爆破接地技术在降低杆塔接地装置接地电阻中的应用
罗真海1 何金良 曾嵘 高延庆 王勇 孟庆波3
1.广州电力工业局送电管理所 广东广州 510245 2.清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084 3.海南万能达接地技术研究所 海南海口 570203
0 引言
在架空输电线路的设计中，防雷设计是决定输电线路可靠性的一个重要因素。随着电力系统的发展，由于雷击输电线路而引起的事故也日益增多，例如，瑞典1986年公布的电网故障分类表明，由于雷击而引起的事故占所有事故的51%；日本50%以上的电力系统事故是由于雷击输电线路引起的［1］。在我国高压输电线路的总跳闸次数中，由雷击引起的约占40%～70%，尤其在雷电活动强烈、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电线路而引起的事故率更高，这将给社会带来巨大的经济损失。
多年来，如何提高输电线路的耐雷水平已受到人们的日益重视，各国采取了许多措施，如采用不平衡绝缘、线路过绝缘、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杆塔或引下线与避雷线相连，其主要作用是将直击于输电线路的雷电流引入大地，以减小雷击引起的停电和人身事故，此外，还应保证继电保护装置能可靠地动作。无疑，降低杆塔接地装置的接地电阻是提高线路耐雷水平的一项十分重要的措施。浙江电力试验研究所提出的220 kV新杭线21 a雷击跳闸率变化统计结果表明，改善接地是最有效的防雷改进措施［2］。
对于杆塔接地装置，它的冲击接地电阻值越低，雷击时加在绝缘子串上的电压就越低，发生反击闪络的机率就越小。所以在输电线路接地设计时，冲击接地电阻是一个相当重要的参数。在冲击电流作用下，接地装置的冲击接地电阻一般低于工频接地电阻，但是冲击接地电阻因土壤性质、冲击电流峰值及波形、接地装置的几何形状不同而相差很大。因此在接地装置实际设计中，仍以正常工频电阻值作为考虑的依据，同时考虑一定的降低裕度。在输电线路设计中，如果工频接地电阻能达到10～15 Ω，设计上即被认为优良；在超高压输电线路中，多以10 Ω作为接地电阻的要求值。
如何降低电力系统接地装置的接地电阻，长期以来一直是电力系统关心的重要问题之一。爆破接地技术是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术，通过爆破制裂，再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中，从而起到改善很大范围的土壤导电性能的目的，相当于大范围的土壤改性。
1 韶郭线300号杆塔的基本情况
广东220 kV韶郭线的300～302号杆塔接地装置的接地电阻偏高，于1997年12月3日至1998年1月15日，对这3基杆塔的接地装置进行改造，301、302号杆塔采用常规的增加水平接地极的方法，接地电阻分别从原来的55、37 Ω降低到8.9、14 Ω，而300号杆塔在扩大水平接地网的基础上，采用了爆破接地技术进行改造，将接地电阻从270 Ω降低到10.4 Ω，提高了供电可靠性。
300号杆塔位于清远市北江船厂东南山上，山高为300 m，地质为中等风化沉积岩；少部分地区覆盖层为0.30 m的土夹石层，大部分地区岩石裸露。原接地装置采用放射状结构，及从铁塔的四脚基础向外敷设4根水平放射状接地极，每根放射接地极长75 m。1996年5月15日采用ZC8摇表测量接地电阻为满量程；1997年12月5日测量仍为满量程，测量时电流极引线160 m，电压极引线100 m。1997年12月10日改用Φ4103表测得的接地电阻为270 Ω。
2 爆破接地技术
