输电线路防雷接地检测技术

俸世荣，姜德华，段超，包志翔，郭翔

(1.云南电网公司普洱供电局，云南 普洱 665000;2.厦门红相电力设备股份有限公司，厦门 361001)

1 前言

雷害引起的电力供应中断事故约占电力系统事故的30%以上，事故跳闸势必影响电力系统的正常供电，做好输电线路的防雷设计工作，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，还使变电所、发电厂的安全运行得到了有效保障。当前采取的主措施有采用不平衡绝缘、线路加强绝缘、加装耦合地线、减小线路的保护角、降低杆塔接地装置的接地电阻、线路上安装避雷器等。输电线路杆塔接地装置通过接地引下线及杆塔塔身与架空地线相连，其主要作用是将直击于输电线路的雷电流快速、安全地引入大地，限制杆塔地电位的升高并控制在线路设备的雷电冲击耐受水平以内，以减小雷击引起的线路跳闸停电及人身事故。当雷击输电线路杆塔时，雷电流经杆塔和接地装置流散入地，杆塔的电位升高主要受杆塔和接地装置的综合效应影响。雷击塔顶时，塔顶电位为:

式 (1)中的Ut为杆塔塔顶电位，Rch为杆塔接地装置的冲击接地电阻，i为雷电流幅值大小，L为杆塔的电感，β为避雷线对雷电流的分流系数。

由式 (1)不难看出塔顶电位与杆塔接地装置冲击接地电阻的密切关系，冲击接地电阻的大小直接影响塔顶的电位。

当塔顶电位Ut与输电线路相导线之间的电位差超过了线路绝缘子串50%雷电冲击放电电压时，绝缘子串极有可能发生闪络，导致反击跳闸，造成线路的停电事故，影响电力系统的正常运行。在其它同等条件下，若冲击接地电阻值越低，雷击时加在线路绝缘子串上的电压就越低，其发生反击闪络的概率就越小，耐雷水平更优，反之亦然。

综上所述，输电线路杆塔接地装置的冲击接地电阻是衡量线路耐雷水平的一项十分重要的指标，因此如何有效检测输电线路杆塔冲击接地电阻有利于评估线路的耐雷水平，是线路防雷工作中的一项重要任务。

2 冲击接地电阻概念

前文提及到的接地装置冲击接地电阻是指当雷电流经接地装置流散入地时，接地装置相较远方电位零点所呈现的电阻值。它有别与传统测试的工频接地电阻，其主要原因是受雷电流自身特征所产生的额外效应的综合影响。由于雷电流是一种单极性波形 (75%～90%的雷电流为负极性)，其相较工频故障电流有两个显著的特征:

1)高幅值——雷电流的幅值大小通常分布在20 kA～200 kA的范围内。

2)高频——雷电所蕴含的能量大致集中100 Hz～1000 kHz波段内，雷电流等效频率远远高于工频50 Hz。

基于高幅值特征的影响，当雷电流经接地装置流散入地时，将在周围形成一个瞬变电磁场，而当电场强度超过土壤临界击穿场强时，接地装置周围的土壤将被击穿从而形成火花放电，而火花放电的影响等效增大接地装置的导体截面，使得阻值变小，即所谓的火花效应影响。另一方面，接地装置自身的电感分量对电流频率特征较为敏感，而受雷电流高频特性的影响，接地装置对雷电流的阻碍作用较明显，即电感效应。正是由于电感效应和火花效应的综合作用影响，导致了雷电流作用下接地装置所呈现的接地电阻有别与工频条件下所呈现的接地电阻。

在冲击电流的作用下，接地装置的冲击接地电阻实际上是一个暂态分量值，随时间而发生变化。为了方便工程上的使用，使冲击接地电阻Rch有一个明确的意义，通常令:

式 (2)中，Im为流经接地装置的冲击电流的幅值，Um为接地装置在冲击电流作用下的对地电压幅值。即冲击接地电阻在数值上等于接地装置在冲击电流作用下的对地电压幅值与流经接地装置的冲击电流幅值之比。但由于受电感作用影响，冲击电流波形通常滞后于冲击电压波形，Im和Um也不在同一时刻出现，所以从严格意义上来说，按此定义的冲击接地电阻并无实际的物理意义，但这一定义在工程上使用却很方便，具有较好的工程意义。因为在实际工程应用中重点关注的是在某一冲击电流Im的作用下，接地装置可能出现的最大对地电压Um的情况，而在Rch确认的条件下，此工程需求很容易得以满足实现。

输电线路出现工频接地短路故障相对较少，输电线路杆塔接地装置主要用于防雷接地，其作用是在线路遭遇雷击时，迅速、安全地将雷电流泄散入地，同时将接地装置的对地电压稳定在一个安全的范围之内，以防止雷电过电压的反击事故，因此在针对输电线路防雷接地性能的检查评估时，应着重考量其冲击接地电阻的大小情况。

3 防雷接地检测现状

由于目前测试技术和条件的限制，缺乏合适的冲击接地电阻检测手段，很难普遍开展有效的冲击接地电阻检测工作，因此在工程实际中一般以工频接地电阻代替冲击接地电阻，或者在工频接地电阻实测的基础上，考虑接地装置的冲击接地系数进行修正。但受雷电流在大地中的散流行为特性的影响，工频接地电阻并不能等效冲击接地电阻，二者之间存在较大差异，仅靠测量工频接地电阻并不能真实、有效地反映接地装置在遭遇雷击时所呈现出的状态，在实际工程应用中也时常出现输电线路杆塔接地装置的工频稳态电阻值合格，但在线路遭遇雷击的情况下仍发挥不了其有效的作用，造成线路跳闸停电的事故现象。当前对接地装置冲击接地电阻的计算测量方法主要有数值计算方式、大电流模拟试验的方式、冲击系数换算的方式以及经验公式估算的方式有以下几种。

3.1 数值计算方式

在理论分析的基础上，对杆塔接地装置，按非均匀分布的有损长线来处理，建立非均匀分布的等值回路数学模型，其基本方程为:

式 (3)中，I为接地装置的轴向电流，接地装置的对地电导G是一个与x，t等多种因素有关的变量，求解这个偏微分方程在数学上将遇到极大的困难，且无法找到G(x，t，…)这样一个曲线函数。因此只能将该式转化为差分方程进行求解，从而计算求出接地装置的冲击接地电阻。这种方法的缺点是建立统一的数学物理模型非常困难，而且求解十分复杂繁琐，此外没有考虑现场的不同环境，如不同的土壤电阻率和不同的地形等因素，不具一般性，且计算结果无法得到验证。

3.2 大电流模拟试验方式

对输电线路杆塔接地装置进行现场大电流模拟试验测量即通过采用模拟真实雷电作用情况的方式来测试接地装置冲击接地电阻，此方式虽然测试准确，但所需实验电流幅值较大，测量设备极其笨重，不适合野外输电线路杆塔接地装置的测量，尤其是地形复杂的地区，进行现场模拟测量几乎不可能，此外，采用大电流试验无法在系统运行的情况下进行实施开展，且安全要求较高，对操作人员及系统相关装置设施的安全都构成潜在威胁，因此，该方式不便于现场的实测使用，实用性差。

3.3 冲击系数换算方式

利用测试所得的工频接地电阻值乘以一个冲击系数进行换算，即

式 (4)中，Rch为冲击接地电阻，α为冲击系数，R为工频接地电阻。

但实际上由于工频接地电阻与冲击接地电阻分别是接地装置在不同特征电流下所表现出的接地特性，深受电流的行为流散特性、接地装置结构以及土壤状况等多重因素的影响，二者之间的关系复杂多变，因此采用冲击系数换算的方式来测试冲击接地电阻，过于片面，其有效性有待深究。

