高压架空线路铁塔防雷接地设计专项方案.doc

20~35KV高压架空线路铁塔防雷接地设计方案
------------义盟克防雷技术有限公司 杨志成

雷电放电是带电荷雷云引起放电现象，按其发展方向可分为下行雷和上行雷。下行雷是在雷云产生并向大地发展，上行雷是接地物体顶部激发起，并向雷云方向发起。雷电电压很高，瞬时电流强度很大。因而，一次雷电放电时间虽然只有0.01s左右，但其释放出能量却大得惊人。自然界里每年均有几百万次闪电，每年雷电导致人员伤亡和财产流失，仅次于水灾而不不大于其她任何灾害。
架空输电线路是用绝缘体将输电线路固定在直立于地面杆塔上用以传播电能输电线路，它由导线、架空地线、杆塔、绝缘子串、接地装置等某些构成。运营记录数据表白，引起输电线路故障跳闸因素诸多，其中因雷击引起跳闸次数约占总跳闸次数60％以上，位居所有跳闸因素之首。输电线路防雷涉及因素较多，与地形、地貌、地质、气象和系统运营水平等诸因素关于。普通35Vk线路因雷击发生单相接地就会跳闸，因而，如何切实有效地制定及改进高压架空输电线路防雷办法，从而减少线路雷击跳闸率，是保证电力系统安全稳定运营必要条件。
雷电中直击雷危害最大最明显，其重要集中于线路中铁塔。普通架空线路都采用了避雷线防护，依照电压级别，35kV线路不适当全线架设避雷线，普通在变电所进线段架设1～2km避雷线，同步在雷电活动强烈地段架设避雷线，或者安装线路金属氧化物避雷器；其中线路中铁塔防雷接地尤为重要与核心。
 雷击塔顶时反击耐雷水平计算公式为：

式中—计及电晕影响耦合系数；
—杆塔对雷电流分流系数，普通长度档距220kV、500kV线路双避雷线杆塔分流系数取0.88；
—杆塔接地电阻；
—杆塔电感，μH，铁塔杆塔电感为0.50μH/m；
—导线平均高度，m；
—塔头绝缘（绝缘子串或塔头间隙）50％冲击放电电压。
从公式可知，雷击杆塔时耐雷水平与分流系数b、杆塔等值电感Lgt、杆塔接地电阻Rch、导地线间耦合系数k和绝缘子串50％冲击闪络电压U50%关于。对普通高度杆塔，增大导地线间耦合系数k可以减少绝缘子串上电压，可以提高耐雷水平；同样增长绝缘子片数以增大线路U50%冲击闪络电压，同样也可以提高耐雷水平。但是接地电阻上压降对绝缘子串两端电压影响最大，减少杆塔接地电阻Rch能最有效地提高线路耐雷水平。
通过计算可以看出减少杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、减少雷击跳闸率最经济而有效办法。高压架空线普通构成有：高压输电线、避雷线、避雷器及铁塔本体。因而本方案重要是针对高压架空线路中铁塔保护防雷，采用接地防雷方式，重要是引下线与接地网设计。将电力系统或电气装置某一某些经接地线连接到接地极或地网称为接地。连接到接地极导线称为接地线。
一种接地装置对的与合理，不但能为有效防雷提供保障，还能减少工程建设成本。本方案重点针对危害最常用直击雷而设计，采用直接接地制式。
一、引下线设计
输电铁塔所处位置不定，相对高度较高，受直击雷影响明显而维护工程又比较艰巨。线路中引下线重要涉及避雷线引下线，高压输电线防雷装备保护引线。依照电力系统设计原则，避雷线引下线可采用铁塔作为引线，铁塔有良好接地，只需保证引线与铁塔有良好电气连接，并做防腐解决；铁塔采用四角引线连接到地网接点。各相线避雷保护器引线也同样可以采用此办法，但注意是要保证引线连接对的与科学，各连接点电气接触良好，普通选用导线截面为35-95mm2多股铜导线。
 高压架空线路铁塔接地装置可采用下列模式：
1、在土壤电阻率ρ≤100Ω*m潮湿地区，可运用铁塔自然接地。对发电厂、变电站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规定期，可不设人工接地装置。
2、在土壤电阻率100Ω*m＜ρ≤300Ω*m地区，除了运用铁塔自然接地外，并应增设人工接地装备，接地极埋深不适当不大于0.6m。
3、在土壤电阻率300Ω*m＜ρ≤Ω*m地区，可采用水平敷设接地装置，接地极埋深不适当少于0.5m。
4、在土壤电阻率ρ＞Ω*m地区，可采用6~8根总长度不超过500m放射线接地极或者持续伸长接地极长短结合方式。接地极埋深不适当不大于0.3m。还可以采用引外接地或其她办法。
5、居民区和水田中接地装置，宜环绕铁塔基本敷设成闭合环形。
架空线路铁塔接地线及连接方式符合DL/T620-1997〈交流电气装置过电压保护和绝缘配合〉规定。
二、地网设计
要布置一种合理接地网不但仅是依托丰富对的理论计算，还应当从不断实践中去总结摸索。接地电阻是表达接地体接地状态与否良好重要指标，普通架空线路铁塔接地电阻不适当不不大于30Ω。（普通所指是工频接地电阻）接地系统电阻普通由几某些电阻总和：（1）土壤电阻，即从接地极处土壤向远处扩散电流所通过途径电阻。（2）土壤和接地体之间接触电阻。（3）接地体自身电阻。（4）接地引线、地线盘或接地汇流排以及接地配线系统中采用导线电阻。其中起决定作用是接地体附近土壤电阻。土壤电阻大小普通由土壤电阻率表达。土壤电阻率普通以1cm3 土壤电阻表达。土壤电阻率重要由土壤中含水量和自身电阻率来决定，决定土壤电阻率因素重要有：土壤类型、溶解在土壤中盐和化合物、土壤中溶解盐浓度、含水量、温度、土壤物质颗粒大小和颗粒大小分布、密集性和压力、电晕作用。普通铁塔接地原则如下表：
地壤电阻率(Ω•m)
100及如下
100以上至500
500以上至1000
工频接地电阻(Ω)
10
15
20-30
各接地装置应运用直接埋入地中或水中自然接地极，当运用自然接地极和引外接地装置时，应采用不少于两根导体在不同地点于接地网相连接。按YD5668-98地网布置规定，依照IEC电气原则，根据不同地理环境，普通采用联合地网布置方式。按照这种方式布置地网，依照近似推算公式 ρ≈2R√s，可得出地网面积(设ρ为土壤率，s为地网面积，ρ为用地阻仪实测数值，R为现地网接地电阻)。地网接地极网状布置，埋深0.8m，垂直接地体长为2.5m，在地网均分点上分别引处四条地网测试极到地面，以便检测地网状况。铁塔接地引线通过四只脚与地网相连，保证电气连接良好，引线通过保护解决，采用PVC套管套装。地网形状也不是固定，可以多样化，详细应依照气候、地形、地理环境，因地制宜。地理环境不同决定了地质不同，从而土壤率也有明显差别。普通软性土壤地阻相对小，对地网规定相对比较低，较小成本就能保障良好接地性能，而相对硬质土壤例如岩石、多岩山地，地阻很高，为保障良好接地防雷，对地网规定也相对较高，同步对地网设计铺设也导致一定限度上影响. 详细电阻率参照下表：
土壤和水电阻率参照值
类 别
名 称
电阻率近似值　Ω·m
不同状况下电阻率变化范畴　Ω·m
较湿时(普通地区、多雨区)
较干时(少雨区、沙漠区)
地下水含盐碱时
土
陶粘土
10
5～20
10～100
3~10
泥炭、泥灰岩、沼泽地
20
10～30
50～300
3～30
捣碎木炭
40
—
—
—
黑土、园田土、陶土
白垩土、粘土
50
30～100
50～300
10～30
砂质粘土
100
30～300
80～1000
10～80
黄土
200
100～200
250
30
含砂粘土、砂土
300
100～1000
1000以上
30～100
河滩中砂
—
300
—
—
煤
—
350
—
—
多石土壤
400
—
—
—
上层红色风化粘土、下层红色页岩
500(30%湿度)
—
—

