特殊区域高压架空输电线路的跨步电压研究

郑智光，郭泉辉

（1.福建省电力勘测设计院，福建福州 350003；2.国网江西省电力公司江西南昌 330077）

0 引言

随着国民经济的增长，高压电力线路越来越多地出现在工业园区、城镇等人口活动较为密集的区域。当输电线路的故障电流或雷电流经接地装置流入大地时，会在杆塔附近产生电位升高，此时在接地极附近活动的人员两脚将处于大地表面的不同电位点上，从而承受一定的跨步电压。由于跨步电压超过某一数值时会导致人体的触电事故，因此，必须将线路杆塔附近的跨步电压严格限制在允许范围内。

受工程地形地貌的限制及线路运行的特殊性影响，以往高压电力线路的杆塔接地装置设计主要关注其防雷效果，而对于因线路故障引起的跨步电压超标引起的触电事故等安全问题研究，国内外均相对较少。

本文结合某已建500 kV线路位于特殊区域（如水田、居民区、工业园区及城市重要道路周围等）杆塔的接地装置设计情况，通过计算常见输电线路杆塔接地装置附近跨步电压值及其允许值，研究了线路接地故障时接地短路电流对人身的安全性影响程度，并对跨步电压存在超标可能的塔位提出改善措施。

1 跨步电压计算分析与评估

1.1 高压输电线路相关规程规范对跨步电压的要求

高压架空输电线路相关的现行规程规范中，对杆塔接地装置的要求主要侧重于防雷，相关条款侧重于对不同条件下的接地电阻要求，作为提高线路耐雷水平的一项十分重要的措施。对于特殊区域的杆塔接地体要求采用环形，没有如发电厂、变电站般规定跨步电压、接触电压的要求值。如：《110 kV-750 kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）第7.0.17条规定：“通过耕地的输电线路，其接地体应埋设在耕作深度以下。位于居民区和水田的接地体应敷设成环形。”；[1]《交流电气装置的接地设计规范》（GB50065-2011）第5.1.5条规定“在土壤电阻率ρ≤100Ω∙m的潮湿地区，可利用铁塔和钢筋混凝土杆自然接地。发电厂和变电站的进线段，应另设雷电保护接地装置。在居民区，当自然接地电阻符合要求时，可不设人工接地装置；居民区和水田中的接地装置，宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形。”[2]

1.2 杆塔跨步电压的计算分析原则

输电线路杆塔附近的跨步电压取决于杆塔附近地面的电位分布，与输电线路的故障情况、土壤电阻率以及接地装置的设计等因素密切相关。输电线路的故障通常有四种型式：两相短路、三相短路、单相接地短路和两相接地短路。由于三相短路和两相短路都不涉及到零序电流，而两相短路接地时故障电流的零序电流分量比单相接地时的小，且发生的次数比后者少得多，因此在研究跨步电压时，通常只考虑单相接地短路故障。

目前我国人民大多具有一定的文化知识，且通过多年的安全用电使用宣传后，雷雨天气时在农田耕种或在线路杆塔等易引雷电的高建筑物附近行走的人较少。经大量试验表明，由于雷电的时间非常短暂，且具有脉冲、高频的特性，人体对高频、脉冲的电压和电流耐受能力要比工频大得多，而关于人能承受雷电造成的跨步电压是多少伏，允许流过的电流是多少安，至今还没有得到明确的数据，因此，本文主要关注天气良好情况下线路杆塔单相接地电流造成的接触电压，特别是跨步电压的触电问题。

1.3 杆塔跨步电压的计算分析方法

首先计算出杆塔接地短路时的跨步电压允许值，再将接地短路时最大跨步电压值与之比较，检验其是否超标。

1.3.1 跨步电压允许值计算

对于短路点允许跨步电压的大小可用多种方法进行计算，但作为工程分析，通常采用《交流电气装置的接地设计规范》（GB50065-2011）第4.2.2条规定的关于发电厂和变电站接地网的均压要求的算法最为简便。其计算误差在5%以内，满足工程实际的要求。

110 kV以上的有效接地系统或者6～35 kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，接触电压和跨步电压不应超过以下数值：

式中，Us——跨步电压差允许值，V；

ρs——人脚站立处地表面土壤电阻率，Ω·m；

Cs——表层衰减系数，s；

ρ——下层土壤电阻率，Ω·m；

hs——表层高阻层厚度，m；

ts——接地故障电流持续时间，s。

1.3.2 跨步电压计算

发生接地短路时，接地网表面的最大跨步电位差可按下式计算：

式中，Usmax——最大跨步电位差，V；

Ksma——最大跨步电位差系数；

Ug——接地装置的电位升高，V。

对特殊区域，杆塔接地装置埋深一般考虑0.8~1.0 m，所以接地体的最大跨步电位差系数可按以下公式求得：

式中，L——接地网中接地导体的总长度，m；

L1——接地网边缘边线总长，m；

d——水平接地体直径，m；

A——接地网面积，m2。

接地装置的电位升高可按下式计算：

式中，Ik——流经接地装置的最大入地短路电流，A；

Rg——接地电阻，Ω。

流入杆塔接地装置电流的大小主要取决于系统短路电流Id、地线分流Ib的大小。而短路电流Ik大小一般可通过微机保护故障信息获得。

当人在地面上行走时，可把人的脚用一半径r=0.08 m的圆盘近似取代，则人的两只脚和土壤间的接触电阻R（0R0≈ρ/4r=3ρ）以及人体的电阻R（b取1 500Ω）是串联的，此时人体两脚间受的实际电压，即跨步电压Uk将为：

