降低輸電線路桿塔接地電阻的新構想

田小軍

（國網山西省電力公司朔州供電公司，山西 朔州 036002）

0 引言

接地系統(tǒng)作為輸電線路一個基本的組成部分，用來確保人身設備安全和減少線路接地故障，保證電網安全可靠運行。輸電線路設備都是室外設備，暴露在曠野或高山上，為確保輸電線路安全運行設置線路防雷保護裝置，而輸電線路接地是避雷技術最重要的環(huán)節(jié)。不管是直擊雷、感應雷或其他形式的雷，都將通過接地裝置導入大地，因此，沒有合理而良好的接地裝置，就不能有效地防雷。從避雷的角度講，把接閃器與大地做良好的電氣連接的裝置稱為接地裝置。接地裝置的作用是把雷云對接閃器閃擊的電荷盡快地泄放到大地，使其與大地的異種電荷中和。當雷電擊在線路上時，通過接地網和接地體把強大的雷電流引入大地，避免線路設備絕緣破壞使線路接地跳閘，它是雷電流流入大地的主要通道。在山區(qū)或其他高土壤電阻率地區(qū)，高接地電阻會影響輸電線路的安全運行。所以，接地改造工程中往往應用幾種不同方法來降低輸電線路接地電阻。方法包括擴大接地網（主接地網與外部子接地接地網連接）、增加接地網的埋深、利用自然接地對象如鋼鐵基礎結構、加入長垂直接地、改變周圍的土壤接地電阻材料等。接地改造應根據(jù)不同運行環(huán)境情況采納不同方案，實施應綜合考慮土壤電阻率、土層結構、土質情況、含水情況、季節(jié)因素、氣候等等因素。接地改造施工要因地制宜選擇優(yōu)化合理的方式，嚴格質量檢測及施工工藝要求，避免頻繁改造，節(jié)約維護費用，降低接地裝置維護工作量，確保接地網保持良好泄流通道。事實上，加裝深垂直接地體是一個很有效的方法，特別是在占地面積有要求，表層土壤電阻率特別高的地區(qū)，這種方法可以有效利用地下底層低電阻率土壤層并消除季節(jié)性影響，是降低接地電阻的一種特殊方法，唯一的缺點是工程造價高。

1 金屬管接地降低接地電阻的原理

1.1 水對土壤電阻的影響

要降低接地電阻，就要改變接地系統(tǒng)周圍土壤的電阻率，因為接地電阻變化主要取決于接地系統(tǒng)周圍土壤的電阻率，土壤電阻率是由土壤中含水量、構成和密度、電解質溶液決定的，其導電方式是離子的傳導。普通土質土壤干燥時，所含水分少，具有高的電阻率。粘土樣品實驗結果表明，當含水量小于10%其電阻率變化很快；當粘土樣品含水量是2.5%時，其電阻測試約是1 400Ω·m；但是當其含水量上升至10%，其電阻測試是200Ω·m；而當其含水量上升到25%，測試其電阻下降到15Ω·m。

1.2 地下深井降低接地電阻的原理

土壤的濕度、含水量是一個很重要的因素，可以用來降低土壤電阻率。如果能夠人為增加接地周圍土壤含水量，就能夠降低接地電阻。通常在地上鑿井，地下水將流入井內。原理分析如圖1所示，在選定深度的土壤平面作壓力分析，對井壁而言所受的是大氣壓力，而對地下土壤中水分子隨深度變化所受的則是大氣壓力再加上土壤深度位置的壓力，顯而易見P1＜P2的。

圖1 水井的原理圖

如果能建造一個金屬管電極作為井壁的水井，金屬管壁鉆許多小洞，地下水由于壓力差會移動到金屬管內，最終地下水將聚集在金屬管中，并在附近形成一個大的高含水量土壤區(qū)域，土壤周圍因充滿地下水電阻率必定會降低。金屬管內的水位是由平衡壓力所決定的，這是一個動態(tài)平衡的過程，涉及到地下水的運動的內容?？傮w而言，原理是將接地電極放置深層地下井的方法，以改變周圍土壤地下水運動方向，并利用地下水的重力，毛細管效應和孔隙滲水，以增加接地電極周圍土壤濕度，從而降低了土壤電阻率。

