高压架空线路铁塔防雷接地方案与对策.docx

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高压架空线路铁塔防雷接地方案与对策

20~35KV高压架空线路铁塔防雷接地设计方案

------------义盟克防雷技术志成

雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，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发展的，上行雷是接地物体顶部激发起，并向雷云方向发起的。

雷电的电压很高，瞬时电流强度很大。

因此，一次雷电的放电时间虽然只有0.01s左右，但其释放出的能量却大得惊人。

自然界里每年都有几百万次的闪电，每年雷电造成的人员伤亡和财产流失，仅次于水灾而大于其他的任何灾害。

架空输电线路是用绝缘体将输电线路固定在直立于地面的杆塔上用以传输电能的输电线路，它由导线、架空地线、杆塔、绝缘子串、接地装置等部分组成。

运行统计数据表明，引起输电线路故障跳闸的原因很多，其中因雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数的60％以上，位居所有跳闸原因之首。

输电线路的防雷涉及因素较多，与地形、地貌、地质、气象和系统运行水平等诸因素有关。

一般35Vk线路因雷击发生单相接地就会跳闸，因此，如何切实有效地制定及改善高压架空输电线路的防雷措施，从而降低线路雷击跳闸率，是保证电力系统安全稳定运行的必要条件。

雷电中直击雷的危害最大最明显，其主要集中于线路中的铁塔。

一般的架空线路都采用了避雷线防护，根据电压等级，35kV线路不宜全线架设避雷线，一般在变电所的进线段架设1～2km的避雷线，同时在雷电活动强烈的地段架设避雷线，或者安装线路金属氧化物避雷器；其中线路中的铁塔防雷接地尤为重要与关键。

 雷击塔顶时反击耐雷水平的计算公式为：

式中

—计及电晕影响的耦合系数；

—杆塔对雷电流的分流系数，一般长度档距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，雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数、杆塔等值电感Lgt、杆塔接地电阻Rch、导地线间的耦合系数k和绝缘子串的50％冲击闪络电压U50%有关。

对一般高度的杆塔，增大导地线间的耦合系数k可以减少绝缘子串上的电压，可以提高耐雷水平；同样增加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。

但是接地电阻上的压降对绝缘子串两端电压影响最大，降低杆塔接地电阻Rch能最有效地提高线路的耐雷水平。

通过计算可以看出降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率最经济而有效的措施。

高压架空线一般组成有：

高压输电线、避雷线、避雷器及铁塔本体。

因此本方案主要是针对高压架空线路中铁塔的保护防雷，采用接地防雷方式，主要是引下线与接地网的设计。

将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极或地网称为接地。

连接到接地极的导线称为接地线。

一个接地装置正确与合理，不仅能为有效防雷提供保障，还能降低工程的建设成本。

本方案重点针对危害最常见的直击雷而设计，采用直接接地制式。

一、引下线的设计

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。

线路中引下线主要包括避雷线的引下线，高压输电线防雷装备保护引线。

根据电力系统设计标准，避雷线引下线可采用铁塔作为引线，铁塔有良好的接地，只需保证引线与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理；铁塔采用四角引线连接到地网接点。