其中，Rb——人体电阻，取1 500Ω；

R0——脚和土壤间的接触电阻，Ω；

ρ——地表土壤电阻率，Ω·m。

最终得出各杆塔发生单相接地短路故障时最大跨步电压为：

2 跨步电压改善措施

2.1 降低杆塔跨步电压的主要改造方案

对于线路杆塔而言，其接地网的占地面积较小，即使在网内设置多根均压带，因导体间间距较小、受屏蔽影响较为严重，均压效果并不明显，不可能像发电厂、变电站那样采用均压带进行均压。因此，工程上通常采取在地表铺设一层砾石或沥青混凝土路面的方法，通过改善提高地表面电阻率，以降低人身承受的电压，使之满足安全性要求。还有的做法就是进一步降低杆塔的接地电阻值。

1）铺设高土壤电阻率物质。

此时，虽然地面的电位梯度并不改变，但通过提高表层土壤电阻率来提高人体与地面之间的接触电阻，从而达到增加人体允许的跨步电压的目的。工程上参照变电站跨步电压均压措施，通常有2种方法：[3]（1）采用碎石、砾石或卵石的高电阻率路面结构层时，电阻率可取2 500Ω·m。（2）采用沥青混凝土结构层时，电阻率取5 000Ω·m。即使在下雨天，砾石或沥青混凝土仍能保持高的电阻率。但是特别应当注意，普通的混凝土路面不能用来作为提高表层电阻率的措施，因混凝土具有吸水性，在下雨天其电阻率将降至几十欧米。高阻层的厚度一般可取20 cm，继续增加厚度对提高人体跨步电压的允许值效果不大。

2）采用深埋式接地极。

对下层土壤电阻率比上层小的塔位，采用深埋式接地极将大大降低杆塔接地电阻，对降低跨步电压意义重大。同时，考虑到南方地区雨季多，地下水丰富，将接地极埋设在处于地下水作用的良导电土壤层，可使接地电阻显著下降。研究表明，接地极的长度增长到6 m，接地电阻可下降到2.5 m时的6.6%～10%。[4]

通常将深埋式接地极沿环形接地极的外环布置最为合理，以减少接地极间的屏蔽作用。本工程也可以利用原接地环增加6 m垂直接地极。还可以采用铜离子棒等新型接地装置代替角钢作为垂直接地极以提高接地体耐腐蚀性及施工难度。

2.2 改善跨步电压的其他辅助措施

对特殊区域的典型杆塔进行上述改造之后，还可以采取以下辅助措施与之相结合，以使杆塔跨步电压严格控制在允许范围之内，保证跨步电压安全性要求。

1）减少故障电流持续时间。

接地短路电流持续时间对跨步电压的影响密切相关。研究表明，持续时间为0.25 s时人体所允许承受的跨步电压是持续时间为0.5 s时的1.414倍，是持续时间为1 s时的2倍，即分别提高了41.4%、100%，这是非常可观的，特别是跨步电压在临界状态时，可以不需要采取太多的外在办法就可以将跨步电压降到能够承受的范围内。由此可知，保护装置及自动重合闸动作时间越短，则人体可以承受的跨步电压也越大；同时故障电压、电流持续时间缩短后，对人体的作用时间也随之减少，随人体的伤害也随之降低。在确保系统安全的情况下，可以采用快速重合闸减少故障线路开断的动作时间来减少故障电流持续时间。

2）及时消除杆塔存在的安全隐患。

目前大部分安全措施都是在线路发生工频故障情况下采取的措施，属于被动型措施。从实际运行中可以知道，雷雨季节人们大都不会在线路杆塔附近从事生产活动，而在天气良好的情况下发生工频单相接地故障的可能性主要有两种：线路污闪和鸟害跳闸。为此只要积极采取措施避免这两种事故的发生，那么跨步电压的事故就可能避免。

3 实例计算及分析

3.1 某已建500 kV输电线路特殊区域的杆塔接地装置设计情况

某已建500 kV输电线路受周围环境的影响，部分路径途经经济发达地区，其中有11基铁塔处于工业园区、居民区等人口密集和人员活动比较频繁的场所，接地射线敷设相对困难，接地装置设计时采用方环带垂直接地体的型式，如图1。这是目前特殊区域杆塔常用的接地装置型式。

图1 设计采用的接地装置图

杆塔接地电阻设计要求值、所处区域土壤电阻率及接地装置设计基本情况如表1所示。

表1 特殊区域杆塔接地设计情况

当计算流经杆塔接地装置的入地短路电流时，需要考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配以及地线中分走的接地短路电流。在实际输电线路中短路点处工频电流主要由地线分流（地线分流占总电流的87%）。若地线为OPGW复合光缆地线或良导体地线，对工频电流分流效果更显著。[5]

