CN112069608A - 一种输电线路杆塔接地设计方法及装置 - Google Patents

一种输电线路杆塔接地设计方法及装置 Download PDF

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CN112069608A CN202010693208.1A CN202010693208A CN112069608A CN 112069608 A CN112069608 A CN 112069608A CN 202010693208 A CN202010693208 A CN 202010693208A CN 112069608 A CN112069608 A CN 112069608A
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impedance
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董晓辉
范冕
谭波
王湘汉
王磊
李晓岚
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Abstract

本发明公开了一种输电线路杆塔接地设计方法及装置，通过确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸，解决现有技术盲目追求降低接地阻抗，经济性差的问题。

Description

一种输电线路杆塔接地设计方法及装置
技术领域
本申请涉及输电技术领域，具体涉及一种输电线路杆塔接地设计方法，同时一种输电线路杆塔接地设计装置。
背景技术
随着社会经济的繁荣和进步，对电力的需求越来越大，电网飞速发展，高压输电线路的建设规模和密度也越来越大。输电线路不可避免地要穿越山区、平原、农田、城镇等不同区域，其输电安全可靠问题愈发受到重视。接地系统作为雷击放电电流的重要通道，是维护电网安全稳定运行的基本措施，杆塔接地装置的接地阻抗直接决定塔顶电位，从而影响线路绝缘子串的承受电压和反击闪络率，直接影响线路的防雷效果。良好的防雷接地是保障电网安全稳定运行的重要前提。目前国内外，对于具有避雷线的高压、超高压、特高压架空输电线路杆塔，一般都装有人工接地装置，作为散流的主体。输电线路的杆塔接地设计主要从防雷角度进行，主要控制指标为接地阻抗。
现行电力行业标准中，对有避雷线的高压及以上等级输电线路杆塔接地阻抗的设计限值简单依据土壤电阻率来确定，将土壤电阻率分为若干档，规定了每一档的杆塔工频接地阻抗限值，土壤电阻率较高的地区设计允许的接地阻抗相对较高。如《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620-1997)、《交流电气装置的接地设计规范》(GBT50065-2011)、《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GBT50064-2014)中，均将土壤电阻率划分为≤100Ω·m、100Ω·m-500Ω·m、500Ω·m-1000Ω·m、1000Ω·m-2000Ω·m、>2000Ω·m这5档，规定了每一档的杆塔工频接地阻抗分别不宜超过10Ω、15Ω、20Ω、25Ω、30Ω。
但线路杆塔电压等级、类型、所处地形等不同时，线路的绝缘水平差异较大，即便在同一接地阻抗水平下，线路的耐雷水平相差也较大。因此，仅仅依据土壤电阻率相同即按照统一的接地阻抗控制，线路的防雷水平差异会较大，可能出现有些线路的防雷水平偏低影响其运行可靠性，而有些线路的防雷过于严格影响经济性。特别是在一些土壤电阻率相对较高地区的线路，为了满足规程规定的接地阻抗要求，采用了盲目加大接地体或敷设辅助降阻措施等粗放型接地措施，大大增加了工程的整体投资。而且，敷设的辅助降阻措施不仅增加了运维工作量，又缺少统一的标准和监管，对输电线路的接地作用不能进行准确的评估，对线路的安全运行留下了隐患。
发明内容
本申请提供一种输电线路杆塔接地设计方法及装置，解决现有技术盲目追求降低接地阻抗，经济性差的问题。提升线路杆塔接地设计的技术经济性。
一种输电线路杆塔接地设计方法，包括：
确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；
根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；
根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；
将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；
根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸。
优选的，确定输电线路反击闪络率的控制目标，包括：
根据输电线路雷击闪络率控制目标和输电线路历史雷击闪络中的反击占比，确定输电线路反击闪络率的控制目标。
优选的，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，包括：
划分土壤电阻率档级，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗值；所述土壤电阻率档级越高，对应的接地阻抗值越高；
将所述接地阻抗值作为不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
优选的，在确定所述每个区段的反击闪络率的步骤之后，还包括：
根据所述每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
优选的，在根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸的步骤之后，还包括：
设计的输电线路塔接地装置的接地阻抗小于等于所述杆塔接地阻抗的控制值。
本申请同时提供一种输电线路杆塔接地设计装置，包括：
目标和限值确定单元，确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；
反击闪络率确定单元，根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；
反击闪络率调整单元，根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；
控制值确定单元，将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；