—
表层土夹石、下层砾石
600(15%湿度)
—
—
—
砂
砂、砂砾
1000
250～1000
1000～2500
3～30
砂层深度不不大于　10m　、地下较深草原地面粘土深度不不不大于　1.5m　、底层多岩石　
1000
—
—
—
岩石
砾石、碎石
多岩山地
花岗岩
5000
5000
00
—
—
—
—
—
—
—
—
—
混凝土
在水中
在湿土中
在干土中
在干燥大气中
40～55
100～200
500～1300
1～18000
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
矿
金属矿石
0.01～1
—
—
—
水
海水　　
1～5

湖水、池水　　
30　　

泥水、泥炭中水　　
15～20　　

泉水　　
40～50　　

地下水　　
20～70　　

溪水　　
50～100　

河水　　
30～280

污秽水　　
300

蒸馏水　　
1000000

减少线路杆塔接地电阻，可运用：①增长接地极埋深和数量；②外引接地线到附近池塘河流中，装设水下接地网；③换用电阻率较低土壤；④在接地极周边施加降阻剂等办法。
依照施工方向又分横向降阻和纵向降阻：
（一）、横向降阻
在杆塔基本周边做一种环形接地网，铺设接地模块以扩大接地网面积和改进周边地区土壤导电性能来达到减少杆塔接地电阻效果。其重要长处是施工简朴、无需大型机械，极大减少了人力和机械成本；缺陷是材料运送量大，施工占地面积大，增长了征地纠纷及费用。
1、材料特性
非金属石墨接地模块是一种以非金属材料为主接地体，它由导电性、稳定性较好非金属矿物和电解物质构成，本产品有效解决了金属接地体在酸性或碱性土壤中亲合力差、且易发生金属体表面锈蚀而使接地电阻变化，当土壤中有机物质过多时，容易形成金属体表面被油墨包裹现象，导致导电性和泻流能力削弱状况，增大了接地体自身散流面积，减小了接地体与土壤之间接触电阻，具备强吸湿保湿能力，使其周边附近土壤电阻率减少，介电常数增大，层间接触电阻减小，耐腐蚀性增强，因而能获得较小接地电阻和较长使用寿命。
其重要特点
1）接地电阻稳定；
2）耐腐蚀性良好；
3）能持续负载大电流；
4）使用寿命至少30年；
5) 无毒性，不污染。
2、高效降阻模块安装
示意图如下：