3.4 经验公式估算方式

该方法计算简单方便，但误差较大，一般仅适用于估算。

4 小幅值冲击电流检测方法

小幅值冲击电流检测方法是通过一个冲击信号发生单元向被测输电线路杆塔接地装置中注入一个幅值相对较小 (安培级)，但波形参数 (波头/半峰值)满足雷电波标准要求的冲击电流信号来模拟雷电的作用情况，并通过一个冲击信号采样单元对流经接地装置的冲击电流信号及接地装置上的冲击电压信号进行采样，再由信号处理单元对采样信号进行比较处理，获取冲击电流幅值及冲击电压幅值，最后结合冲击接地电阻的工程定义，对比较所得的冲击电压幅值和冲击电流幅值进行比值计算，从而实现冲击接地电阻的测量计算，测量原理图如图1所示:

图1 冲击接地电阻测量原理图

基于上文中对冲击接地电阻的相关描述，其大小主要受雷电流的高幅特性所引起的火花效应及高频特性所带来的电感效应的影响。因此若想完全真实地模拟雷电流作用下的输电线路的防雷接地特性，就必须充分考虑这两方面因素的综合影响。

而本文此次所提出的小幅值冲击电流测试方法所采用的测试电流虽然幅值较小，无法完全模拟雷电流所引起的火花效应影响，但在忽略火花效应影响的前提下，测试结果相较实际冲击接地电阻值偏高，从工程应用的角度来看，测试结果更加偏于安全侧，此外，火花放电主要集中在雷电流入地周围的较小区域内，火花效应的影响实际上对于整个接地装置而言较为微弱。

另一方面，出于对于雷电流高频特性所带来的电感效应影响的考虑，所采用的小幅值冲击电流测试信号的波形参数完全满足雷电波波形要求，同样蕴含丰富的高频分量，因此可以说是充分考虑了电感效应对接地电阻的影响。

此外，基于小幅值电流输出测试，所需的试验装置硬件设计上便于实现小型化、便携化，能够较好地解决现场实用性差的问题，便于实现冲击接地电阻现场测试工作的开展。

5 结束语

综上所述，文中提出采用小幅值冲击电流来模拟雷电流测试在工程实际应用中是确实可行的。通过对防雷接地在输电线路防雷保护中的作用介绍，进一步引入对防雷接地检测必要性的说明，同时通过对传统防雷接地检测技术的综合对比分析，提出了一种基于小幅值冲击电流的冲击接地电阻检测方法，并通过对检测原理的分析以及现场的实际应用进一步论证和阐述了该方法的可行性及有效性。

小幅值冲击电流检测方法能够较好地解决传统冲击接地电阻测试方法中所存在的有效性、安全性、实用性等方面的缺陷，为线路运维等部门提供了一种便携、有效的输电线路防雷接地检测手段，其主要优势体现在:

1)小幅值冲击电流检测测试方法为现场实地模拟测试，相较传统的数值计算方式，更加接近真实情况，结果更加真实、有效，且相比复杂的模型搭建及繁琐的数学求解过程，更加的简单、方便;

2)测试所采用的电流幅值较小，对于测试人员及系统安全系数较高，此外采用小电流测试对系统的影响较小，可在系统及线路正常运行的情况下进行测试;

3)由于测试电流幅值较小，对所需的冲击电流发生装置的电容量要求较小，试验所需设备容易实现小型化设计，方便现场测试的使用和测试工作的开展。

［1］何金良，陈先禄.输电线路杆塔接地装置冲击特性的模拟原理 ［J］.

［2］何金良，曾嵘.电力系统接地技术［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］解广润，电力系统接地技术［M］.北京:水利水电出版社，1991.

［4］陈家斌，接地技术与接地装置［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［5］陈先禄，刘渝根，等.接地 ［M］.重庆大学出版社，2002.

［6］熊军，陈俊武，陈智等.杆塔地网接地电阻冲击特性的研究 ［Z］ .

［7］电力设备接地设计技术规程SDJ8－79［S］.北京:水利电力出版社，1979.

［8］陈加清，周璧华，赵斐等.辐射状接地体冲击接地阻抗特性的实验 ［Z］.

［9］何金良，曾嵘，陈水明，等.输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟试验研究 ［J］.清华大学学报，1999，39(5):9－12.

［10］夏长征，陈慈萱，文习山.伸长接地体冲击特性的研究［J］.武汉大学学报:工学版，2003(1):54－58.