设计单元，根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸。
优选的，目标和限值确定单元，包括：
目标确定子单元，根据输电线路雷击闪络率控制目标和输电线路历史雷击闪络中的反击占比，确定输电线路反击闪络率的控制目标。
优选的，反击闪络率确定单元，包括：
档级划分子单元，划分土壤电阻率档级，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗值；所述土壤电阻率档级越高，对应的接地阻抗值越高；
接地阻抗限值确定子单元，将所述接地阻抗值作为不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
优选的，还包括
全线反击闪络率确定单元，根据所述每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
优选的，设计单元，包括：
杆塔接地阻抗的控制子单元，设计的输电线路塔接地装置的接地阻抗小于等于所述杆塔接地阻抗的控制值。
本申请提供一种输电线路杆塔接地设计方法及装置，通过确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸，解决现有技术盲目追求降低接地阻抗，经济性差的问题。
附图说明
图1是本申请示出的一种输电线路杆塔接地设计方法的流程示意图；
图2是本申请示出的一种输电线路杆塔接地设计方法的具体操作步骤示意图；
图3是本申请示出的一种输电线路杆塔接地设计装置示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
本申请第一实施例提供方法进行详细说明。
步骤S101，确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
对整条输电线路来说，其接地系统防雷性能的好坏是由线路总体反击闪络率决定。线路反击闪络率除了与杆塔反击耐雷水平有关，还受到沿线雷电参数、地形、杆塔结构的影响。线路反击闪络率通常可由式(1)计算获得。
Figure BDA0002590009260000041
式中：nf，反击闪络率，次/100km·年；γ，地面落雷密度(次/km2·雷电日)；Td，雷电日；
Figure BDA0002590009260000042
，雷电流幅值超过反击耐雷水平I1(kA)的概率，接地阻抗越小，使杆塔绝缘子串闪络需要的雷电流越大，即反击耐雷水平越高；g，击杆率，与避雷线数量和地形有关；η，建弧率；hT为杆塔高度(m)；b为两根地线之间的距离(m)。
由式(1)可知，在同样的反击闪络率目标下，输电线路建设在雷电活动较弱、地形平坦等地区时，其接地阻抗的允许值可以明显提高。
所以，根据当地输电线路雷击闪络率控制目标和输电线路历史雷击闪络中的反击占比，提出线路反击闪络率控制目标。
然后计算计算输电线路典型杆塔的反击耐雷水平，提出其在40雷电日下，山区和平原两种地形下反击闪络率与接地阻抗的关系数据表。
通过划分土壤电阻率档级，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗值；所述土壤电阻率档级越高，对应的接地阻抗值越高；将所述接地阻抗值作为不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
步骤S102，根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率。
根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，折算获得每个区段的反击闪络率。根据所述每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
步骤S103，根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；
调整土壤电阻率档级范围或其接地阻抗设定限值，使全线的反击闪络率接近设定的输电线路反击闪络率的控制目标。
步骤S104，将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；
在调整输电线路全线反击闪络率后，此时对应的接地阻抗限值即可作为输电线路沿线各区段杆塔接地阻抗的控制值。
步骤S105，根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸。
接地装置的结构，可随着杆塔附近土壤电阻率的增加，依次在方框形(
Figure BDA0002590009260000051
)、方框带4根射线形(
Figure BDA0002590009260000052
)、方框带8根射线形(
Figure BDA0002590009260000053
)、射线带分叉形(
Figure BDA0002590009260000054
)等结构中选择。
接地装置的尺寸，其方框边长由杆塔根开决定，射线和分叉长度随着杆塔附近土壤电阻率的增加而增加。同时，接地装置的接地阻抗小于等于所述杆塔接地阻抗的控制值。
本申请提供以线路反击闪络率为目标的分区段杆塔接地设计方法。以输电线路反击闪络率作为接地设计的第一控制目标，以接地阻抗控制值为接地设计的第二控制目标。依据沿线土壤电阻率、雷电参数、地形类别分区段，设定各区段下的接地阻抗限值，当基于各区段下的接地阻抗设定限值通过反击闪络率的计算获得的全线反击闪络率接近第一控制目标时，该接地阻抗限值即为接地装置设计的第二控制目标。以第二控制目标直接设计接地装置的结构和尺寸。
如图2所示，具体步骤如下：
(1)资料收集，包括：当地输电线路雷击闪络率控制目标，当地输电线路历史雷击闪络中的反击占比，输电线路典型杆塔结构和绝缘参数，沿线土壤电阻率、雷电参数、地形类别参数。
(2)根据当地输电线路雷击闪络率控制目标和输电线路历史雷击闪络中的反击占比，提出线路反击闪络率控制目标。
(3)根据输电线路典型杆塔结构和绝缘参数，计算输电线路典型杆塔的反击耐雷水平，提出其在40雷电日下，山区和平原两种地形下反击闪络率与接地阻抗的关系数据表。
(4)划分土壤电阻率档级，按土壤电阻率较高地区的接地阻抗较高的原则设定不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
(5)根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；基于(3)和(4)，根据线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，折算获得每个区段的反击闪络率。
