降低输电线路杆塔接地电阻的新构想

田小军

（国网山西省电力公司朔州供电公司，山西 朔州 036002）

0 引言

接地系统作为输电线路一个基本的组成部分，用来确保人身设备安全和减少线路接地故障，保证电网安全可靠运行。输电线路设备都是室外设备，暴露在旷野或高山上，为确保输电线路安全运行设置线路防雷保护装置，而输电线路接地是避雷技术最重要的环节。不管是直击雷、感应雷或其他形式的雷，都将通过接地装置导入大地，因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地防雷。从避雷的角度讲，把接闪器与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把雷云对接闪器闪击的电荷尽快地泄放到大地，使其与大地的异种电荷中和。当雷电击在线路上时，通过接地网和接地体把强大的雷电流引入大地，避免线路设备绝缘破坏使线路接地跳闸，它是雷电流流入大地的主要通道。在山区或其他高土壤电阻率地区，高接地电阻会影响输电线路的安全运行。所以，接地改造工程中往往应用几种不同方法来降低输电线路接地电阻。方法包括扩大接地网（主接地网与外部子接地接地网连接）、增加接地网的埋深、利用自然接地对象如钢铁基础结构、加入长垂直接地、改变周围的土壤接地电阻材料等。接地改造应根据不同运行环境情况采纳不同方案，实施应综合考虑土壤电阻率、土层结构、土质情况、含水情况、季节因素、气候等等因素。接地改造施工要因地制宜选择优化合理的方式，严格质量检测及施工工艺要求，避免频繁改造，节约维护费用，降低接地装置维护工作量，确保接地网保持良好泄流通道。事实上，加装深垂直接地体是一个很有效的方法，特别是在占地面积有要求，表层土壤电阻率特别高的地区，这种方法可以有效利用地下底层低电阻率土壤层并消除季节性影响，是降低接地电阻的一种特殊方法，唯一的缺点是工程造价高。

1 金属管接地降低接地电阻的原理

1.1 水对土壤电阻的影响

要降低接地电阻，就要改变接地系统周围土壤的电阻率，因为接地电阻变化主要取决于接地系统周围土壤的电阻率，土壤电阻率是由土壤中含水量、构成和密度、电解质溶液决定的，其导电方式是离子的传导。普通土质土壤干燥时，所含水分少，具有高的电阻率。粘土样品实验结果表明，当含水量小于10%其电阻率变化很快；当粘土样品含水量是2.5%时，其电阻测试约是1 400Ω·m；但是当其含水量上升至10%，其电阻测试是200Ω·m；而当其含水量上升到25%，测试其电阻下降到15Ω·m。

1.2 地下深井降低接地电阻的原理

土壤的湿度、含水量是一个很重要的因素，可以用来降低土壤电阻率。如果能够人为增加接地周围土壤含水量，就能够降低接地电阻。通常在地上凿井，地下水将流入井内。原理分析如图1所示，在选定深度的土壤平面作压力分析，对井壁而言所受的是大气压力，而对地下土壤中水分子随深度变化所受的则是大气压力再加上土壤深度位置的压力，显而易见P1＜P2的。

图1 水井的原理图

如果能建造一个金属管电极作为井壁的水井，金属管壁钻许多小洞，地下水由于压力差会移动到金属管内，最终地下水将聚集在金属管中，并在附近形成一个大的高含水量土壤区域，土壤周围因充满地下水电阻率必定会降低。金属管内的水位是由平衡压力所决定的，这是一个动态平衡的过程，涉及到地下水的运动的内容。总体而言，原理是将接地电极放置深层地下井的方法，以改变周围土壤地下水运动方向，并利用地下水的重力，毛细管效应和孔隙渗水，以增加接地电极周围土壤湿度，从而降低了土壤电阻率。

1.3 地下水

通常，不仅坚硬岩石有空隙差距，在松散沉积土中也有足够的空间用于储存和流通土壤中地下水，地下水存在于土壤颗粒、岩石之间的空隙，这是自然界水循环过程中的一个环节。地下水的重力、毛细管效应、水溶解性、在土层空隙中所含地下水含量相应在不同的地区也不同。地下水来源主要是江河和雨水，根据不同土壤含水情况，可视为干土层、土壤湿润层和饱和水层。地下水的存在为金属管垂直接地体降低接地电阻提供了必要的条件，所以利用金属管垂直接地体（以下简称“金属管接地”）汇集地下水来降低接地电阻，是一个相当有效可行的方法。

1.4 深度对金属管垂直接地体周围湿度土壤区域的影响

如果金属管接地埋深并没有达到饱和水土层，或者是周围土壤层含水没有达到饱和，金属管接地体内进入的地下水和土壤周围区域形成的含水层情况如图2所示，靠金属管接地体附近的土壤湿度高，但在远离金属管接地体的土壤区域，金属管接地不能影响在这一地区土壤湿度。如果金属管接地体地下深层触及饱和水土层如图3所示，金属管接地体和较大的地区土壤饱和水层，将会形成大的接地面积。如果地下土壤在含水层上有不透水层，内外压力可以通过金属管接地体使地下水直接穿过这个不透水层，湿润它上方的土壤，并填充不透水层孔隙，形成自流井。所以，金属管接地体理论上可以适用于有地下水的任何地区。