各相线的避雷保护器引线也同样可以采用此方法，但注意的是要确保引线连接的正确与科学，各连接点电气接触良好，一般选用导线截面为35-95mm2的多股铜导线。

 高压架空线路铁塔的接地装置可采用下列模式：

1、在土壤电阻率ρ≤100Ω*m的潮湿地区，可利用铁塔自然接地。

对发电厂、变电站的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要求时，可不设人工接地装置。

2、在土壤电阻率100Ω*m＜ρ≤300Ω*m的地区，除了利用铁塔的自然接地外，并应增设人工接地装备，接地极埋深不宜小于0.6m。

3、在土壤电阻率300Ω*m＜ρ≤2000Ω*m的地区，可采用水平敷设的接地装置，接地极埋深不宜少于0.5m。

4、在土壤电阻率ρ＞2000Ω*m的地区，可采用6~8根总长度不超过500m的放射线接地极或者连续伸长接地极长短结合的方式。

接地极埋深不宜小于0.3m。

还可以采用引外接地或其他措施。

5、居民区和水田中的接地装置，宜围绕铁塔基础敷设成闭合环形。

架空线路铁塔的接地线及连接方式符合DL/T620-1997〈交流电气装置的过电压保护和绝缘配合〉的要求。

二、地网的设计

要布置一个合理的接地网不仅仅是依靠丰富正确的理论计算，还应该从不断的实践中去总结探索。

接地电阻是表示接地体接地状态是否良好的主要指标，通常架空线路铁塔的接地电阻不宜大于30Ω。

（一般所指的是工频接地电阻）接地系统的电阻一般由几部分电阻的总和：

（1）土壤电阻，即从接地极处土壤向远处扩散的电流所经过的路径的电阻。

（2）土壤和接地体之间的接触电阻。

（3）接地体本身的电阻。

（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的导线电阻。

其中起决定作用的是接地体附近的土壤电阻。

土壤电阻的大小一般由土壤电阻率表示。

土壤电阻率一般以1cm3的土壤电阻表示。

土壤的电阻率主要由土壤中的含水量和本身的电阻率来决定，决定土壤电阻率的因素主要有：

土壤的类型、溶解在土壤中的盐和化合物、土壤中的溶解盐的浓度、含水量、温度、土壤物质的颗粒大小和颗粒大小的分布、密集性和压力、电晕作用。

通常铁塔的接地标准如下表：

地壤电阻率（Ω•m）

100及以下

100以上至500

500以上至1000

工频接地电阻（Ω）

10

15

20-30

各接地装置应利用直接埋入地中或水中的自然接地极，当利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地网的布置要求，根据IEC电气标准，依据不同的地理环境，一般采用联合地网布置方式。

按照这种方式布置的地网，根据近似推算公式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为现地网的接地电阻）。

地网接地极网状布置，埋深0.8m，垂直接地体长为2.5m，在地网的均分点上分别引处四条地网测试极到地面，以便检测地网情况。

铁塔接地引线通过四只脚与地网相连，确保电气连接良好，引线经过保护处理，采用PVC套管套装。

地网的形状也不是固定的，可以多样化，具体应根据气候、地形、地理环境，因地制宜。

地理环境的不同决定了地质的不同，从而土壤率也有明显差异。

一般软性土壤地阻相对小，对地网的要求相对比较低，较小的成本就能保障良好的接地性能，而相对硬质土壤比如岩石、多岩山地，地阻很高，为保障良好的接地防雷，对地网的要求也相对较高，同时对地网的设计铺设也造成一定程度上的影响.具体电阻率参考下表：