(6)根据每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
(7)适当调整(4)中土壤电阻率档级范围或其接地阻抗设定限值，使全线的反击闪络率接近(2)中的线路反击闪络率控制目标。此时对应的接地阻抗限值即可作为输电线路沿线各区段杆塔接地阻抗的控制值。
(8)设计接地装置的结构和尺寸，进行接地装置的接地阻抗计算，使其接地阻抗在该区段的接地阻抗的控制值内。
其中，接地装置的结构方面，随着土壤电阻率的增加，可依次在方框形(
Figure BDA0002590009260000071
)、方框带4根射线形(
Figure BDA0002590009260000072
)、方框带8根射线形(
Figure BDA0002590009260000073
)、射线带分叉形(
Figure BDA0002590009260000074
)四种结构中选择。接地装置的尺寸方面，方框边长由杆塔根开决定，接地装置射线和分叉长度则随着土壤电阻率的增加而增加。
下面为本发明在某500kV输电线路上的具体应用。
(1)反击闪络率控制目标
当地500kV输电线路的雷击闪络率设计控制目标为不超过0.14次/(100km·年)，当地500kV输电线路雷击闪络中的反击闪络占比约为30％。因此，该输电线路的反击闪络率控制目标取为0.042次/(100km·年)。
(2)输电线路沿线土壤电阻率和雷电参数
该条输电线路位于西南中雷区，输电线路沿线的雷电日约为40天，雷电流幅值概率分布PI为：
Figure BDA0002590009260000075
式中，I为雷电流幅值(kA)。
线路沿线的土壤电阻率分布如表1所示。土壤电阻率在很高的5000～10000Ω·m区段占9.6％，在超高的10000Ω·m以上的区段共占3.2％。
表1沿线土壤电阻率
Figure BDA0002590009260000076
(3)典型杆塔的反击闪络率计算
采用EMTP程序对雷击500kV线路的波过程进行暂态分析，针对典型杆塔结构和绝缘参数，计算了雷直击于杆顶地线处时的线路反击性能。计算中考虑到感应电压和线路工作电压的影响。仿真模型中杆塔采用多波阻抗模型，雷电流采用2.6/50μs负极性的斜角波，雷电流通道波阻抗根据标准给出的与雷电流幅值相关函数曲线取值。采用相交法作为间隙闪络的判据，即只要间隙上的过电压波与其伏秒特性曲线相交，即发生闪络。线路绝缘间隙的伏秒特性公式为：
U＝0.4l+0.71l/t0.75
式中，l为空气绝缘间隙的距离(m)。
在40雷电日下，典型接地阻抗下的反击闪络率计算结果如表2所示。减小杆塔的接地阻抗，能使线路的反击闪络率显著降低。
表2不同接地阻抗条件下反击闪络率和全线反击闪络率计算结果
冲击接地阻抗(Ω) 8 15 20 25 30 40 65
反击闪络率(次/100km·a) 0.007 0.018 0.026 0.038 0.045 0.061 0.137
(4)各区段杆塔接地阻抗控制值
基于线路的反击闪络率控制目标，综合考虑沿线土壤电阻率档级、雷电参数、地形类别、反击闪络率与接地阻抗的关系，得到各土壤电阻率档级划分及其接地阻抗的控制值可按表3选取，此时全线的反击闪络率为0.041次/100km·a(如表4所示)，不超过全线的反击闪络率控制目标，满足输电线路的雷电反击防护要求。
表3不同土壤电阻率档级接地阻抗控制值
Figure BDA0002590009260000081
表4全线反击闪络率计算结果
Figure BDA0002590009260000082
(5)各区段接地装置设计方案
基于前述土壤电阻率档级内的接地阻抗控制值(见表3所示)，通过对各种结构和尺寸的接地装置的接地阻抗计算，输电线路杆塔接地装置可按表5所示进行设计。
表5沿线不同土壤电阻率地区输电线路杆塔接地装置的典型设计方案
Figure BDA0002590009260000083
Figure BDA0002590009260000091
基于同一发明构思，本申请同时提供一种输电线路杆塔接地设计装置300，如图3所示，包括：
目标和限值确定单元310，确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；
反击闪络率确定单元320，根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；
反击闪络率调整单元330，根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；
控制值确定单元340，将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；
设计单元350，根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸。
优选的，目标和限值确定单元，包括：
输电线路反击闪络率计算子单元，通过以下方式计算获得，
Figure BDA0002590009260000101
式中：nf，反击闪络率，次/100km·年；γ，地面落雷密度(次/km2·雷电日)；Td，雷电日；
Figure BDA0002590009260000102
，雷电流幅值超过反击耐雷水平I1(kA)的概率；g，击杆率，与避雷线数量和地形有关；η，建弧率；hT为杆塔高度(m)；b为两根地线之间的距离(m)。
优选的，反击闪络率确定单元，包括：
档级划分子单元，划分土壤电阻率档级，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗值；所述土壤电阻率档级越高，对应的接地阻抗值越高；
接地阻抗限值确定子单元，将所述接地阻抗值作为不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
优选的，还包括
全线反击闪络率确定单元，根据所述每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
优选的，设计单元，包括：
杆塔接地阻抗的控制子单元，设计的输电线路塔接地装置的接地阻抗小于等于所述杆塔接地阻抗的控制值。
本申请提供一种输电线路杆塔接地设计方法及装置，改善输电线路杆塔接地设计中一味盲目追求降低接地阻抗的现状，解决现有技术盲目追求降低接地阻抗，经济性差的问题。另一方面，通过低土壤电阻率地区和高土壤电阻率地区的接地阻抗控制值的合理设置解决现有设计方法中高土壤电阻率地区单纯降低接地阻抗而难以降下来的问题。

