任華鋼，倪玉貴

(1.湖南省電力公司岳陽(yáng)電業(yè)局，湖南岳陽(yáng) 414000;2.湖南省電力公司常德電業(yè)局，湖南常德 415000）

電氣化牽引線(xiàn)路桿塔故障時(shí)跨步電位差與接觸電位差分析

任華鋼1，倪玉貴2

(1.湖南省電力公司岳陽(yáng)電業(yè)局，湖南岳陽(yáng) 414000;2.湖南省電力公司常德電業(yè)局，湖南常德 415000）

變電站架構(gòu)或輸電線(xiàn)路桿塔在單相接地或相間短路接地故障時(shí)，對(duì)地電位會(huì)升高，從而可能出現(xiàn)危及人身安全的接觸電位與跨步電壓。本文根據(jù)110 kV新?tīng)縏汨線(xiàn)路4號(hào)鐵塔現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接觸電位與跨步電位的實(shí)測(cè)和分析，提出相應(yīng)對(duì)策并對(duì)其可能引起的的接地危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

桿塔故障;跨步電壓;接觸電位差

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的短路電流也在日益增強(qiáng)。當(dāng)輸變電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在其架構(gòu)或桿塔附近就會(huì)出現(xiàn)接觸電位差與跨步電位差。在變電站間隔、設(shè)備和輸電線(xiàn)路走廊不斷增多的情況下，正在這些設(shè)備附近勞作、活動(dòng)的相關(guān)人員 (運(yùn)行、檢修員工、農(nóng)民工、田地中耕作的農(nóng)民等)發(fā)生人身安全事故的幾率也在逐步增加。因此，有效抑制和降低接觸電位差與跨步電壓、防范人員的觸電事故是設(shè)計(jì)、運(yùn)行單元必須認(rèn)真考慮的。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

110 kV新?tīng)烤€(xiàn)是從220 kV新市變電站到京廣電氣化鐵路榮家灣牽引變的直供線(xiàn)，全長(zhǎng)47 km;T汨線(xiàn)路是從110 kV新?tīng)烤€(xiàn)T接到汨羅牽引變的線(xiàn)路，全長(zhǎng)3 km。線(xiàn)路自2003年投運(yùn)以來(lái)，沿線(xiàn)路的居民反映，在線(xiàn)路經(jīng)過(guò)他們的房屋、樹(shù)木、田地處常常有被電擊的感覺(jué)，在雷雨天氣時(shí)更為明顯。T汨線(xiàn)路4號(hào)鐵塔下的居民反映尤為強(qiáng)烈，某些時(shí)候甚至有人畜受傷的現(xiàn)象。但是在同一區(qū)域的其它110～220 kV線(xiàn)路卻沒(méi)有這樣的反映。針對(duì)這一問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采用圖1的方式實(shí)測(cè)4號(hào)鐵塔附近的接觸電位和跨步電壓，測(cè)量結(jié)果如表1，2。

按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)〔2〕規(guī)定:跨步電壓Ek的允許值 Ek=(174+0.7ρf)，式中 ρf為人畜站立處土壤電阻率，實(shí)測(cè)為100 Ωm;t為接地短路持續(xù)時(shí)間，取 0.03 s;Ek=1 408 V。表 1中，Uk=kbUS，kb為跨步系數(shù)，等于流過(guò)該地的單相接地短路電流Id與測(cè)量電流 IS之比;測(cè)點(diǎn)間距0-1，…，10-11為0.8 m;結(jié)論為測(cè)量值與Ek允許值1 408 V的比較結(jié)果。

圖1 桿塔接地電位分布及跨步電位測(cè)試

表1 往民宅方向10 m所測(cè)跨步電壓

表2 往水田方向10 m所測(cè)跨步電壓

同樣，按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)〔2〕規(guī)定:接觸電位EJ的允許值Ej=(174+0.17ρf)，式中 ρf為 4 號(hào)鐵塔處土壤電阻率，實(shí)測(cè)值100 Ωm;t為接地短路持續(xù)時(shí)間，取0.03 s;Ej=1 102 V。表3中，UJ=kJUS，式中kJ為接觸系數(shù)，等于流過(guò)該地的單相接地短路電流Id與測(cè)量電流IS之比。

表3 接觸電位測(cè)量數(shù)據(jù)

1.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)對(duì)表1～3進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，往民宅方向跨步電壓在單相接地短路電流4 kA時(shí)有7點(diǎn)不合格(距民宅5.6 m以?xún)?nèi))，3 kA時(shí)有4點(diǎn)不合格 (距民宅3.2 m以?xún)?nèi))。往水田方向的跨步電壓及接觸電位差均合格。

