高架输电线路雷击防护接地在线监测技术的研究

高架输电线路雷击防护接地在线监测技术的研究

杨国峰,谢志奇

(内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古超高压供电公司，内蒙古 呼和浩特 010000)

摘要：架空输电线路大部分暴露在自然环境之中，所经路径地处旷野易受雷击影响。雷击是常见的输电线路的故障原因，杆塔接地的作用是在雷击状态下将冲击电流或雷电流通过杆塔基础的自然接地和人工水平接地体导入大地，以保护设备的安全。为防止输电线路雷击故障，需要保障杆塔接地装置良好。针对高架输电线路接地装置每年定期测量占用大量人力物力，且测量结果受人员技能水平影响较大的现状，对接地监测系统进行研究。本文介绍输电线路雷击故障原因、接地电阻检测方法，接地监测系统的设计思路，接地监测系统组成。本文对接地监测技术的数据采集、信息传输、电源管理部分进行研究，该方法可代替人工进行线路电阻检测，减少劳动强度，降低运维成本。同时后台管理系统通过对大量数据的分析，为下一步线路运维方案提供数据支持。

关键词：输电线路；接地；接地监测

中图分类号：TM755   文献标志码：A    文章编号：

Research on On-line Monitoring Technology of Lightning Protection Grounding for Overhead Transmission Lines

Yang Guofeng, Xie Zhiqi

(Inner Mongolia Electric Power (Group) Co. , Ltd. . Inner Mongolia Ultra-high Voltage Power Supply Company, Hohhot010000, China;)

Abstract:Most of the overhead transmission lines are exposed to the natural environment, and their paths are easily affected by lightning in the open country. Lightning Strike is a common fault cause of transmission line. The function of tower grounding is to lead the impulse current or lightning current to the earth through the natural grounding and artificial horizontal grounding of Tower Foundation, to protect the safety of the equipment. In order to prevent the Lightning stroke fault of transmission line, it is necessary to ensure the tower grounding device is good. In view of the fact that the earthing device of overhead transmission line takes up a large amount of manpower and material resources every year and the measurement result is greatly influenced by the personnel skill level, the earthing monitoring system is studied. This paper introduces the cause of lightning stroke fault of transmission line, the detection method of grounding resistance, the design idea of grounding monitoring system and the composition of grounding monitoring system. In this paper, the data acquisition, information transmission and power management of grounding monitoring technology are studied. This method can replace manual line resistance detection, reduce labor intensity and operation cost. At the same time, the background management system provides data support for the next line operation and maintenance program through the analysis of a large number of data.

Keywords:transmission line; ground; ground monitoring

0引言

近在国民经济发展中，电力系统正常运行十分重要。高架输电线路的安全运行是电力正常的输送重要部分。雷击是常见输电线路故障原因[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%[2]，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[3]，造成巨大的经济损失。架空输电线路杆塔接地的作用是在雷击状态下将冲击电流或雷电流通过杆塔基础的自然接地和人工水平接地体导入大地，以保护设备的安全[4]。因此需要对杆塔接地电阻的进行定期测试，以保证接地装置良好。

1输电线路雷击故障原因

架空输电线路作为电网的重要组成部分，架设路径大多为高山、旷野或丘陵，且基本采用高塔架设，大部分暴露在自然环境之中，所经路径地处旷野易受雷击影响[5]。架空输电线路的安全稳定运行会受到雷击的影响，雷击也会造成绝缘子[6]和其他电力设备的损坏，电力设备的损坏和雷击造成的跳闸故障都将给供电企业带来损失。雷击后可能产生系列次生灾害，如断线、倒塔等，严重影响了电网运行的可靠性。

架空输电线路中出现的大气过电压通常有两种：即感应雷过电压与直击雷过电压[7]。前者是雷击附近的地面，因电磁感应所引起的感应过电压。后者是雷直接击线路所引起的直击雷过电压，而雷击线路故障性质又分为反击与绕击两种[8]。在电力系统遭受雷电袭击危害以直击雷过电压最为严重[9]。

1.1反击

雷击线路杆塔或避雷线时，雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高，当雷击点与导线之间的电位差超过线路绝缘冲击放电电压时，会对导线发生闪络，使导线出现过电压，称为反击[10]。雷电反击输电线路引起的过电压故障，在输电线路运行环境方面与该地区气象条件（雷电强度、密度）有主要关系；在输电线路自身方面常与其绝缘强度、杆塔接地电阻值有关，一般发生在绝缘弱项。