Claims (10)

1.一种输电线路杆塔接地设计方法，其特征在于，包括：
确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；
根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；
根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；
将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；
根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定输电线路反击闪络率的控制目标，包括：
根据输电线路雷击闪络率控制目标和输电线路历史雷击闪络中的反击占比，确定输电线路反击闪络率的控制目标。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，包括：
划分土壤电阻率档级，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗值；所述土壤电阻率档级越高，对应的接地阻抗值越高；
将所述接地阻抗值作为不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述每个区段的反击闪络率的步骤之后，还包括：
根据所述每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸的步骤之后，还包括：
设计的输电线路塔接地装置的接地阻抗小于等于所述杆塔接地阻抗的控制值。
6.一种输电线路杆塔接地设计装置，其特征在于，包括：
目标和限值确定单元，确定输电线路反击闪络率的控制目标和不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值；
反击闪络率确定单元，根据土壤电阻率档级将输电线路沿线划分成若干区段；根据输电线路沿线每个区段内的地形类别和雷电日参数，确定所述每个区段的反击闪络率；
反击闪络率调整单元，根据输电线路反击闪络率的控制目标，通过调整不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，来调整输电线路全线反击闪络率；
控制值确定单元，将调整后的不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值，作为输电线路每个区段杆塔接地阻抗的控制值；
设计单元，根据所述杆塔接地阻抗的控制值，设计输电线路杆塔接地装置的结构和尺寸。
7.根据权利要求6所述的装置，其持征在于，目标和限值确定单元，包括：
目标确定子单元，根据输电线路雷击闪络率控制目标和输电线路历史雷击闪络中的反击占比，确定输电线路反击闪络率的控制目标。
8.根据权利要求6所述的装置，其持征在于，反击闪络率确定单元，包括：
档级划分子单元，划分土壤电阻率档级，确定不同土壤电阻率档级的接地阻抗值；所述土壤电阻率档级越高，对应的接地阻抗值越高；
接地阻抗限值确定子单元，将所述接地阻抗值作为不同土壤电阻率档级的接地阻抗限值。
9.根据权利要求6所述的装置，其持征在于，还包括
全线反击闪络率确定单元，根据所述每个区段的线路长度比例，进行加权平均，获得输电线路全线反击闪络率。
10.根据权利要求6所述的装置，其持征在于，设计单元，包括：
杆塔接地阻抗的控制子单元，设计的输电线路塔接地装置的接地阻抗小于等于所述杆塔接地阻抗的控制值。
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