高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置应用研究.pdf

2023.01电子乐园085Electrical voltage 电气电压1 高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置的基本理论1.1 高土壤电阻率地区在某一特定时间内（通常是 10 至 30m）高土壤电阻率地区处于较低纬度，大气中存在的较为复杂的物质与气溶胶进行反应生成了一些介于陆地和海洋之间的复合氧化物、过氧化氢等产物。由于高平均土壤电阻率地面塔线所连接的区域以及最终输电线路布设地点都具有一定差异性，因此不同地区在不同时间段因为地形条件以及环境因素等的影响，其电阻率地下电位分布情况有较大差别。1.2 高土壤电阻率地区输电线路状况在高土壤电阻率地区中输电线路杆塔是非常重要的设施，由于该地区地形地貌特征复杂且多样，导致了当地输电线杆塔具有分布范围广、高度大以及数量多等特点，这些特点都将会影响到最终输电线路的运行质量问题，因此都要将其考虑合理解决。另外随着经济水平不断提高，电力消费的多样化和个性化要求也进一步增加使得供电方式发生转变，于是使其适应新时代潮流以满足用户对可靠性的需求程度更高。1.3 工作原理在输电阻运行的同时导线的端部开始接触，而随着导电体升高，其端子与地面之间逐渐恢复一定的距离，当此距离达到预定值后就会自动停止并放电。放电过程如下：首先将杆塔上两个不同高度但材质相同的铅垂线取下并把其装入圆心即可；然后接通电源在地面上安装一个可充电装置，对铁塔顶部供电使之完成充电工作；最后由铁塔底部向两侧推拉装置开始作业，直至触头完全接触到地面为止。2 雷击对于输电线路杆塔的影响坚强可靠是我国智能电网建设的五个主要内涵之一，而雷击是造成电网故障的最主要因素。虽然对输电线路和配电变压器等进行了大量的防雷保护措施，以减少了国内电网系统雷害事故，但是在国内每年因为雷击而引起的输电线路绝缘闪络和断裂等严重危害供电系统正常管理工作的故障问题，仍频频出现。据计算，由雷击所造成的高压线路重合闸频次占该线总重合闸频次的百分之四十 百分之七十。输电线路杆塔接地电阻值，是防雷接地系统的一个主要性能指标，是测量接地效果的主要参数，直接影响到系统的防雷效果。然而，土壤电阻率四极法测量的理论依据为大地视为无限大均匀土壤电性模型，这种无限大均匀土壤模型显然与实际线路杆塔周边土壤有所差别。考虑到输电线路所经地区非常复杂，由于地形地质和微气象的关系，线路杆塔周边的土壤、砂、石、泥、水的含量不同，线路勘测时各观测点得到的土壤电阻率其实上并非为一常数。因此，若单纯按高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置应用研究文/王思捷徐钟祝吴育毅符方达全业生余阳王晨东摘 要：接地装置是输电线路杆塔防雷和雷电泄流的主要通道，雷电流经接地装置导泄入大地，降低雷电暂态电压对设备的冲击，使输电线路具备一定的耐雷水平。泄流能力的越强，输电线路所受的反击击穿概率越小，故障率越低。在土壤电阻率较高地区，采用常规的水平接地难于达到降低冲击阻抗和快速泄流效果。本文通过建立接地网数值计算模式对杆塔联接装置的冲击特点进行全频域数据分析。主要对输电线路杆塔下垂于连接设备的冲击阻力特性研究，并主要分析垂直接地设备对高土壤电阻率区输电线路杆塔防雷工作能力的直接影响。关键词：高土壤电阻率；输电线路杆塔垂直接地装置；防雷电子乐园2023.01086电气电压 Electrical voltage照无限大均匀土壤模型进行设计，必然存在一定的土壤电阻率、接地装置电阻值及雷击跳闸率误判。3 垂直接地装置对高土壤电阻率地区输电线路杆塔防雷能力的影响输电线路杆塔焊接接头阻力高低，对输引线的反射及耐雷水平都有一定影响。减少杆塔接触阻力也是进一步提高输导线反击耐雷水平的主要技术措施。在实际输导线施工过程中，对所有输电线杆塔的接触阻力都有限制。为了克服中国高土阻值率地方输电线路杆塔接头降阻难的问题，近年来中国国内也产生了多种新接头工艺技术，包括针刺型接电极工艺技术、接头模块工艺技术、空腹型接头技术设备、利用杆塔大开挖基础减阻的接头工艺技术、使用高压力灌浆材质的深井水接头工艺技术、导电混凝土工艺技术等。