輸電線路防雷接地檢測技術

俸世榮，姜德華，段超，包志翔，郭翔

(1.云南電網公司普洱供電局，云南 普洱 665000;2.廈門紅相電力設備股份有限公司，廈門 361001)

1 前言

雷害引起的電力供應中斷事故約占電力系統事故的30%以上，事故跳閘勢必影響電力系統的正常供電，做好輸電線路的防雷設計工作，不僅可以提高輸電線路本身的供電可靠性，還使變電所、發電廠的安全運行得到了有效保障。當前采取的主措施有采用不平衡絕緣、線路加強絕緣、加裝耦合地線、減小線路的保護角、降低桿塔接地裝置的接地電阻、線路上安裝避雷器等。輸電線路桿塔接地裝置通過接地引下線及桿塔塔身與架空地線相連，其主要作用是將直擊于輸電線路的雷電流快速、安全地引入大地，限制桿塔地電位的升高并控制在線路設備的雷電沖擊耐受水平以內，以減小雷擊引起的線路跳閘停電及人身事故。當雷擊輸電線路桿塔時，雷電流經桿塔和接地裝置流散入地，桿塔的電位升高主要受桿塔和接地裝置的綜合效應影響。雷擊塔頂時，塔頂電位為:

式 (1)中的Ut為桿塔塔頂電位，Rch為桿塔接地裝置的沖擊接地電阻，i為雷電流幅值大小，L為桿塔的電感，β為避雷線對雷電流的分流系數。

由式 (1)不難看出塔頂電位與桿塔接地裝置沖擊接地電阻的密切關系，沖擊接地電阻的大小直接影響塔頂的電位。

當塔頂電位Ut與輸電線路相導線之間的電位差超過了線路絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓時，絕緣子串極有可能發生閃絡，導致反擊跳閘，造成線路的停電事故，影響電力系統的正常運行。在其它同等條件下，若沖擊接地電阻值越低，雷擊時加在線路絕緣子串上的電壓就越低，其發生反擊閃絡的概率就越小，耐雷水平更優，反之亦然。

綜上所述，輸電線路桿塔接地裝置的沖擊接地電阻是衡量線路耐雷水平的一項十分重要的指標，因此如何有效檢測輸電線路桿塔沖擊接地電阻有利于評估線路的耐雷水平，是線路防雷工作中的一項重要任務。

2 沖擊接地電阻概念

前文提及到的接地裝置沖擊接地電阻是指當雷電流經接地裝置流散入地時，接地裝置相較遠方電位零點所呈現的電阻值。它有別與傳統測試的工頻接地電阻，其主要原因是受雷電流自身特征所產生的額外效應的綜合影響。由于雷電流是一種單極性波形 (75%～90%的雷電流為負極性)，其相較工頻故障電流有兩個顯著的特征:

1)高幅值——雷電流的幅值大小通常分布在20 kA～200 kA的范圍內。

2)高頻——雷電所蘊含的能量大致集中100 Hz～1000 kHz波段內，雷電流等效頻率遠遠高于工頻50 Hz。

基于高幅值特征的影響，當雷電流經接地裝置流散入地時，將在周圍形成一個瞬變電磁場，而當電場強度超過土壤臨界擊穿場強時，接地裝置周圍的土壤將被擊穿從而形成火花放電，而火花放電的影響等效增大接地裝置的導體截面，使得阻值變小，即所謂的火花效應影響。另一方面，接地裝置自身的電感分量對電流頻率特征較為敏感，而受雷電流高頻特性的影響，接地裝置對雷電流的阻礙作用較明顯，即電感效應。正是由于電感效應和火花效應的綜合作用影響，導致了雷電流作用下接地裝置所呈現的接地電阻有別與工頻條件下所呈現的接地電阻。

在沖擊電流的作用下，接地裝置的沖擊接地電阻實際上是一個暫態分量值，隨時間而發生變化。為了方便工程上的使用，使沖擊接地電阻Rch有一個明確的意義，通常令:

式 (2)中，Im為流經接地裝置的沖擊電流的幅值，Um為接地裝置在沖擊電流作用下的對地電壓幅值。即沖擊接地電阻在數值上等于接地裝置在沖擊電流作用下的對地電壓幅值與流經接地裝置的沖擊電流幅值之比。但由于受電感作用影響，沖擊電流波形通常滯后于沖擊電壓波形，Im和Um也不在同一時刻出現，所以從嚴格意義上來說，按此定義的沖擊接地電阻并無實際的物理意義，但這一定義在工程上使用卻很方便，具有較好的工程意義。因為在實際工程應用中重點關注的是在某一沖擊電流Im的作用下，接地裝置可能出現的最大對地電壓Um的情況，而在Rch確認的條件下，此工程需求很容易得以滿足實現。

輸電線路出現工頻接地短路故障相對較少，輸電線路桿塔接地裝置主要用于防雷接地，其作用是在線路遭遇雷擊時，迅速、安全地將雷電流泄散入地，同時將接地裝置的對地電壓穩定在一個安全的范圍之內，以防止雷電過電壓的反擊事故，因此在針對輸電線路防雷接地性能的檢查評估時，應著重考量其沖擊接地電阻的大小情況。

3 防雷接地檢測現狀

由于目前測試技術和條件的限制，缺乏合適的沖擊接地電阻檢測手段，很難普遍開展有效的沖擊接地電阻檢測工作，因此在工程實際中一般以工頻接地電阻代替沖擊接地電阻，或者在工頻接地電阻實測的基礎上，考慮接地裝置的沖擊接地系數進行修正。但受雷電流在大地中的散流行為特性的影響，工頻接地電阻并不能等效沖擊接地電阻，二者之間存在較大差異，僅靠測量工頻接地電阻并不能真實、有效地反映接地裝置在遭遇雷擊時所呈現出的狀態，在實際工程應用中也時常出現輸電線路桿塔接地裝置的工頻穩態電阻值合格，但在線路遭遇雷擊的情況下仍發揮不了其有效的作用，造成線路跳閘停電的事故現象。當前對接地裝置沖擊接地電阻的計算測量方法主要有數值計算方式、大電流模擬試驗的方式、沖擊系數換算的方式以及經驗公式估算的方式有以下幾種。

3.1 數值計算方式

在理論分析的基礎上，對桿塔接地裝置，按非均勻分布的有損長線來處理，建立非均勻分布的等值回路數學模型，其基本方程為:

式 (3)中，I為接地裝置的軸向電流，接地裝置的對地電導G是一個與x，t等多種因素有關的變量，求解這個偏微分方程在數學上將遇到極大的困難，且無法找到G(x，t，…)這樣一個曲線函數。因此只能將該式轉化為差分方程進行求解，從而計算求出接地裝置的沖擊接地電阻。這種方法的缺點是建立統一的數學物理模型非常困難，而且求解十分復雜繁瑣，此外沒有考慮現場的不同環境，如不同的土壤電阻率和不同的地形等因素，不具一般性，且計算結果無法得到驗證。

3.2 大電流模擬試驗方式

對輸電線路桿塔接地裝置進行現場大電流模擬試驗測量即通過采用模擬真實雷電作用情況的方式來測試接地裝置沖擊接地電阻，此方式雖然測試準確，但所需實驗電流幅值較大，測量設備極其笨重，不適合野外輸電線路桿塔接地裝置的測量，尤其是地形復雜的地區，進行現場模擬測量幾乎不可能，此外，采用大電流試驗無法在系統運行的情況下進行實施開展，且安全要求較高，對操作人員及系統相關裝置設施的安全都構成潛在威脅，因此，該方式不便于現場的實測使用，實用性差。