图2 土壤中不含饱和水层和金属管接地体所形成的地下深层

图3 土壤中含饱和水并在金属管接地体触及的土层达到饱和所形成的地下深层

1.5 不同土壤类型对金属管垂直接地体周围湿度的影响

土壤按类型分为砂质土、黏质土、壤土3类。砂质土含沙量多，颗粒粗糙，渗水速度快，保水性能差。黏质土含沙量少，颗粒细腻，渗水速度慢，保水性能好。壤土含沙量一般，颗粒一般，渗水速度一般，保水性能一般。金属管垂直接地体深度如未达饱和水层，保水性能好的黏质土，能长期在接地体周围形成高湿度土壤，对土壤电阻率影响大，其次对其影响程度分别为壤土和砂质土。金属管垂直接地体深度如达饱和水层，影响土壤电阻率的主要取决于土壤中的地下水，即不同土壤类型对金属管垂直接地体周围湿度影响小，因此不同土壤类型在含饱和水后电阻率变化较小。

2 金属管接地体降低接地电阻的机理

金属管接地体有良好的接地效果，归纳起来主要有以下几方面。

2.1 地下水移向金属管接地体

正如上面所分析，管内、管外的压力差，导致地下水流向金属管接地体，并聚集在金属管接地体内，这个压力差能持续保持地下水对深井的运动能量。如果底层土壤层含有饱和水，地下水将通过钢管小孔在金属管接地体内积蓄，在一段期间内，地下水在管内将通过钢管小孔浸润到外面，湿润地下金属管接地体周围区域干燥的土壤。最后，地下水变化的运动形式在金属管接地体和周围土壤区域内动态中平衡，形成高湿度低电阻率土壤如图4所示。在雨季，雨水会分散入土壤，平衡将会被破坏，新平衡会在地下水运动的动态循环中形成。

2.2 金属管接地体与周围含饱和水土壤形成低阻通道

当达到平衡时，金属管接地体与周围含饱和水土壤形成一定区域，它形成了低阻通道，当故障电流注入地下深层，通过这种低电阻的金属管接地极和含饱和水的土层，便很容易地分散到土壤中与异种电荷中和。

图4 形成连接土层含饱和水的低阻通道

2.3 低阻的地下水

土壤中含有不同的矿物质，而这些矿物质能电解出不同的离子，这些离子溶解于地下深层运动中的地下水中。因此，地下水具有良好的导电性，湿润土壤后，形成金属管接地体周围区域低的电阻率。

2.4 地下水填补土壤孔隙

在干燥土壤中如果有孔隙，如图5 a和c所示，这将影响到土壤电阻率。通过金属管接地体水平衡作用，地下水可以直接通过这些孔隙如图5 b和d，那么,土壤电阻率将会降低，就另一方面而言，有时也可借助钻孔形成的通道通过一个低电阻土层，使雷电电流可直接分散到低电阻土层。

图5 垂直孔和横向孔对干燥土壤的影响

3 现场安装地下深井式金属管接地接地体

图6 金属管接地体加工及安装示意图

如图6 a所示，在现场安装金属管接地体，首先是在土壤中钻出一个垂直钻孔，接地电极是采用直径约50 mm不锈钢管或镀锌钢管上面钻有的排列小孔。如果安装要求达到一定深度，金属管接地体可由几根长度约6 m的钢管串联焊接。钢管插入钻孔，金属管接地体整体可由几个短钢管焊接相连（根据地形和降阻要求选择），每两根钢管是直线焊接连接在一起的，顶部与水平接地网焊接，并焊接连接部位如图6 b所示，钻孔壁与钻孔钢管间隙可用碳粉填充实现低电阻率。填充碳粉具有良好的吸水性，同时具有良好的透气性，一方面可以保持湿润状态，另一方面可以使地下水容易在管内外循环流通。为了阻止碳粉进入钢管，钢管的透水孔外部可包裹一圈过滤膜材料，其他材料如降阻剂或膨润土也可以用来填补钻孔和金属管接地体之间的差距。顶部钢管距地面约0.5 m左右要留有小气洞，保持金属管接地体中的空气压力。

4 金属管接地体的应用优点

4.1 能长期保持恒定低阻值

一般降阻剂虽然能在短期内有效降低接地装置的接地电阻，但降阻效果是不稳定的，因为这类降阻剂所含的无机盐会随着雨水迅速流失而使降阻剂失去降阻效果，使接地装置的接地电阻迅速反弹回升，同时也对接地体造成严重的腐蚀。外延水平接地体对接地体的长度又有一定的要求，主要是由于如水平接地体过长，会受电感的影响，对降低冲击接地电阻无效。金属管垂直接地体依靠地下水循环系统和矿物质的电解、毛细管效应等降低电阻，受外界环境影响小，与周围的湿润土层结合，能长期保持恒定低接地电阻。

4.2 受季节变化影响不大

当金属管垂直接地体深度达到地下饱和含水层时，不会因外界气候、季节变化，影响到金属管垂直接地体以自流式井的形式，过金属管渗水孔渗出渗入，最终趋于平衡，达到与周围土壤结合形成湿土壤，形成低电阻通道，以降低土壤周边区域的电阻率。从而降低输电线路杆塔的接地电阻，达到了良好的接地效果。

4.3 施工工艺简单

现场改造高接地电阻杆塔的旧接地网时，只需将旧接地部分开挖，如土质较好，将金属管垂直接地体垂直打入并焊接相连；如土质较硬，则需在土壤中钻出垂直钻孔，将金属管垂直接地体放入钻孔并焊接相连。金属管接地的施工占地面积较小，节约改造成本，施工工艺与传统接地改造中垂直接地体大致相同，但相比传统垂直接地体改造方式更能有效降低接地电阻。