上述方法均有合适的要求，对较高土壤阻值率地方输电杆塔的接电减阻可以产生较有利的效果，但从科学经济效益综合应用对比考虑后，仍无法大规模推广应用。在高土壤体积阻值率地方，在布设水平接电体的同时，还连接了相当数量的垂直接电极，共同形成了立体地网，对于提高杆塔接地装置的雷电冲击作用及散流特征有着重要意义，并且有较好的综合科技经济效益。一般认定，水平接电体射线的长度是限制输电杆塔连接安装的最主要原因。虽然垂直接电极对增强雷电入地电流的散流能力和对减小连接电压也有一定作用，但垂直接电极的有效直径、等效直径和间距长度以及对杆塔连接网降阻力的具体作用目前还不清楚，直接限制了垂直接电极在输电线路杆塔连接中的设置与使用。通过深入研究表明，由于垂直连接极间隙距的缩短、直径和等效直径的增大，杆塔连接设备的总体连接阻力继续减小，并且减少的幅度也继续减小，总体连接阻力最后趋向饱和。具体科学研究数据结果包括以下几点:由于垂直接地体间距 s，从最小间距（垂直连接极长度的 2 倍）开始连续增大，总体连接阻力 R 的大小变动均有前期增长迅速，后期缓和的态势。典型设计工作参数下，间距 s 对总体接触电流 R 值的直接影响区域在 1%48%之间。当土壤电阻率=1000m 时，则建议垂直连接极的间隔距离 s 取 12m;当土壤电阻率=3500m 时，则建议垂直于接地极的间隙相距 s 取 20m。由于垂直式接触极孔径的增加，杆塔式连接设备的总体连接电压 R 值继续降低，并有前期上升迅速，后期相对稳定的趋势。典型设计参数下，单根下垂于接地体的直径由 0.1m 至 15m，对总体接触电流 R 值的影响范围约在 0.81%53.84%之间。在土壤阻值率为=1000m 和=3500m 时，建议将下垂于接地极的单条直径各取 3m。由于垂直接触极的等效截面面积尺度的逐渐增大，总体接触电流R的趋势有前期降低速度较快，后期稳定的趋势。垂直接地极的等效截面直径由 0.01m 增加至 0.3m，对总体土地接触电流 R 值的影响范围约为 24.33%32.14%。在土壤电阻率=1000m 和=3500m 之间时，一般建议的垂直接地体等效孔径 d 值不大于 0.02m。4 高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置应用存在的问题目前对于高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置存在的问题，主要有以下几点：4.1 高土壤电阻率地区输电线路装置的运行可靠性差由于我国幅的形式和地理环境复杂，导致了杆塔垂直接地装置在设计上存在着许多不足。例如：没有考虑到经济因素、施工工艺不达标等问题，造成杆塔垂直接地装置无法实现其实际应用功能，又或者埋设方式对绝缘子质量要求过高，使得其运行可靠度降低难以达到高产稳定电压水平，从而不能满足电力系统的安全可靠性指标。4.2 高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置的运行维护困难在地理位置以及环境因素不同的前提下，高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置的使用环境也有很大差异。在一些经济技术相对落后的地方将会出现难以实现正常工作的情况；而那些地势较低或者海拔比较深大的位置，适合应用电力系统进行远距离高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂控制，但是在一定程度上会出现故障而无法运行下去等问题。4.3 线路布线复杂由于地形限制和外界因素的影响，伴随着导线型号较多且绝缘水平要求不同等问题，导致在施工时无法使用同一标准规格型来进行作业。同时因为人工试挂架方式对其结构尺寸有一定需求等原因，而不能完全满足高土壤电阻率的输电线路杆塔垂直接地装置的专用类型运行及维护工作。4.4 不能够充分利用重力作用在架空地线的绝缘子上存有一定面积但不足 20cm3，部分电缆夹层等障碍物使得垂直接地效果不佳。由于地电位升高幅度大造成击穿场，并出现损坏耐用电阻小半径钢丝绳等问题，导致线路事故发生，严重影响了经济效益和社会收益。4.5 埋设深度较大在设计的过程中对高土壤电阻水平针铁塔进行了高度的设置，但是由于埋设深度较大而导致实际接头处没有达到最2023.01电子乐园087Electrical voltage 电气电压大限度，从而使得接头处容易出现变形以及脱落问题。