3.3 沖擊系數換算方式

利用測試所得的工頻接地電阻值乘以一個沖擊系數進行換算，即

式 (4)中，Rch為沖擊接地電阻，α為沖擊系數，R為工頻接地電阻。

但實際上由于工頻接地電阻與沖擊接地電阻分別是接地裝置在不同特征電流下所表現出的接地特性，深受電流的行為流散特性、接地裝置結構以及土壤狀況等多重因素的影響，二者之間的關系復雜多變，因此采用沖擊系數換算的方式來測試沖擊接地電阻，過于片面，其有效性有待深究。

3.4 經驗公式估算方式

該方法計算簡單方便，但誤差較大，一般僅適用于估算。

4 小幅值沖擊電流檢測方法

小幅值沖擊電流檢測方法是通過一個沖擊信號發生單元向被測輸電線路桿塔接地裝置中注入一個幅值相對較小 (安培級)，但波形參數 (波頭/半峰值)滿足雷電波標準要求的沖擊電流信號來模擬雷電的作用情況，并通過一個沖擊信號采樣單元對流經接地裝置的沖擊電流信號及接地裝置上的沖擊電壓信號進行采樣，再由信號處理單元對采樣信號進行比較處理，獲取沖擊電流幅值及沖擊電壓幅值，最后結合沖擊接地電阻的工程定義，對比較所得的沖擊電壓幅值和沖擊電流幅值進行比值計算，從而實現沖擊接地電阻的測量計算，測量原理圖如圖1所示:

圖1 沖擊接地電阻測量原理圖

基于上文中對沖擊接地電阻的相關描述，其大小主要受雷電流的高幅特性所引起的火花效應及高頻特性所帶來的電感效應的影響。因此若想完全真實地模擬雷電流作用下的輸電線路的防雷接地特性，就必須充分考慮這兩方面因素的綜合影響。

而本文此次所提出的小幅值沖擊電流測試方法所采用的測試電流雖然幅值較小，無法完全模擬雷電流所引起的火花效應影響，但在忽略火花效應影響的前提下，測試結果相較實際沖擊接地電阻值偏高，從工程應用的角度來看，測試結果更加偏于安全側，此外，火花放電主要集中在雷電流入地周圍的較小區域內，火花效應的影響實際上對于整個接地裝置而言較為微弱。

另一方面，出于對于雷電流高頻特性所帶來的電感效應影響的考慮，所采用的小幅值沖擊電流測試信號的波形參數完全滿足雷電波波形要求，同樣蘊含豐富的高頻分量，因此可以說是充分考慮了電感效應對接地電阻的影響。

此外，基于小幅值電流輸出測試，所需的試驗裝置硬件設計上便于實現小型化、便攜化，能夠較好地解決現場實用性差的問題，便于實現沖擊接地電阻現場測試工作的開展。

5 結束語

綜上所述，文中提出采用小幅值沖擊電流來模擬雷電流測試在工程實際應用中是確實可行的。通過對防雷接地在輸電線路防雷保護中的作用介紹，進一步引入對防雷接地檢測必要性的說明，同時通過對傳統防雷接地檢測技術的綜合對比分析，提出了一種基于小幅值沖擊電流的沖擊接地電阻檢測方法，并通過對檢測原理的分析以及現場的實際應用進一步論證和闡述了該方法的可行性及有效性。

小幅值沖擊電流檢測方法能夠較好地解決傳統沖擊接地電阻測試方法中所存在的有效性、安全性、實用性等方面的缺陷，為線路運維等部門提供了一種便攜、有效的輸電線路防雷接地檢測手段，其主要優勢體現在:

1)小幅值沖擊電流檢測測試方法為現場實地模擬測試，相較傳統的數值計算方式，更加接近真實情況，結果更加真實、有效，且相比復雜的模型搭建及繁瑣的數學求解過程，更加的簡單、方便;

2)測試所采用的電流幅值較小，對于測試人員及系統安全系數較高，此外采用小電流測試對系統的影響較小，可在系統及線路正常運行的情況下進行測試;

3)由于測試電流幅值較小，對所需的沖擊電流發生裝置的電容量要求較小，試驗所需設備容易實現小型化設計，方便現場測試的使用和測試工作的開展。

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