土壤和水的电阻率参考值

类别

名称

电阻率近似值　Ω·m

不同情况下电阻率的变化围　Ω·m

较湿时（一般地区、多雨区）

较干时（少雨区、沙漠区）

地下水含盐碱时

土

粘土

10

5～20

10～100

3~10

泥炭、泥灰岩、沼泽地

20

10～30

50～300

3～30

捣碎的木炭

40

—

—

—

黑土、园田土、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

河滩中的砂

—

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

砂层深度大于　10m　、地下较深的草原地面粘土深度不大于　1.5m　、底层多岩石　

1000

—

—

—

岩石

砾石、碎石

多岩山地

花岗岩

5000

5000

200000

—

—

—

—

—

—

—

—

—

混凝土

在水中

在湿土中

在干土中

在干燥的大气中

40～55

100～200

500～1300

12000～18000

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

矿

金属矿石

0.01～1

—

—

—

水

海水　　

1～5

湖水、池水　　

30　　

泥水、泥炭中的水　　

15～20　　

泉水　　

40～50　　

地下水　　

20～70　　

溪水　　

50～100　

河水　　

30～280

污秽的水　　

300

蒸馏水　　

1000000

降低线路杆塔的接地电阻，可利用：

①增加接地极的埋深和数量；②外引接地线到附近的池塘河流中，装设水下接地网；③换用电阻率较低的土壤；④在接地极周围施加降阻剂等办法。

根据施工方向又分横向降阻和纵向降阻：

（一）、横向降阻

在杆塔基础周围做一个环形接地网，铺设接地模块以扩大接地网的面积和改善周边地区土壤的导电性能来达到降低杆塔接地电阻的效果。

其主要优点是施工简单、无需大型机械，极大的降低了人力和机械成本；缺点是材料运输量大，施工占地面积大，增加了征地纠纷及费用。

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的接地体，它由导电性、稳定性较好的非金属矿物和电解物质组成，本产品有效的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的现象，导致导电性和泻流能力减弱的情况，增大了接地体本身的散流面积，减小了接地体与土壤之间的接触电阻，具有强吸湿保湿能力，使其周围附近的土壤电阻率降低，介电常数增大，层间接触电阻减小，耐腐蚀性增强，因而能获得较小的接地电阻和较长的使用寿命。

其主要特点

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、高效降阻模块的安装

示意图如下：

3、施工方法：

1）接地模块可进行垂直埋置或水平埋置，埋置深度一般为0.8~1.0米。

2）采用几个模块并联埋置时，模块间距不宜小于4.0米。

如条件不允许，可适当减小，与此同时应减小计算模块用量时模块利用系数的取值。

3）接地模块的极芯互相并联或与地线连接时，必须进行焊接。

要求用同一种金属材料焊接，确保连接的可靠性。

焊接长度应不小于80mm，不允许虚焊、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。

若未达到预期目标，应分析原因和采取弥补措施。

7）在寒冷地区，模块应埋在冻土层以下。

4、用料计算：

根据地网土层的土壤电阻率，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—接地模块的长、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—模块调整系数，一般取0.6~0.9。

（二）纵向降阻

在杆塔基础打深井，在深井安装电解离子接地极，通过电离子的渗透从而改善了基础底部的土壤的导电性能，从而达到降低杆塔接地电阻的效果。

其主要优点：

材料运输量小，占地面积小，无征地纠纷及征地费用；缺点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的铜管构成，管填充的晶体是无机盐类，其降阻原理是靠无机盐类的析出、溶解、电离成可以导电的金属离子,向土壤中的渗透以增加土壤中金属导电离子的浓度而改善土壤的导电性能。

一般情况下，由于加入缓冲剂，该无机盐离子释放时间可到50年以上。

优点：

占地面积小、运输成本低、降阻效果明显、持续时间长、无毒、无污染

缺点：

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—接地网目标值，单位：

Ω

—土壤电阻率，单位：

Ω.m

K—电解离子接地极利用系数，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=1mη取3

L=2mη取2

L=3mη取1

2、施工方案

具体施工如下图所示：

三、辅助防雷措施

在有效降低接地电阻的基础上，可以装设避雷针、避雷器和保护间隙，雷区活动频繁的线路，为有效地提高耐雷水平应使用耦合架空地线。

对雷区的直线杆塔，适当加强线路绝缘，及时更换线路的零值瓷绝缘子，在保证导线对地安全距离和对杆塔各部件空气间隙的条件下，每相加一片绝缘子增加线路的绝缘，可使线路能够耐受感应雷。

为防止雷电绕击线路，对于雷区活动频繁的线路地段架设耦合地线，即在35kV线路原有避雷线的基础上，在下层导线的下方3m处架设一条架空地线，但要考虑到对地的安全距离，其目的是防止雷电绕击线路，保证线路的正常运行。

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，不建立稳定的工频电弧，或减少线路绝缘上的工频电场强度。

采用自动重合闸装置，或用双回路供电，线路即使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的因素很多，有一定的复杂性，解决线路的雷害问题，要从实际出发，因地制宜，综合治理。

在采取防雷改进措施之前，要认真调查分析，充分了解地理、气象及线路运行等各方面的情况，核算线路的耐雷水平，研究采用措施的可行性、工作量、难度、经济效益及效果等，最后来决定准备采用某一种或几种防雷改进措施。