有2个相同的负电流波ib/2分别自塔顶沿两侧避雷线向相邻杆塔运动，与此同时，自塔顶有1个正雷电波igt沿雷电通道向上运动，此正雷电流波的数值与3个负电流波之和相等，线路绝缘上的过电压即由这几个电流波引起[4].对于一般高度的杆塔，在工程上常用集中参数等值电路进行分析计算，等值电路如图3(b)所示.

图3 雷击塔顶时雷电流的分布及等值电路图

图3中：Lgt为杆塔的等值电感；Rch为被击杆塔的冲击接地电阻；Lb为杆塔两侧一个档距内避雷线电感并联值；i为雷电流.

不同类型杆塔的等值电感Lgt可由表1查出.单根避雷线的等值电感Lb约为0.67l(l为档距长度(m))，双根避雷线Lb约为0.42l.

表1 不同类型杆塔的电感

2.1 横担高度处杆塔电位幅值Ugh

考虑到雷击点的阻抗较低，故在计算中可略去雷电通道波阻的影响[4].由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流igt小于雷电流i，即igt=βi，则塔顶电位Ugt为：

(2)

式中：β为分流系数.

杆塔横担高度处的电位为：

(3)

式中：hh为杆塔横担对地高度(杆塔呼高)，单位为m；hg为杆塔对地高度(杆塔全高)，单位为m.

(4)

2.2 导线上的电位幅值Ud

对于220 kV及以下的线路，工频电压对线路耐雷水平影响不大，计算时可以忽略[5].雷击塔顶时导线上的电位包括2个分量[4]：①塔顶电位为Ugt时由避雷线与导线的耦合作用产生的耦合分量Uep=kUgt，其中k为电晕影响后的耦合系数，此电压与雷电流同极性；②雷电放电先导通道产生的电磁场通过场线耦合至导线上的感应过电压分量Ugy，此电压与雷电流异极性.则导线上的电位幅值Ud为

(5)

式中：k为电晕后两导线之间耦合系数；α为雷击杆塔时感应过电压系数；hd为导线平均高度(单位为m)；k0为导线与避雷线间的几何耦合系数；hb为避雷线平均高度(单位为m).

2.3 绝缘子串上的电压幅值Uj

线路绝缘子串上电压为杆塔横担高度处电位和导线电位之差，故线路绝缘子串上的电压幅值为

(6)

2.4 耐雷水平I

当电压Uj未超过线路绝缘水平U50%时，导线与杆塔之间不会发生闪络，由此可得出雷击杆塔时线路的耐雷水平I为

(7)

3 杆塔接地电阻对输电线路耐雷水平影响的实例计算分析

3.1 计算参数

新疆某接地装置受洪水冲刷的输电线路(110 kV)导线为LGJ-240/30型钢芯铝绞线，避雷线采用GJ-50型钢绞线，导线悬垂绝缘子串长度为1.7 m，地线悬垂绝缘子串长度为0.3 m，绝缘子50%电压为550 kV，杆塔呼高为24 m，土壤电阻率为800 Ω·m，单根接地体正方形部分边长为8 m, 水平接地体直径为0.12 m，水平接地体的埋设深度为0.6 m.

3.2 单根接地体射线部分长度对接地电阻的影响

根据公式(1)计算得到的接地电阻如表2所示，单根接地体射线部分长度与接地电阻的关系如图4所示.

表2 单根接地体射线部分长度和接地电阻

图4 单根接地体射线部分长度与接地电阻的关系

由表2和图4可知：随着单根接地体射线部分长度的增加，杆塔接地电阻则逐渐减小.

3.3 杆塔接地电阻对输电线路耐雷水平的影响

根据公式(7)计算得到的耐雷水平如表3所示，接地电阻与耐雷水平的关系如图5所示.

由表3和图5可知,随着杆塔接地电阻的增大，输电线路耐雷水平则逐渐降低.

综合分析可知，随着单根接地体射线部分长度的减小，输电线路耐雷水平则逐渐降低.

表3 接地电阻和耐雷水平

图5 接地电阻与耐雷水平的关系

4 冲刷地区输电线路杆塔接地装置的防护措施

4.1 工程设计阶段

地质勘探需根据水文、气象条件以及现场勘察提供合理的冲刷深度.根据此冲刷深度、余度以及工程投资对线路专业采取以下设计方案：

(1)采用传统接地型式，增加水平接地体的埋设深度.该方案避免了山洪对接地体的冲刷，可减小接地电阻，提高输电线路的耐雷水平.

(2)采用深埋式复合接地型式.将圆钢焊接成4个2.5 m×2.5 m的正方形，并将这4个正方形焊接在一起形成接地体.基础施工完成后，将接地体置于基础底台上面，接地体尺寸可根据基础大小适当调整.这样既增加了接地体的埋设深度又可以减少接地体敷设的土石开挖量.

(3)采用水平加垂直接地体的接地型式.垂直接地体敷设深度较深，不易被洪水冲刷.

4.2 运行维护阶段

春季是积雪集中融化的季节，而夏季又是雷雨频发的季节，这两个季节易出现山洪暴发，输电线路接地装置易遭洪水冲刷而裸露在外.所以在这两个季节要加大对输电线路接地装置的巡查力度，发现问题要及时处理，处理完毕后要对接地电阻进行测试，直至达到设计要求为止[6-7].

5 结 语

当洪水冲刷接地装置，使水平接地体的单根接地体射线部分长度减小时，会造成整条输电线路的耐雷水平降低，可从设计阶段及运行维护阶段采取措施减少洪水冲刷接地装置的发生，提高输电线路的耐雷水平.

参考文献:

[1] 焦玉红，陈虎.浅论输电线杆塔冲刷深度的确定[J]. 新疆电力，2005，24(5): 33-34.

[2] 国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册(第二版)[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3] 邵俊楠，王燕，李轶. 风速对500 kV输电线路绕击性能的影响分析[J].中原工学院学报，2010，21(3)：72-75.

[4] 屠志健，张一尘.电气绝缘与过电压(第二版)[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5] 邵俊楠，王燕，黄广龙.工频电压对输电线路耐雷水平的影响分析[J].中原工学院学报，2012，23(3)：62-65.

[6] 韩富春，刘亚新，贾雷亮，等.老旧架空输电线路运行状态评估标准的研究[J].山西电力，2005，21(6)：23-24.

[7] 张云都，蒲晓羽. 输电线路接地网存在的问题及改造措施[J].电力建设，2005，26(3)：34-35.