500kv高压杆塔防雷装置研究[接地电阻的影响分析]

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接地电阻实质上是电流经地面某点流向地下某确定点之间用欧姆定律计算出来的一个物理值,定义为接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆律电阻。在实际工程中,由于测定接地电阻时,打入地下的接地金属探针与流入地表某点的距离是人为的,因此,接地电阻值是不完全确定的。在防雷接地电阻测量时,是假定雷电流在地下疏散至40米处基本为零的前提下进行的,虽然如此,地下土壤结构的不同以及电流探针与接地极的方向不同、电压探针与电流探针之间的距离不同,接地电阻值有时有本质上的不同。

4.1接地电阻计算

4.1.1接地装置的形式

(1)在土壤电阻率小于或等于1000m的潮湿地区,如杆塔的自然接地电阻不大于表3.2规定,可利用铁塔和钢筋混凝土杆的自然接地(包括铁塔基础以及钢筋混凝土杆埋入地中的杆段和底盘、拉线盘等),不必另设人工接地装置,但发电厂、变电所的进线段除外。
(2)土壤电阻率在100-300m的地区,除利用铁塔和钢筋混凝土杆的自然接地外,应设人工接地装置。接地体埋设深度不宜小于0.6-0. 8 m。在土壤电阻300-2000的地区,一般采用水平敷设的接地装置,宜小于0.5m。在耕地中的接地体,应埋设在耕作深度以下。民区和水田中的接地装置,包括临时接地装置,宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形。
(3)土壤电阻率大于2000的地区,可采用6-8根总长度不超过500m的放射形接地体,或连续伸长接地体。放射形接地体可采用长短结合的方式,接地体埋设深度不宜小于0.3 m。连续伸长接地线是沿线路在地中埋设1~2根接地线,并可与下一基塔的杆塔接地装置相连。
(4)在高土壤电阻率地区,当采用放射形接地装置时,如在杆塔基础附近(在放射形接地体每根最大长度的1.5倍范围内)有土壤电阻率较低的地带,可部分采用引外接地或其他措施。
接地体的截面积及断面形状对接地电阻值影响不大,因此,接地体材料规格的选择主要考虑腐蚀及机械强度的需要。接地体的材料一般采用钢材。人工接地体,水平敷设的可采用圆钢、扁钢;垂直敷设的可采用角钢、钢管、圆钢等。接地装置(包括接地体和接地引下线)的导体截面,必须符合热稳定与均压的要求。敷设在腐蚀性较强场所的接地装置,应根据腐蚀的性质采取热镀锡、热镀锌等防腐措施,或适当加大截面。钢筋混凝土杆铁横担和钢筋混凝土横担线路的避雷线支架、导线横担与绝缘子固定部分或瓷横担固定部分之间,宜有可靠的电气连接并与接地引下线相连。主杆非预应力钢筋如上下己用绑扎或焊接连成电气通路,非预应力钢筋可兼作接地引下线。在小接地短路电流系统中,如无可靠措施,预应力钢筋不宜兼作接地引下线。利用钢筋兼作接地引下线的钢筋与接地螺母、铁横担或瓷横担的固定部分应有可靠的电气连接。外敷的接地引线可采用镀锌钢绞线,其截面不应小于25mm2。

4.1.2接地电阻计算方法

杆塔的接地电阻对其耐雷能力具有很大的影响。杆塔安装接地装置可有效减少雷击,降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、减少线路雷击跳闸率的主要措施。以下为几种结构的接地装置的冲击接地电阻

4.2接地电阻对耐雷水平的影响

假设我们把雷击为定值,当避雷针接地电阻值越小时,产生的阻抗也小,输入大地雷电流的量就大,避雷效果就好。反之,接地电阻值越大,产生的阻抗也大,输导雷电流的能力受到影响,避雷效果就差,有时甚至起相反作用,造成雷电危害事故。表4.1为500KV线路不同接地电阻和工作电压下的反击跳闸率统计表。表中数据显示:冲击接地电阻越低,线路的反击耐雷水平越高,反击跳闸率越低。统计结果证明了降低接地电阻有利于提高耐雷水平、减少反击跳闸的结论。
表4.1500KV线路不通接地电阻和工作电压下的反击跳闸率