1.2绕击

绕击是雷电直接击中导线，或绕过避雷线击中导线。从架空电力线路的现场实测、运行经验以及模拟实验中均可表明，架空电力线路遭受雷电的绕击率，与避雷线对边导线保护角、地面杆塔高度以及高压输送电线所经地形、地质条件与地貌均有关系。在山区由于地面倾角的影响，斜山坡地段的坡面外侧导线以及相邻杆塔位于山顶的挡距中央区域等地区地面屏蔽变弱、保护角和屏蔽失效区增大，很容易遭受绕击[11]。

2接地电阻检测方法

雷击故障的消除主要从以下几个方面入手：调整避雷线保护角、提高绝缘水平、保持接地装置良好[12]。前两者已经做了相应工作，取得一定效果。但是线路的接地装置地下浅埋，位于农田、滩涂、山川、丘陵等不同地貌，受人类活动和自然侵蚀的影响，有不同形式的损伤，对提高电网运行的可靠性形成了制约。

输电线路杆塔接地可靠性主要以接地电阻值为标准来衡量的。针对杆塔接地电阻的测量目前主要靠人工完成，测量原理大多都是基于温纳法（四极法），该方法由美国标准局的弗拉克 温纳 (Frank Wenner)于1915年开发而成。测量方法有三极法、钳表法、高频并联法等[13]。

2.1三极法

三极法是指由接地装置、电流极、电压极组成的3个电极来测量接地装置接地阻值的方法[14]。三极法作为目前广泛运用的接地电阻测量方法[15]，其优点主要在于测量精度高，适用范围广。该方法是基于电压电流原理，同样采用布置电流极电压极的方式进行测量，测量时，在实现准确布极后向接地体中注入电流信号I，并测量电压极上的电压U，最后得到杆塔接地电阻值R=U/I，但该方法的前提是在土壤均匀且接地体被看作半球体的等效条件下，通过理论计算可以得到电压极距接地体的距离比上电流极距接地体的距离为0.618[16]，理论上将电压极位于零电位点，因此也将此方法称为0.618法。

目前国内多采用此方法进行测量，但实际测量过程中，该方法存在一定的问题，首先是布极的准确性，根据三极法测量操作规程DL887-2004《输电线路杆塔工频接地电阻测量》，布极方向不沿着接地体方向布极，由于接地体埋设时间跨度大或实际工程设计图纸遗失，接地体埋设方位的未知性导致了布极的不准确；其次，三极法测量杆塔的接地电阻前，需拆除被测杆塔所有接地引下线，把杆塔塔身与接地装置的电气连接全部断开[17]。且为了解决接地引下线可靠连接的问题，连接螺栓进行了加固，这一系列措施都会导致工作量大且劳动强度高，大大降低了测量效率。

2.2钳表法

钳表法是指使用钳形接地电阻测试仪对引下线接地阻值进行测量的方法。钳形接地电阻测量仪是为了克服测量接地电阻时需要打辅助接地极的困难而研制的，但其实质是测试包括接地电阻在内的回路电阻的。钳表法具有不需断开接地引下线，不需辅助电极的优点[18]。与传统的需要布极的三极法相比，该方法大大减轻了人力物力，提高了测量速度。

钳表法解决了传统方法测量的缺陷，但自身仍存在一定的不足。首先，钳形接地电阻测量仪的内部构成主要有四个部分，包括了电压线圈和电流线圈，电压回路以及电流回路，其主要目的是用于测量回路电阻。基于电磁感应原理，电压回路提供激励信号，此时杆塔回路中产生一个感应电势，接地回路会得到一个感应电流，利用电流线圈测量该感应电流，此时，电压值与电流值的比值即是测量的杆塔接地电阻值。由于钳形表测量的精确度跟电压互感器和和电流互感器的测量精度有关，易受干扰，测量误差较大，而且输电线路装置的结构不同也会影响测量精度，另外，该方法测量时是仅仅需要保留一个接地引线