本文计算时为保守起见取地线分流系数为80%，即流经接地装置的最大入地短路电流Id为变电站母线的单相短路电流47.5 kA的20%，约9.5 kA；接地电阻Rg取该杆塔接地电阻设计值。

经计算，某已建500 kV线路特殊区域各塔位的跨步电压情况如表2。

表2 杆塔的跨步电压超标情况

从表2可知，在接地电阻满足设计要求值时，该线路各塔现有接地装置总体上是能满足跨步电压安全要求的，但对部分土壤电阻率低的塔位跨步电压有可能超标。为进一步说明问题，表3列出了对存在跨步电压超标可能的塔位在接地装置型式不变情况下不同接地电阻值时的跨步电压情况。

表3 不同接地电阻下跨步电压超标情况

从表3可以看出，杆塔接地电阻低到一定程度时，跨步电压是满足要求的。这说明有效降低杆塔接地电阻，对改善杆塔附近的跨步电压意义重大。但过分降低杆塔接地电阻，投资较大，经济上是不合理的，需要考虑其他的改善措施。对本实例工程而言，45号、46号、80号塔位地下稳定水位分别约1.7 m、1.1 m、1.8 m，所采用的接地装置中垂直接地极下部均已深入导电性能较好的湿润土壤层，且受季节影响很小，因此，现有的杆塔接地装置已能基本满足跨步电压的要求，但处于临界范围。

考虑到工程实际中，在接地装置设计时塔位附近的土壤电阻率多假设为均匀土壤电阻率，而事实上均匀土壤电阻率是不存在的，且土壤电阻率测量、接地电阻测量均存在有一定误差。因此，为进一步提高安全性，有必要对上述45、46、80号等3基塔采取改善措施。

3.2 各改造方案效果分析预测

由于目前国内外对输电线路杆塔接地装置的跨步电压工程测试、计算及采取怎样的有效措施来降低跨步电压的危害性等方面的研究相对比较少。因此，本文对上述塔位按采用沥青混凝土铺设路面、砾石敷设路面、深埋式接地极等措施改造后的效果进行理论上的预测，可在后续运行过程中结合接地装置检修时进行进一步的改造研究。

采用0.2 m厚的沥青混凝土、砾石敷设路面改造后杆塔跨步电压允许值与改造前对比如表4所示。采用深埋式接地极改造后杆塔跨步电压允许值与改造前对比如表5所示。

表4 敷设高阻物质改造前后跨步电压允许值对比V

表5 采用深埋接地极改造前后跨步电压值对比

由表4、表5可知，对于杆塔接地装置附近地面铺设高电阻率中沥青混凝土层均能有效提高其跨步电压允许值，采用深埋式接地极改造降低了跨步电压值；二者效果是相同的。而采用砾石敷设高阻层对部分土壤电阻率低的塔位不一定适用，因此，对具体塔位改造方案须根据现场实际，经综合比较后采用其中经济合理、施工方便的处理方案。对本实例而言，采用深埋式接地极改造更为经济合理，而且垂直极的长度还可以结合运检资料进行优化。

4 结论

1）特殊区域高压架空输电线路的跨步电压通常情况下是满足要求的，对部分存在有一定的跨步电压安全隐患的塔位，需要结合现场实际情况进一步分析后采取措施，避免出现雷击或者工频接地短路故障时，对附近人员构成一定的人身安全威胁。

2）对下层土壤电阻率比上层小的塔位，采用深埋式接地极将大大降低杆塔接地电阻，对降低跨步电压意义重大。特别是对南方雨水充沛地区，采用垂直接地体降低杆塔接地电阻值对降低跨步电压具有重要的作用，仍然不失为其中最经济的方案。对已运行的线路，可以在后期接地体改造时通过设置接地圆环、采用新型离子垂直接地棒等措施，从而有效降低跨步电压。

3）在接地体上方附近地面铺设高土壤电阻率物质，可以提高跨步电压允许值，对避免因跨步电压引起的触电事故具有重要意义。在条件许可的塔位经综合技术经济比较后采用。

4）GB50065-2011规范中第5.1.5条规定的“土壤电阻率ρ≤100Ω∙m的潮湿地区，在居民区，当自然接地电阻符合要求时，可不设人工接地装置”主要关注的是防雷效果。本文通过计算，建议在居民区采用敷设带垂直接地极的环形接地装置以进一步降低跨步电压。

[1]GB 50545-2010，110 kV~750 kV架空输电线路设计规范[S].

[2]GB 50065-2011，交流电气装置的接地设计规范[S].

[3]弋东方.电力工程电气设计手册（电气一次部分）[M].北京：中国电力出版社，1989.

[4]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M]．科学出版社，2007.

[5]王永明，倪孟华，路永玲，周文俊，喻剑辉，张秀霞.220 kV输电线路工频短路电流分布研究[J].武汉大学学报（工学版），2011，44（3）383-387.