输电线路杆塔接地体地电位分布特性研究

　　摘要:为了研究雷击输电线路时输电杆塔接地装置时的暂态特性以及地电位分布情况，通过在陕西省境内选取高压输电杆塔实地测量的方式，分析了雷电流波前时间和半波时间对地电位峰值的影响、3种不同结构接地体地电位的分布规律以及同一种接地体在不同电阻率土壤环境下的电位分布情况，试验结果表明雷电流波前时间越短、土壤电阻率越高的条件下地电位峰值更大，不同结构类型接地体周围的地电位都是从地网中心注流点到地网边缘逐渐下降，地网中心附件电位梯度大于地网边缘，但3种接地体周围的局部散流规律呈现出不同的特点。研究结果为输电线路杆塔接地体优化设计和降低冲击接地电阻等方面提供参考。

　　关键词:雷击;杆塔接地体;暂态特性;地电位

　　0引言

　　雷击会严重影响人类生产活动，包括电力系统的安全稳定运行，据资料研究表明，40%～70%的电力系统跳闸是由雷击引起[1-2]，雷击会造成电力设备停运甚至损坏，架空输电线路地处野外，线路 长，很容易遭受雷击，所以必须重视输电线路的雷电过电压及其防护问题。对于高压输电线路的防雷，接地装置承担着泄放雷电流、保证雷击线路杆塔时保证人身和设备安全的任务，提高输电线路杆塔的耐雷水平，降低雷击跳闸率，对于维持电力系统的安全稳定运行具有积极意义，因此研究输电线路杆塔接地体的雷击暂态特性一直受到电力设计、运行等部门的重视[3-4]。

　　输电线路的雷击过电压可以分为两类，第一类是感应过电压，是雷击线路附近的大地时，在输电线路上引起的感应过电压;第二类是直击过电压，由雷电直接击中输电线或者线路杆塔引起。运行研究经验表明，感应过电压只对35kV等级以下的输电线路运行造成威胁，而直击过电压对于高电压输电线路的安全稳定运行危害最大。为了减小雷击引起的输电线路故障，人们采用了各种防雷措施，如架设避雷线、降低杆塔冲击接地电阻、装设线路自动重合闸装置、安装线路避雷器等[5-10]。根据国内外对于输电线路的防雷研究，电压等级在110kV及以上的高压输电线路，降低杆塔冲击接地电阻是提高耐雷水平、降低雷击跳闸率最为有效且经济的方案，由此可见，对于输电线路的防雷保护工作主要集中在接地体优化设计和降低冲击接地电阻方面。

　　自20世纪初，大量学者就开始研究接地装置的冲击特性[11-14]，线路杆塔遭受直击雷时，雷电流沿杆塔流入接地装置，从而在接地装置上产生过电压，武汉大学、清华大学等研究机构在杆塔接地冲击电位分布做了时域有限元模拟试验，还有一些学者们是在缩小比例的沙池中试验，但是研究学者们很少对杆塔接地体在实际环境下做冲击试验[15-16]。

　　因此有必要开展实地试验，研究真实环境下的接地装置电位分布，一方面可以指导杆塔绝缘配合，另一方面可以为降低接地装置的冲击接地电阻提供可靠依据。针对输电线路的雷击情况，笔者通过实地试验的方式，研究不同参数暂态激励时输电杆塔接地装置上的暂态响应，相同暂态激励下不同结构的接地体周围电位分布情况，以及处于不同电阻率土壤中时，接地装置的电位分布。为优化接地体结构、设计降低冲击接地电阻提供参考。

　　1试验方案

　　为了研究输电线路杆塔在雷击下的暂态特性，选取了陕西省境内扶风段家—兴平庄头330kV高压输电线路走廊作为试验的区域，采用三极法进行试验，其中使用便携式冲击电流发生器或移动式冲击电流发生器产生冲击电流，为本次试验过程中所采用的冲击电流发生器现场布置。使用15kV高压探头测量接地网电位分布，使用Pearson101无源电流探头测量注入电流以及地网散流情况。