3、施工办法：
1）接地模块可进行垂直埋置或水平埋置，埋置深度普通为0.8~1.0米。
2）采用几种模块并联埋置时，模块间距不适当不大于4.0米。如条件不容许，可恰当减小，与此同步应减小计算模块用量时模块运用系数取值。
3）接地模块极芯互相并联或与地线连接时，必要进行焊接。规定用同一种金属材料焊接，保证连接可靠性。焊接长度应不不大于80mm，不容许虚焊、漏焊。
4）应在焊接处清除焊渣，涂上一层沥青或防腐漆，以防极芯腐蚀。
5）坑槽回填应采用细粒土为填料，不得用碎砖等建筑垃圾做回填料，回填时应分层操作，填30公分料后，适量加水并夯实。再填料、加水和夯实，直至与地表齐平。
6）吸湿72小时后，用地阻仪测量工频接地电阻。若未达到预期目的，应分析因素和采用弥补办法。
7）在寒冷地区，模块应埋在冻土层如下。
4、用料计算：
依照地网土层土壤电阻率，采用下式计算接地模块用量：
水平埋置，单个模块接地电阻：
并联后总接地电阻：Rnj = Rj /nη
式中：ρ—土壤电阻率（Ω/m）
a、b—接地模块长、宽（m）；
Rj—单个模块接地电阻（Ω）；
Rnj—总接地电阻（Ω）；
n—接地模块个数；
η—模块调节系数，普通取0.6~0.9。
（二）纵向降阻
在杆塔基本内打深井，在深井内安装电解离子接地极，通过电离子渗入从而改进了基本底部土壤导电性能，从而达到减少杆塔接地电阻效果。其重要长处：材料运送量小，占地面积小，无征地纠纷及征地费用；缺陷上机械成本和施工难度加大。
1、材料特性
电解离子接地极是由若干节带排泄孔铜管构成，管内填充晶体是无机盐类，其降阻原理是靠无机盐类析出、溶解、电离成可以导电金属离子,向土壤中渗入以增长土壤中金属导电离子浓度而改进土壤导电性能。普通状况下，由于加入缓冲剂，该无机盐离子释放时间可到50年以上。
长处：占地面积小、运送成本低、降阻效果明显、持续时间长、无毒、无污染
缺陷：机械成本大(需要机械钻孔)
2、用料计算
单个接地网离子接地极数量计算公式

其中： R— 接地网目的值，单位：Ω
—土壤电阻率，单位：Ω.m
K—电解离子接地极运用系数，单位：m
当： ρ＜200Ω.m，k取2
200≤ρ＜500Ω.m，k取1.8
500≤ρ＜1000Ω.m，k取1.4
ρ≥1000Ω.m，k取1
η—离子接地极长度系数，离子接地极长度L，单位：m
当： L = 1m η取3
L = 2m η取2
L = 3m η取1
2、 施工方案
详细施工如下图所示：
0.5m
h米
杆塔基本地面
地下
电解离子接地极填充料
h
深井深度
LKX电解离子接地极
热镀锌扁铁

三、辅助防雷办法
在有效减少接地电阻基本上，可以装设避雷针、避雷器和保护间隙，雷区活动频繁线路，为有效地提高耐雷水平应使用耦合架空地线。
对雷区直线杆塔，恰当加强线路绝缘，及时更换线路零值瓷绝缘子，在保证导线对地安全距离和对杆塔各部件空气间隙条件下，每相加一片绝缘子增长线路绝缘，可使线路可以耐受感应雷。
为防止雷电绕击线路，对于雷区活动频繁线路地段架设耦合地线，即在35kV线路原有避雷线基本上，在下层导线下方3m处架设一条架空地线，但要考虑到对地安全距离，其目是防止雷电绕击线路，保证线路正常运营。线路绝缘受冲击发生闪络不能使线路转变为两相短路故障，不导致跳闸，就是使输电线路发生闪络后，不建立稳定工频电弧，或减少线路绝缘上工频电场强度。采用自动重叠闸装置，或用双回路供电，线路虽然跳闸也不至于中断供电。
总之，影响架空输电线路雷击跳闸率因素诸多，有一定复杂性，解决线路雷害问题，要从实际出发，因地制宜，综合治理。在采用防雷改进办法之前，要认真调查分析，充分理解地理、气象及线路运营等各方面状况，核算线路耐雷水平，研究采用办法可行性、工作量、难度、经济效益及效果等，最日后决定准备采用某一种或几种防雷改进办法。