爆破接地技术能有效地降低高土壤电阻率地区接地系统的接地电阻［3～5］。其基本原理是采用钻孔机在地中垂直钻直径为100 mm、深度为几十米(在发变电站接地工程中，垂直接地极深度可能达100 m以上)，在孔中布置接地电极，然后沿孔整个深度隔一定距离安放一定量的炸药来进行爆破，将岩石爆裂、爆松，接着用压力机将调成浆状的降阻剂压入深孔及爆破制裂产生的缝隙中，以达到通过降阻剂将地下巨大范围的土壤内部沟通，加强接地电极与土壤、岩石的接触，从而达到较大幅度降低接地电阻的目的。采用爆破制裂压力灌降阻剂法，降低接地电阻的原理大致可归纳为：(1)利用地下电阻率较低的土壤层、地下水层及金属矿物质层来改善散流；(2)降阻剂可很好地与接地极及各种类型的土壤、岩石形成良好的接触，达到降低接触电阻的效果；(3)在大范围内降低土壤电阻率，从而降低土壤的散流电阻；(4)通过爆破制裂形成的裂隙可将岩石中固有的节理裂隙贯通，压力灌降阻剂形成一个低电阻率通道，贯通的固有裂隙可通向较远的土壤中，与土壤低电阻率区域相连：(5)在压力灌降阻剂后，形成的填充了降阻剂的通道，它有利于电流通过裂隙中的降阻剂散流到外部岩层，也可通过裂隙散流到电阻率较低或有地下水及金属矿物质的地层，从而有利于接地极或接地网的散流。
单根垂直接地极采用深孔爆破制裂压力灌降阻剂法之后，形成如图1所示的填充降阻区域，降阻剂呈树枝状分布在爆破制裂产生的缝隙中，填充了降阻剂的裂隙向外延伸很远。试验和模拟计算表明，一般爆破制裂产生的裂纹可达2至几十米远。
图1 形成的填充降阻剂区域
爆破接地技术在杆塔、微波塔、发变电站接地工程中广泛应用，如在220 kV南革、凤革北、平虎送电线路等工程，以及在珠海港北变电站、承德榆树沟变电站接地工程，以及内蒙古丰镇电厂和海勃湾发电厂地网改造工程中采用。
3 地质结构
了解接地装置所处地区的土壤地质结构是进行接地装置科学分析和设计的基础。目前接地设计时，普遍将土壤视为具有等效电阻率的均匀土壤，而忽略了土壤的实际结构，这样设计的结果必然带来很大的误差，同时也具有盲目性。可能导制这种情况发生：设计时接地装置的接地电阻是合格的，但施工完成后接地电阻远没有达到要求。
为了得到韶郭线300号杆塔所处土壤的地质分层结构情况，采用温纳法测量得到不同极间距离时的土壤视电阻率，为了确保测量的正确性，测量时分别采用前苏联Φ4103接地电阻测量仪和我国ZC8接地摇表进行对比测量，相互校核。由于土壤存在分层的情况，因此，某一极间距测量得到的视电阻率，并不代表某一层土壤的真实电阻率，而是综合各层情况的结果。
将测量极间距为a时的视电阻率用ρa来表示，测量时通过改变极间距a，可得到相应电阻值Ra来计算视电阻率
ρa=2πaRa (1)
测量得到的视电阻率随极间距变化的曲线如图2所示。
图2 土壤视电阻率随极间距变化的曲线
采用清华大学从加拿大SES公司开发的CDEGS集成工程软件包对测量数据进行分析处理。测量数据时，要消除掉测量过程中的干扰因素，经CDEGS处理之后，可得土壤地质结构的实际分层情况［6］。分析表明，杆塔所处位置的土壤可分2层：上层厚度为2.96 m，土壤电阻率为626.9 Ω.m，下层为5 662.3 Ω.m。上层为地表土壤层，相当薄；下层为岩石，电阻率特别高。分析得到的地质分层情况与施工时确定的地址结构非常接近。之所以进行土壤的分层处理，一是为了进行精确的模拟计算，另一方面则是根据实际的地质结构来设计垂直接地极。
4 改造方案和效果
线路杆塔接地装置的主要功能不同于发变电站的接地网。接地网的主要功能是流散短路故障电流，确保电气设备和人身安全；而线路杆塔接地装置主要是流散经杆塔入地的雷电流，防止线路反击。工频短路电流和高频雷电流流经接地导体时，电流散流到土壤中的过程是不一样的。工频短路电流沿整个接地导体均匀散流；而高频雷电流流经接地导体时则完全不同，由于雷电流流经接地导体时，接地导体的感抗阻碍雷电流向远端流动，越靠近雷电流入地端，流散的雷电流就越多。在雷电流作用下，接地导体存在有效长度。