(2)由于牽引負(fù)荷沖擊性強(qiáng)、波動(dòng)性大，在正常運(yùn)行時(shí)向電力系統(tǒng)注入較大的負(fù)序電流，又由于向電力牽引負(fù)荷提供電源的電網(wǎng)系統(tǒng)是大電流接地系統(tǒng)即中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，因而正常運(yùn)行時(shí)還會(huì)出現(xiàn)零序電流。特別是在電力系統(tǒng)突發(fā)單相或兩相接地短路故障時(shí)，在大電流接地系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超常的負(fù)序電流和零序電流分量，有可能使系統(tǒng)地電位升高、中性點(diǎn)電壓位移等異常情況發(fā)生。在正常運(yùn)行加上單相、兩相接地短路故障所產(chǎn)生的負(fù)序電流和零序電流分量作用下，故障點(diǎn) (例如T汨線(xiàn)路4號(hào)鐵塔附近導(dǎo)線(xiàn)有超高樹(shù)竹在某些時(shí)候發(fā)生閃絡(luò)等情況)會(huì)有地電位升高的現(xiàn)象，這也是在其它線(xiàn)路上桿塔沒(méi)有或很少出現(xiàn)電壓升高的現(xiàn)象而電氣化牽引線(xiàn)路卻經(jīng)常發(fā)生地電位升高現(xiàn)象的原因。

2 電氣化牽引線(xiàn)路桿塔在電網(wǎng)故障時(shí)電位升高的防治

2.1 基本原理

一個(gè)足夠大尺寸的地下半球狀的地線(xiàn)網(wǎng)在包圍線(xiàn)路桿塔時(shí)，理論上能把接觸電位降低到0，而且還可消除水平接地網(wǎng)的邊緣效應(yīng)，從而消除跨步電位，所以接地網(wǎng)的最佳尺寸數(shù)據(jù)選定主要取決于最大容許地電位的梯度。而半球體可以認(rèn)為近似于一系列輻條相互連接而成的加大直徑和深度的環(huán)，但在現(xiàn)實(shí)中卻只能考慮有限數(shù)量的環(huán)。一般架構(gòu)或桿塔附近電位升高而產(chǎn)生危及安全的接觸電位與跨步電位是通過(guò)裝設(shè)附加架空地線(xiàn)、連續(xù)延伸接地體、改進(jìn)接地、敷設(shè)均壓物質(zhì)等措施來(lái)降低的。

2.2 降低地電位措施的試驗(yàn)分析

根據(jù)文獻(xiàn)〔3〕的試驗(yàn)研究，在輸電線(xiàn)路桿塔基礎(chǔ)附近裝設(shè)特制的接地電位控制導(dǎo)體環(huán) (GPC)作為桿塔的接地部分，可以降低桿塔基礎(chǔ)附近的接觸電位與跨步電位。按照現(xiàn)場(chǎng)情況，在110 kV新?tīng)縏汨線(xiàn)路4號(hào)鐵塔4個(gè)塔腿基礎(chǔ)處各設(shè)置1對(duì)GPC環(huán) (由線(xiàn)徑10 mm的銅導(dǎo)體制成，外環(huán)直徑為Φ6 m、內(nèi)環(huán)直徑為Φ3 m)，埋深0.8 m，4個(gè)GPC環(huán)互相焊接并與鐵塔本體連接。

裝設(shè)圓環(huán)后，鐵塔基礎(chǔ)附近電位分布V為〔5〕:

式中 A為鐵塔基礎(chǔ)圓環(huán)接地網(wǎng)等效面積;h為圓環(huán)埋深;d為圓環(huán)導(dǎo)體直徑;x為距圓環(huán)電極導(dǎo)體水平距離;I為入地電流;R為圓環(huán)等效接地電阻。

按式 (1)可得鐵塔基礎(chǔ)附近電位分布曲線(xiàn)如圖2。

圖2 鐵塔接地GPC環(huán)附近地面電位分布示意圖

同樣可以得到GPC環(huán)接地電極的接觸電勢(shì)Ej和接觸電勢(shì)系數(shù)kj

式中 V0為鐵塔接地點(diǎn)電位。

當(dāng)GPC環(huán)的尺寸足夠大時(shí) (b?0.8 m)，可得到GPC環(huán)接地電極最大跨步電勢(shì)Ekm的近似估算式:

式中 T為跨步取0.8 m，b為GPC環(huán)半徑取3 m。

取GPC環(huán)導(dǎo)體直徑Φ10 mm、埋深0.8 m、半徑50 m(與鐵塔原接地網(wǎng)相連后，等效半徑)，I取3 kA，R實(shí)測(cè)為4.2 Ω，利用式 (1)計(jì)算得到地面電位分布和跨步電位如表4:

表4 GPC環(huán)接地電極的地面電位U分布和跨步電位Ek分布系數(shù)表

利用式 (4)可以計(jì)算出該點(diǎn)接觸電位:

2.3 降低地電位的效果分析

(1)由表4可以看到:在距鐵塔接地點(diǎn)2.4 m處跨步電位最高;最大跨步電位由2 045 V下降為1 126 V，下降45%。

(2)經(jīng)計(jì)算比較，接觸電位為故障時(shí)地電位的29.8%，下降幅度較大。即由1 102 V下降為330.6 V。

(3)對(duì)GPC環(huán)的要求:

①由于接觸電位與垂直接地極的位置相關(guān)，如果在GPC環(huán)地網(wǎng)中增加若干垂直接地極并與鐵塔的水平接地網(wǎng)連接，按文獻(xiàn)〔3〕的計(jì)算，可以將接觸電位降低90%之多。