4.3降低接地电阻的措施

降低杆塔接地电阻的措施主要有[22,23]:
(1)增大接地网面积
由上面接地电阻的物理概念,大地电阻率ρ和介电系数ε不容易改变,而接地电阻R与接地网电容C成反比:从理论上分析,接地网电容C主要由它的面积尺寸决定,与面积成正比,所以接地网面积与接地电阻成反比。减小接地网接地电阻,增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板,当平板面积增大一倍时,接地电阻减小29.3%。
其中一只增大接地面积的方法是增设接地扁铁。该方法效果稳定、对施工工艺要求不高,不存在加速腐蚀现象,改造成本最低。对原接地电阻小于50Ω杆塔降阻效果较好,改造合格率在80%以上,接地电阻越小改造合格率越高;缺点:对原接地电阻大于50Ω杆塔,采用该类方式改造效果较差,接地电阻越大,改造合格率越低。建议:对于杆塔接地电阻虽超标但不明显的杆塔(接地电阻小于50Ω的杆塔)宜首选该改造方式。
(2)增加垂直接地体
依据电容概念,增加垂直接地体可以增大接地网电容。当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时,接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体,电容会有较大增加,接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径为r的圆盘和半径为r的半球电容之比4εr/2πεr可得,接地电阻减小36%。但是对于大型接地网,其电容主要是由它的面积尺寸决定,附加于接地网上有限长度(2~3m)的垂直接地体,不足以改变决定电容大小的几何尺寸,因而电容增加不大,亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法,垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。
(3)人工改善地电阻率
在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法,对减小接地电阻具有一定效果。例如,对于一个半径为r的半圆球接地体而言,其接地电阻的50%集中在自接地体表面至距球心2r的半圆球内,如果将r至2r间的土壤电阻率降低,可使接地电阻大大减小。
添加降阻剂的降阻效果明显,无论改造前杆塔接地电阻大小,均有明显的降阻效果,适用范围广。虽单基改造费用较高,但因降阻效果明显,折算至每下降1级接地电阻所需的费用并不高,在4种降阻措施中排名第二,介于增设接地扁铁和空腹注水之间。但其对地网腐蚀严重;降阻效果与降阻剂生产厂家及施工工艺关系较大,改造效果存在较大分散性。建议:虽然改造效果明显,但对地网的加速腐蚀情况严重,还需对不同厂家生产的降阻剂腐蚀性进行深入探讨。在无探讨成果前,可试验性的小范围开展,但不宜全面铺开。
(4)深埋接地体
在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方,可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地的电阻率随深度而减小的规律,往往在达到一定深度后,地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质,深埋接地体后,使接地体深入到地电阻率低的地层中,通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。
对于地电阻率随地层深度的增加而减小不大的地方,由于地电阻率变化不大,增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容的概念,电容具有储藏电场能量的本领,它所储藏的能量,不是储藏在极板上,而是储藏在整个介电质中,即整个电厂中:介电质中的能量密度,既与介电系数有关,又与电场的分布有关,因此,比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深,所增加的储藏能量的介质空间极为有限;在有限空间中的能量密度又小,储藏的总能量也就增加不多,即电容增加不大,所以对减小接地电阻作用不大,不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻,但对降低交流电阻作用不大,故国军标不推荐使用该法。但结合基地航天测试实际情况,主要是低频信号,此法简单,效果明显,可以使用。
其中一种方法是增设接地模块基本不存在加速腐蚀现象,改造效果稳定。对接地电阻在100Ω以内的杆塔改造效果较好,改造合格率在80%以上。其效果优于第一类改造方式,且适用范围比第一类改造大。但改造费用很高,是所有改造中费用最高的。建议:若杆塔接地电阻为50~100Ω范围内且通过增设接地扁铁很难降低接地电阻的,可考虑采用该方式改造。
(5)敷设水下接地网
在有适宜水源的地方敷设水下接地网,由于水的电阻率比地电阻率小的多,可以取得比较明显的减小接地电阻的效果。而且敷设水下接地网施工比较简便,接地电阻比较稳定,运行可靠,但应注意水下接地网距接地对象的距离一般不大于1000m。类似的方法是增设空腹注水装置。
该方法基本不存在加速腐蚀现象。对高接地电阻杆塔改造效果较好,对改造前接地电阻大于50Ω的杆塔改造合格率在80%以上,与第一类改造方式具有较好的互补性。对接地电阻超标严重的杆塔(接地电阻大于100Ω),可考虑采用该方式改造,但须关注生产厂家的选择并确保施工工艺。合理选择生产厂家、提高施工艺是保证降阻改造效果的关键。
(6)利用自然接地体
充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结购物,以及上下水金属管道等自然接地体,是减小接地电阻的有效措施,而且还可以起引流、分流、均压作用,并使专门敷设的接地带的连接作用得到加强。
上述改造措施大致可以分为以下三类:
第一类改造:增设接地扁铁类改造,指为扩大地网面积而增设水平接地体、垂直接地体、复合接地体的改造。
第二类改造:增设降阻设施类改造,指为降低接地电阻而在地网上增设接地模块、空腹注水等设施的改造。
第三类改造:添加降阻剂类改造,指为降低土壤电阻率而在地网区域内添加降阻剂的改造。
不同电压等级的杆塔接地电阻降阻改造比例如图4.5所示。
图4.5 不同电压等效下的杆塔降阻改造比例
本文对一类的改造效果进行了统计,为了提高分析的准确度,对于改造前杆塔接地电阻小于20Ω的杆塔不纳入统计,仅对改造前接地电阻大于20Ω的杆塔改造效果进行评价,见表2。
表4.1第一类改造后的效果统计

[正文图表略.]
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