1.3 地下水

通常，不僅堅硬巖石有空隙差距，在松散沉積土中也有足夠的空間用于儲存和流通土壤中地下水，地下水存在于土壤顆粒、巖石之間的空隙，這是自然界水循環(huán)過程中的一個環(huán)節(jié)。地下水的重力、毛細管效應、水溶解性、在土層空隙中所含地下水含量相應在不同的地區(qū)也不同。地下水來源主要是江河和雨水，根據(jù)不同土壤含水情況，可視為干土層、土壤濕潤層和飽和水層。地下水的存在為金屬管垂直接地體降低接地電阻提供了必要的條件，所以利用金屬管垂直接地體（以下簡稱“金屬管接地”）匯集地下水來降低接地電阻，是一個相當有效可行的方法。

1.4 深度對金屬管垂直接地體周圍濕度土壤區(qū)域的影響

如果金屬管接地埋深并沒有達到飽和水土層，或者是周圍土壤層含水沒有達到飽和，金屬管接地體內進入的地下水和土壤周圍區(qū)域形成的含水層情況如圖2所示，靠金屬管接地體附近的土壤濕度高，但在遠離金屬管接地體的土壤區(qū)域，金屬管接地不能影響在這一地區(qū)土壤濕度。如果金屬管接地體地下深層觸及飽和水土層如圖3所示，金屬管接地體和較大的地區(qū)土壤飽和水層，將會形成大的接地面積。如果地下土壤在含水層上有不透水層，內外壓力可以通過金屬管接地體使地下水直接穿過這個不透水層，濕潤它上方的土壤，并填充不透水層孔隙，形成自流井。所以，金屬管接地體理論上可以適用于有地下水的任何地區(qū)。

圖2 土壤中不含飽和水層和金屬管接地體所形成的地下深層

圖3 土壤中含飽和水并在金屬管接地體觸及的土層達到飽和所形成的地下深層

1.5 不同土壤類型對金屬管垂直接地體周圍濕度的影響

土壤按類型分為砂質土、黏質土、壤土3類。砂質土含沙量多，顆粒粗糙，滲水速度快，保水性能差。黏質土含沙量少，顆粒細膩，滲水速度慢，保水性能好。壤土含沙量一般，顆粒一般，滲水速度一般，保水性能一般。金屬管垂直接地體深度如未達飽和水層，保水性能好的黏質土，能長期在接地體周圍形成高濕度土壤，對土壤電阻率影響大，其次對其影響程度分別為壤土和砂質土。金屬管垂直接地體深度如達飽和水層，影響土壤電阻率的主要取決于土壤中的地下水，即不同土壤類型對金屬管垂直接地體周圍濕度影響小，因此不同土壤類型在含飽和水后電阻率變化較小。

2 金屬管接地體降低接地電阻的機理

金屬管接地體有良好的接地效果，歸納起來主要有以下幾方面。

2.1 地下水移向金屬管接地體

正如上面所分析，管內、管外的壓力差，導致地下水流向金屬管接地體，并聚集在金屬管接地體內，這個壓力差能持續(xù)保持地下水對深井的運動能量。如果底層土壤層含有飽和水，地下水將通過鋼管小孔在金屬管接地體內積蓄，在一段期間內，地下水在管內將通過鋼管小孔浸潤到外面，濕潤地下金屬管接地體周圍區(qū)域干燥的土壤。最后，地下水變化的運動形式在金屬管接地體和周圍土壤區(qū)域內動態(tài)中平衡，形成高濕度低電阻率土壤如圖4所示。在雨季，雨水會分散入土壤，平衡將會被破壞，新平衡會在地下水運動的動態(tài)循環(huán)中形成。

2.2 金屬管接地體與周圍含飽和水土壤形成低阻通道

當達到平衡時，金屬管接地體與周圍含飽和水土壤形成一定區(qū)域，它形成了低阻通道，當故障電流注入地下深層，通過這種低電阻的金屬管接地極和含飽和水的土層，便很容易地分散到土壤中與異種電荷中和。