[19]，其余接地引线断开，若杆塔有四根接地引线，该方法并没有节省劳动力。

2.3高频并联法

高频并联法实现了不断开接地引线下杆塔接地电阻值测量，仍然采用电压极电流极的布极方式，由于避雷线电感值远大于接地体电感值，当注入高频信号时，绝大部分电流会经过接地引线流入接地体中，频率若足够高，则杆塔接地电阻的测量值即是其真实值。

该方法也存在一定的问题，在模型建立时，仅仅考虑杆塔接地电阻的阻值，而在高土壤电阻率的情况或者是注入高频电流的情况下，需考虑其电感效应。高频并联法采用的注入频率为10kHz[20]，并没有结合实际情况，包括土壤电阻率以及注入电流频率等因素，因此，该方法测量结果不够准确。另由于该方法测量时仍需布极，也会存在接地体埋设方位不明确导致测量不准确的问题。

3设计思路

3.1测量原理

1)电阻测量原理

接地监测设备测量接地电阻的基本原理是测量回路电阻，见图1。钳表的钳口部分由电压线圈及电流线圈组成。电压线圈提供激励信号，并在被测回路上感应一个电势E。在电势E的作用下将在被测回路产生电流I。钳表对E及I进行测量，并通过即可得到被测电阻R。

图1

Fig.1

（1）

2)电流测量原理

接地监测设备测量电流的基本原理与电流互感器的测量原理相同，见图2。被测量导线的交流电流I，通过钳口的电流磁环及电流线圈产生一个感应电流I1，钳表对I1进行测量，通过下面的公式即可得到被测电流I。

图2

Fig.2

（2）

其中：n为副边与原边线圈的匝数比。

3.2接地电阻测量方法

1)多点接地系统

对多点接地系统(例如输电系统杆塔接地、通信电缆接地系统、某些建筑物等)，它们通过架空地线(通信电缆的屏蔽层)连接，组成了接地系统。见图3。

图3

Fig.3

当用钳表如上图测量时，其等效电路见图4。

图4

Fig.4

其中: R1为欲测的接地电阻。

R0为所有其它杆塔的接地电阻并联后的等效电阻。

虽然，从严格的接地理论来说，由于有所谓的“互电阻”的存在，R0并不是通常的电工学意义上的并联值(它会比电工学意义上的并联值稍大)，但是，由于每一个杆塔的接地半球比起杆塔之间的距离要小得多，而且毕竟接地点数量很大，R0要比R1小得多。因此，可以从工程角度有理由地假设R0=0。 这样，我们所测的电阻就应该是R1了。

多次不同环境、不同场合下与传统方法进行对比试验，证明上述假设是完全合理的。

2)有限点接地系统

这种情况也较普遍。例如有些杆塔是5个杆塔通过架空地线彼此相连；再如某些建筑物的接地也不是一个独立的接地网，而是几个接地体通过导线彼此连接。

在这种情况下，如果将上图中的R0视为0则会对测量结果带来较大误差。

出于与上述同样的理由，我们忽略互电阻的影响，将接地电阻的并联后的等效电阻按通常意义上的计算方法计算。这样，对于N个（N较小，但大于2）接地体的接地系统，就可以列出N个方程：

（3）

（4）

（5）

其中: R1、R2、.... RN是我们要求得的N个接地体的接地电阻。

R1T、R2T、... RNT分别是用钳表在各接地支路所测得的电阻。

这是一个有N个未知数，N个方程的非线性方程组。它是有确定解的，但是人工解它是十分困难的，当N较大时甚至是不可能的。使用有限点接地系统解算程序软件，用户即可使用办公电脑或手提电脑进行机解。

从原理来说，除了忽略互电阻以外，这种方法不存在忽略R0所带来的测量误差。但是，用户需要注意的是：您的接地系统中，有几个彼此相连接的接地体，就必须测量出同样个数的测试值供程序解算，不能或多或少。而程序也是输出同样个数的接地电阻值。

3)单点接地系统

从测试原理来说，钳表只能测量回路电阻，对单点接地是测不出来的。但是，用户完全可以利用一根测试线及接地系统附近的接地极，人为地制造一个回路进行测试。下面介绍二种用钳表测量单点接地的方法，此方法可应用于传统的电压-电流法无法测试的场合。