　　根据我国发布的接地装置雷击暂态特性分布中推荐在接地体周围围绕均流环，均流环与其他测试仪器没有任何电气连接，使用均流环的目的是为了冲击电流在接地体各个方向上的散流更加均匀。根据国标[17]中的内容，在本次开展的试验过程中，均在接地体周围均流环，且围均流环的直径为1.5倍的接地体直径或对角线长度，文献[18]研究了试验过程中各线路之间电磁耦合引起的测量误差，使用三极法测量的布线尽量采用夹角排布且保持一定的距离。

　　黑色加粗的辐射形结构代表输电线路的杆塔接地体，冲击电流发生器与接地体直接连接，此外冲击发生器还与远端的回流点连接，为了使试验的结果更加准确，回流点距离杆塔接地体中心50m;当测量接地体附近的电位时，将测试点通过电压引线与分压器和示波器连接，从而得到测试点的电位，使用UPS电源对示波器进行供电，UPS、示波器、分压器均应放置于绝缘垫上或悬空布置，保证对地绝缘，避免地电位的干扰。需要对不同结构类型的接地体和不同土壤条件下的电位分布进行试验测试。

　　2不同暂态激励的影响

　　为了研究试验中采用何种参数的冲击电流模拟雷电流注入接地体更加合适，需要开展不同参数暂态激励的试验，使用冲击电流发生器产生不同波前时间的电流以模仿不同的暂态激励。由于在本节中探究的主要是不同参数暂态激励的影响，故接地体的结构类型可以不纳入考虑范围，在本节中选取的试验对象为辐射形接地体，接地体埋入地下1.5m，冲击电流发生器沿接地体中心注流。冲击电流的波前时间是影响冲击特性的主要因素之一，为了分析波前时间对电压分布的影响，选取2.6/50μs的标准雷电流与5.2/50μs的雷电流的试验结果进行分析比较。试验得到接地装置上暂态电压响应。

　　在峰值为1kA的2.6/50μs雷电流作用下，接地装置电压峰值为2.04kV;在峰值为1kA的5.2/50μs雷电流作用下，接地装置电压峰值为1.21kV。由于接地装置存在感抗，且上述试验中没有考虑土壤电离，因此接地装置的暂态电压要比在单位工频电流作用下所得到的暂态电压高。雷击情况下杆塔主要呈感性，在雷电流波形变缓后，塔顶电位下降较快，接地装置上的电位与塔顶电位之间的比值开始上升[1]。

　　雷电冲击所造成的接地装置的电压分布与雷电流的波前时间有关。雷电流的波前时间越短，其高频分量能量越高，接地装置上的电压波形更尖锐，从波形上来看波前时间较短的冲击电流在接地网上的暂态响应具有上升快、下降快、峰值大的特点。此外根据文献[2]中统计的数据，雷电流的波前时间多在1～4μs内，故采用波前时间为2.6μs的冲击电流模拟真实雷电流入侵接地体具有代表意义。

　　3典型接地体结构下冲击电位分布

　　常用的高压输电线路杆塔接地体结构有单根伸长接地体、回形接地体和辐射状接地体[19]。使用2.6/50μs的冲击电流注入不同结构类型的接地体，研究杆塔在不同暂态激励下非金属接地体表面与冲击侵入点间的空间暂态电位差分布情况。

　　列出了常见的3种杆塔接地体类型结构，3种接地体的电位测试点排布方式也在图中体现了出来，3种接地体均具有中心对称性，故在试验测试中对接地网的部分代表区域进行了电位测试，即可以推演整个接地网面积上的电位分布情况。选取2.6/50μs波形的雷电流注入接地体，试验得到的单根伸长接地体下的电位分布，接地体中心位于坐标原点，总长20m，可以得高电位主要分布在在靠近接地体的小区域范围内，并且在电流注入点附近其电位和电位下降速率最大，随着远离接地体电位下降越来越平缓。