由于接地装置流散电流的特性不同，导致接地网或接地装置设计方法的不同。在发变电站接地网设计时，用于降低接地电阻的长垂直接地极或接地井一般布置在地网周围；而在设计杆塔接地装置时，如果将垂直接地极布置在水平接地极远离雷电流入地端，则可能导致垂直接地极不能得到充分利用，如果水平接地极很长，则垂直接地极完全不能得到利用，因此垂直接地极应靠近雷电流入地点布置。接地极在雷电冲击电流作用下存在有效长度，通过模拟试验得到的水平和垂直接地极，在雷电流作用时的有效长度计算分式分别为
当接地体长度超过有效长度时，冲击系数有可能大于1。在实际工程中，接地体的长度不得超过有效长度，否则，即使工频接地电阻降下去了，而线路的防雷效果不佳。
通过模拟计算和分析，最终确定的300号杆塔接地装置的结构如图3所示，采用埋深为50 m×120 m的水平地网，在铁塔周围布置6个垂直接地极，采用爆破接地技术进行施工。钻孔采用一种新型的大口径岩石钻机，动力为17 m3空气压缩机；孔深为20 m，岩孔直径为100 mm，接地极采用12镀锌钢筋。
图3 改造后的300号杆塔接地装置结构示意
1998年1月16日，广州电力局送电管理所对韶郭线300号杆塔接地电阻进行了测量，分别采用ZC8接地摇表、前苏联Φ4103接地电阻测量仪和瑞士钳表CA6411型接地电阻测量仪，测量结果如表1所示。
表1 改造后的接地电阻测试结果
测量仪 测量结果/Ω 均方值/Ω ZC8 8.15 8.35 10.40 Φ4103 8.00 8.55 CA6411 16.50
5 模拟分析
采用CDEGS软件对图2所示的接地系统进行了模拟计算。计算所得接地电阻值为12.36 Ω，处于3种仪表测量结果之间，与实测值比较接近。
10 kA短路故障电流流入接地装置时，接地装置地表面的电位分布如图4所示。
图4 故障电流流入接地装置时地表的电位分布
6 结束语
6.1爆破接地技术是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术，通过爆破制裂，再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中，起到大范围的土壤改性目的。
6.2 采用爆破接地技术对广东220 kV韶郭线300号杆塔的接地装置进行改造，将接地电阻从270 Ω降到10.4 Ω，提高了供电可靠性。
6.3 采用从加拿大引进的国际最先进、精确的接地设计和分析软件CDEGS进行设计。设计时充分考虑了土壤的分层机构，模拟计算结果与测量结果比较接近。
6.4 爆破接地技术为降低杆塔接地电阻和确保电力系统安全运行，走出了一条新道路。
7 参考文献
1 S. Furukawa, O. Usuda, T. Isozaki, T. Irie. Development and Application of Lightning Arresters for Transmission Lines. IEEE T-PWRD, 1989,4(4):2121～2129
2 孙 萍.220 kV新杭线一回路雷电流幅值实测结果的统计分析.雷电与静电，1989(2)：18～25
3 孟庆波，何金良.降低接地装置接地电阻的新方法.高电压技术，1996，22(2)：67～68
4 孟庆波，何金良.深压降阻法的应用.高电压技术，1996，22(6)：23～25
5 Q.B.Meng, J. L. He. A New Method to Decrease the Power Frequency Grounding Resistance of Grounding Grids in Power System. International Conference on Electrical Engineering, August 12～15，1996， Beijing, China
6 曾 嵘，何金良，刘 虹等.多层土壤接地网设计的机辅分析方法.中国电力，1998，31(5)