（1）二点法

在被测接地体RA附近找一个独立的接地较好的接地体RB(例如临近的自来水管、建筑物等)。将RA和RB用一根测试线连接起来。

由于钳表所测的阻值是两个接地电阻和测试线阻值的串联值。

（6）

（2）三点法

在被测接地体RA附近找二个独立的接地体RB和RC。

第一步，将RA和RB用一根测试线连接起来。用钳表读得第一个数据R1。

第二步，将RB和RC连接起来，见图7。用钳表读得第二个数据R2。

第三步，将RC和RA连接起来，见图8。用钳表读得第三个数据R3。

上面三步中，每一步所测得的读数都是两个接地电阻的串联值。这样，就可以很容易地计算出每一个接地电阻值：

由于：

（7）

（8）

（9）

所以：

（10）

这就是接地体RA的接地电阻值。为了便于记忆上述公式，可将三个接地体看作一个三角形，则被测电阻等于邻边电阻相加减对边电阻除2。

其它两个作为参照物的接地体的接地电阻值为：

（11）

（12）

4接地监测技术研究

针对现有超特高压线路接地电阻定期需人工测量，无法把握不同地形地貌、土壤酸碱度、电阻率等外部因素和接地型式等内部因素对接地电阻长期影响的规律采取应对措施。一方面通过接地监测装置对设备接地状态进行评估，降低人工测量接地电阻的工作量，进一步提高设备的智能化水平；另一方面通过大数据分析为电力线路接地装置研究创建一套数学模型，从而为线路设计、维修提供成熟的解决方案。

接地监测装置在测量过程中，利用电压互感器感应至被测杆塔一个特定的电压信号，同时由电流互感器测量此时引下线中的电流，并通过电流电压转换模块转换为电压值，再通过滤波模块滤波，以及交直流转换模块转换为直流量并测量其大小，经过AD转换模块转换为数字量送入MCU单元，得到电压与电流的关系，最终通过特定的计算方法，得到被测杆塔的接地电阻阻值，从而实现接地电阻的在线测量。

接地监测装置由数据采集、信息传输、电源管理组成。

4.1数据采集

接地电阻模块：输电线路杆塔等效回路模型，采用四对电压互感器和电流互感器，将每对互感器分别夹在被测杆塔的四根接地引下线上，利用电压互感器向各接地引下线中感应交流电压信号，感应出接地引下线中产生的电流信号，通过信号采集，计算杆塔接地电阻模型数据，求解复数方程组得到接地电阻阻值。

外部环境模块：采用电位法原理，通过参比电极和指示电极的电势差测量土壤酸碱度；采用四电极测深法传感器，测量杆塔地下土壤电阻率，结合土壤性质和季节系数确定电阻率数值。

4.2信息传输

现场采集的数据，通过屏蔽电磁技术、减少耦合途径等方式来降低外部电磁干扰。通过高斯滤波法对采集的信号进行滤波，同时使用软件滤波的方法进行滤除低频干扰。接地网中的干扰信号会耦合到检测处，此时可以采取横向对比的方式排除干扰。

信息的传输采用4G无线信号进行传输，通过数据传输单元DTU发送接收、滤波后的数据信息。

4.3电源管理

设备电源采用锂电池，利用太阳能电池板进行充电。根据测量需求，通过定时模块调节电能输出频率，从而完成设备的定时启动、定时测量和数据传输工作。

5结束语

输电线路防雷击故障需定期测量接地装置电阻，针对接地装置电阻每年定期测量占用大量人力物力，且测量结果受人员技能水平影响较大的现状，研究接地在线监测技术，可以智能替代人工定期测量接地电阻工作，进一步降低人员劳动强度，节约线路运维人力成本；同时通过大量的数据积累、分析，提出一套行之有效的接地装置维护措施，为设备运行和下一步的线路设计维修提供数据和技术依据。

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收稿日期：

修回日期：

作者简介：（全部作者）

杨国峰(1975)，男，本科，工程师，主要研究方向为超高压输电线路运维，从事超高压供电安全生产技术工作；

谢志奇(1977)，男，本科，工程师，主要研究方向为超高压输电线路运维管理，从事超高压供电安全生产技术管理工作。

基金项目：内蒙古电力集团（有限）责任公司科技项目资助（发文号：内电科信[2020]29 号）“基于数字化系统配合接地装置监测系统防控电力设备雷电闪络综合管理系统研究与应用”(CJ-2023-03-10)。