圖4 形成連接土層含飽和水的低阻通道

2.3 低阻的地下水

土壤中含有不同的礦物質，而這些礦物質能電解出不同的離子，這些離子溶解于地下深層運動中的地下水中。因此，地下水具有良好的導電性，濕潤土壤后，形成金屬管接地體周圍區(qū)域低的電阻率。

2.4 地下水填補土壤孔隙

在干燥土壤中如果有孔隙，如圖5 a和c所示，這將影響到土壤電阻率。通過金屬管接地體水平衡作用，地下水可以直接通過這些孔隙如圖5 b和d，那么,土壤電阻率將會降低，就另一方面而言，有時也可借助鉆孔形成的通道通過一個低電阻土層，使雷電電流可直接分散到低電阻土層。

圖5 垂直孔和橫向孔對干燥土壤的影響

3 現(xiàn)場安裝地下深井式金屬管接地接地體

圖6 金屬管接地體加工及安裝示意圖

如圖6 a所示，在現(xiàn)場安裝金屬管接地體，首先是在土壤中鉆出一個垂直鉆孔，接地電極是采用直徑約50 mm不銹鋼管或鍍鋅鋼管上面鉆有的排列小孔。如果安裝要求達到一定深度，金屬管接地體可由幾根長度約6 m的鋼管串聯(lián)焊接。鋼管插入鉆孔，金屬管接地體整體可由幾個短鋼管焊接相連（根據(jù)地形和降阻要求選擇），每兩根鋼管是直線焊接連接在一起的，頂部與水平接地網焊接，并焊接連接部位如圖6 b所示，鉆孔壁與鉆孔鋼管間隙可用碳粉填充實現(xiàn)低電阻率。填充碳粉具有良好的吸水性，同時具有良好的透氣性，一方面可以保持濕潤狀態(tài)，另一方面可以使地下水容易在管內外循環(huán)流通。為了阻止碳粉進入鋼管，鋼管的透水孔外部可包裹一圈過濾膜材料，其他材料如降阻劑或膨潤土也可以用來填補鉆孔和金屬管接地體之間的差距。頂部鋼管距地面約0.5 m左右要留有小氣洞，保持金屬管接地體中的空氣壓力。

4 金屬管接地體的應用優(yōu)點

4.1 能長期保持恒定低阻值

一般降阻劑雖然能在短期內有效降低接地裝置的接地電阻，但降阻效果是不穩(wěn)定的，因為這類降阻劑所含的無機鹽會隨著雨水迅速流失而使降阻劑失去降阻效果，使接地裝置的接地電阻迅速反彈回升，同時也對接地體造成嚴重的腐蝕。外延水平接地體對接地體的長度又有一定的要求，主要是由于如水平接地體過長，會受電感的影響，對降低沖擊接地電阻無效。金屬管垂直接地體依靠地下水循環(huán)系統(tǒng)和礦物質的電解、毛細管效應等降低電阻，受外界環(huán)境影響小，與周圍的濕潤土層結合，能長期保持恒定低接地電阻。

4.2 受季節(jié)變化影響不大

當金屬管垂直接地體深度達到地下飽和含水層時，不會因外界氣候、季節(jié)變化，影響到金屬管垂直接地體以自流式井的形式，過金屬管滲水孔滲出滲入，最終趨于平衡，達到與周圍土壤結合形成濕土壤，形成低電阻通道，以降低土壤周邊區(qū)域的電阻率。從而降低輸電線路桿塔的接地電阻，達到了良好的接地效果。

4.3 施工工藝簡單

現(xiàn)場改造高接地電阻桿塔的舊接地網時，只需將舊接地部分開挖，如土質較好，將金屬管垂直接地體垂直打入并焊接相連；如土質較硬，則需在土壤中鉆出垂直鉆孔，將金屬管垂直接地體放入鉆孔并焊接相連。金屬管接地的施工占地面積較小，節(jié)約改造成本，施工工藝與傳統(tǒng)接地改造中垂直接地體大致相同，但相比傳統(tǒng)垂直接地體改造方式更能有效降低接地電阻。