　　在注入平均电流幅值为2.07kA的条件下，其接地体附近最大电位幅值达到了33.8kV，其电位沿Y轴基本呈对称分布，对比电位下降的梯度可以得出，沿导体两端的散流特性要强于中间;回形接地体由两个边长分别为20m和40m的正方形金属框相互连接组成，坐标原电位于接地体中心，测量接地体右下角1/4区域的电位，接地体结构尺寸和测量点布置方案。

　　试验结果显示当注入平均电流幅值1.98kA的条件下，其接地体附近最大电位幅值达到了35.6kV，绘制出了辐射形接地体的尺寸，测量的电位沿接地体右下角的扇形区域间隔分布，根据单根伸长接地体和回形接地体下的试验结果可以得知电位变化较大的点主要集中在靠近接地体的区域，故在靠近辐射形接地体的周围测试点布置较密，随着远离原点而逐渐稀疏，在注入平均电流幅值为2.35kA的条件下，其接地体附近最大电位幅值达到了33.7kV，对比电位梯度可以得出，电流散流在X方向和Y方向要弱于其他方向，这是由于电流散流依赖于金属导体，而X方向和Y方向距离接地体水平距离最远。

　　4不同土壤电阻下试验

　　接地电阻受土壤电阻率的影响较大，陕西省所在的区域地质条件极为复杂，属于典型的黄图高原地貌类型，基本地貌类型是黄土塬、梁、沟等，是黄土高原经过现代沟壑分割后留存下来的高原面，土壤电阻率存在着地区不均匀性。选取处于不同土壤模型下的接地装置进行试验，探究处于不同电阻率土壤的接地体下地电位分布情况。

　　以辐射形结构的接地体为例进行现场雷电流注流试验，沿陕西省境内扶风段家—兴平庄头330kV高压输电线路选取了A、B两处不同土壤电阻率的杆塔进行试验，采用温纳四极法用土壤电阻率测试仪对两杆塔处的土壤电阻率值进行了测量，显示A处土壤电阻率为658.

　　3Ω·m，B处土壤电阻率为402.8Ω·m，其中A处沿接地网中心注流0.977kA冲击电流，B处沿接地网中心注流1.153kA冲击电流，分析结果表明:不同的土壤模型，将对雷电流泄放效果产生影响，土壤电阻率低且均匀时有利于雷电流的泄放，地电位升由地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势，下降的幅度中心大，边缘小，也就是说越靠近地网中心，电位梯度越大。

　　电力论文投稿刊物：高电压技术根据电力生产、建设、科研、教学需要提供导向性、实用性信息及技术措施，推广实用技术的成果，为我国科技发展、领导决策、促进生产发挥接口、载体和桥梁作用。本刊报道内容包括高压设备、输电线路、系统暂态、测试工程、电磁、城网供电、电力电子等及生态环保生物医疗等边缘、交叉学科。既有基础理论研究也有工程实践应用。

　　5结论

　　对陕西省境内高压输电线路不同结构的杆塔接地体以及不通电阻率土壤下的接地装置电位分布进行了实地测量，主要结论有:1)地电位的峰值受冲击电流波前时间的影响较大，受半波时间的影响不大，雷电流的波前时间越短，杆塔接地体上承受的电压峰值会越大。

　　2)通过测量单根伸长、回形和辐射形3种不同结构接地体的电位分布，可以得出在注入点附近其电位差最大，越到边缘，地电位下降越平缓。单根伸长接地体的两端部分电位梯度较大，散流特性强于中间部分;回形接地体的电位和距离注流点距离基本成反比例分布;辐射形接地体在远离辐射金属接地条的部分范围电位下降慢于靠近金属接地条的区域。3)通过对比高低两种电阻率土壤条件下接地装置上的电位分布，可以得出电位分布趋势基本相同，电位峰值均集中在注流点附近，地电位沿地网中心向地网边缘逐渐下降，下降的幅度地网中心大于地网边缘。

　　参考文献:

　　[1]张波，薛惠中，金祖山，余绍峰，吴锦鹏.遭受雷击时输电杆塔及其接地装置的暂态电位分布[J].高电压技术，2013，39(2):393-398.

　　作者：李伟1，王森1，冯雅琳1，王荆1，马学锋2，尚茜茜2，韩帅