而当线路埋于地面下土体中且与地线夹角比较大时，将会导致杆塔垂直接地装置使用寿命变短。4.6 线路绝缘水平不够，存在老化现象输电杆塔是电力系统中重要的电气设备之一，它直接影响着电网安全运行和输送电压质量等问题，因此其结构设计在运营过程中会对整个工程产生很大作用，并伴随一定的风险性因素。当线路绝缘水平不够，存在老化现象时，一般会出现高压输电线短路时触头处温度较高、高压熔断器跳闸率较大等现象，而当架空线路上覆冰时将会导致接地故障频发以及杆塔垂向放电引起不稳定沉降。5 高土壤电阻率地区输电线路杆塔垂直接地装置改进措施在原有的高电阻率土壤线路装置基础上，进行以下几个方面改进。5.1 改善高土壤电阻率地区输电线路装置的运行可靠性我国高土分布广、地形地貌复杂等特点决定了其运行维护成本较低且工作环境恶劣，因此电力系统的稳定性和可靠性较差。在进行装置设计时，需要对地面微电网采取绝缘措施以保证设备及用户安全可靠的运行状态，同时需要考虑到经济性，在确保运营投资最小化的前提，也要尽可能降低线路损耗并适当提高电压等级，以便进行远距离输电作业中垂直接地装置应用问题研究。5.2 对于输电导线线的使用年限较长其绝缘性能会发生变化问题在设计时应考虑尽可能减少成本，从而提高收益以增加投资弹性；其次应该考虑到过电压情况下杆塔垂直接地装置的运行效率问题，这一问题也是影响线路损耗和故障率高低关键因素之一；最后为保证安全运行，注意避免操作过程中出现事故而导致人身伤亡等问题。5.3 接地电阻的选择在输电线路工程中，由于受到地形条件、气候因素和地理环境等多种原因综合影响，对接地电阻大小也会有差异。例如：地面土壤的介电常数一般较小，而地下土壤相对导流能力较弱且绝缘性能较差等等。因此当电压等级越高时对其阻值就越有利，所以接地电阻在这种情况下就要注意选择。在高土壤电阻率地区，对该地区输电线路杆塔垂直接地装置进行横向分析。在接地中除了需要考虑到地形条件、环境因素以及经济等问题，同时还需考虑架空线水平面的影响。通过比较不同方案，以适合其电网建设要求及技术指标为前提，发现当环境温度低于 110时（即中性点不采取保护）的情况之下为适宜范围内选择最优运行方式。5.4 增加接线数量高土壤电阻率地区输电线路杆塔的垂直接地装置是电力系统中重要组成部分，与电压等级相匹配，在电网运行过程中起着至关重要的作用。目前国内对该地区输配煤线建设，主要采用的是“12-3”接线、1:2.5 档和单档。这种方案不仅增加了投资成本而且降低了供电质量，当建设高土壤电阻率地区时线路施工难度增大、成本也较大并且限制了其使用寿命，导致接地装置利用效率不高的问题出现。而由于架空导线与金属电缆是绝缘体组成的回路，在架空电线之间距离较近时易产生接触不良问题。为了避免这种情况发生，就必须提高接线数量并加强铁塔架牢固程度，从而减少因为导线上的故障使得影响范围扩大化等问题，通过改进杆塔型式使得其运行可靠性及安全性能提高，使其更加经济合理性。5.5 改变连接方式和对接角当改线时将其改成圆弧状、三角形或菱形等形式，而对于线路上存在大量小角度倾角或者是带有方向性缺陷导线等问题，可以采用倾斜敷设来代替垂直接地极。改进后的高土壤电阻率区与原来埋于土层中类似，但在架空输电线上可以通过增加水平点的方法来一定程度降低杆塔垂深。5.6 接地端头处理在输电线路杆塔的运行过程中，当发生雷击或者雷电过电压时，会引起整个导线或绝缘子上产生绕组以及线芯间电位差，因此对连接处及绕串之间必须做好安全防护措施，注重接地端头处理情况，从而达到防雷保护的效果。防雷保护是高土壤电阻率地区架空避碰线及高压直流沿线设备所必备的一项工作性能要求之一。6 结束语综上所述，本文具体分析了雷击对于输电线路杆塔的影响以及垂直接地装置对高土壤电阻率地区输电线路杆塔防雷能力的影响。可以得出当水平接地网和垂直接地极的接入点固定时，垂直接地极长度的增加有利于冲击阻抗的降低，但当垂直接地极长度大于间距时，长度的增加与其对脉冲阻抗的影响呈负相关。因此，在杆塔垂直接地装置的设计中，应在保证杆塔接地装置各项指标满足标准要求的前提下，有效利用垂直接地极的长度，降低杆塔冲击接地阻抗的幅值。作者简介：王思捷（1981）性别：男，民族：汉族，学历：大学本科，职称：高级工程师，研究方向：高电压绝缘技术研究。作者单位：海南电网有限责任公司电力科学研究院