②環(huán)的直徑要求:由表中可以看到隨著環(huán)的直徑變小鐵塔地電位和塔基電阻會(huì)變大，但當(dāng)GPC環(huán)直徑過(guò)大 (比如大于18 m)則接觸電位可能會(huì)增加。因此按文獻(xiàn)〔3〕的經(jīng)驗(yàn)，環(huán)的直徑在Φ8 m～Φ9 m為佳。

③環(huán)的埋深:較淺的埋深會(huì)導(dǎo)致直接在環(huán)上面的跨步電位急劇上升，因此要求埋深為好，一般在0.8 ～1.2 m。

④在塔基接地電阻降不下來(lái)時(shí)應(yīng)采用內(nèi)外雙環(huán)效果較好。

3 塔基附近因跨步電位和接觸電位引起接地危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 事故概率統(tǒng)計(jì)

按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》推薦的跨步電位計(jì)算式Ek=(174+0.7ρf)和接觸電位計(jì)算式 Ej= (174+0.17ρf)中的t，ρf是統(tǒng)計(jì)參數(shù):t由故障排除時(shí)間的概率分布確定，ρf由土壤導(dǎo)電的概率分布確定。對(duì)于跨步電位和接觸電位引起接地危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)可按故障地電位Pa(Va)和耐受電壓Pw(Vw)的概率密度函數(shù)來(lái)求得。Va和Va～dVa之間施加電壓的概率等于Pa(Va)·dVa(見(jiàn)圖3)。耐受電壓小于Va的概率由密度函數(shù)Pw(Vw)在0～Va區(qū)間積分得到。因此跨步電位和接觸電位引起接地危險(xiǎn)的事故概率Pf為

圖3 事故概率統(tǒng)計(jì)

Ua可以是跨步電位，也可以是接觸電位。同樣Uw可以是跨步電位，也可以是接觸電位。

3.2 總風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

如風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)間為1年，用f表示每年接地故障的平均數(shù)，則跨步電位、接觸電位的概率Pe為:

式中 系數(shù)C，D分別為人每次受到跨步電壓、接觸電壓的時(shí)間、故障持續(xù)時(shí)間 (按年統(tǒng)計(jì))，k為實(shí)際觸電的次數(shù)。如求得事故概率Pf，再與求得Pe相乘即為總風(fēng)險(xiǎn)。

110 kV新?tīng)縏汨線(xiàn)路4號(hào)鐵塔在加裝接地電位控制導(dǎo)體環(huán)GPC后按上述計(jì)算式計(jì)算，事故概率Pf值為0.007 72(取人體阻抗值1000～1 500 Ω，土壤電阻率100 Ω·m)，Pe按實(shí)際可能觸電的概率計(jì)算得3.4× (10-2)3，因此在4號(hào)鐵塔可能由于跨步電壓、接觸電壓而觸電的總風(fēng)險(xiǎn)為:

0.007 72 ×3.4 × (10-2)3=2.62 ×10-8

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 電氣化牽引線(xiàn)路在單相接地或兩相接地短路時(shí)會(huì)在故障點(diǎn)附近產(chǎn)生較高的地電位，并將引起跨步電位和接觸電位的升高，因而會(huì)給相關(guān)人員造成觸電危險(xiǎn)，這比一般輸電線(xiàn)路在同樣故障時(shí)發(fā)生的頻率要高，且跨步電位值和接觸電位值也要高許多，原因是由于電氣化牽引線(xiàn)路在故障時(shí)除了故障零序電流外，還有其運(yùn)行中產(chǎn)生的零序和負(fù)序電流的共同作用。

4.2 為了降低電氣化牽引線(xiàn)路桿塔故障時(shí)的地電位升高，盡可能避免跨步電位和接觸電位對(duì)人體的傷害，在距民居、常年耕作的田地、人員流動(dòng)量大的道路較近的線(xiàn)路桿塔基礎(chǔ)加裝接地電位控制導(dǎo)體環(huán)GPC可以有效地將地電位降低，并能抑制跨步電位和接觸電位的危害程度。如果結(jié)合改進(jìn)接地網(wǎng)、敷設(shè)均壓物質(zhì)等措施則效果會(huì)更好。

4.3 110 kV新?tīng)縏汨線(xiàn)路4號(hào)鐵塔在線(xiàn)路故障時(shí)跨步電位經(jīng)實(shí)測(cè)超過(guò)相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，在加裝GPC導(dǎo)體環(huán)后，經(jīng)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，跨步電位和接觸電位已分別降低45%和29.8%，而可能造成人身傷害的總風(fēng)險(xiǎn)也僅為2.62×10-8，即基本確保不會(huì)因線(xiàn)路故障給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)危害。

4.4 隨著電氣化牽引負(fù)荷在電力用戶(hù)中所占的比重越來(lái)越大，在電網(wǎng)中帶來(lái)的新問(wèn)題也越來(lái)越多，因而對(duì)于牽引負(fù)荷在接入系統(tǒng)后產(chǎn)生的一系列課題應(yīng)該進(jìn)行全面深入的研究。例如在電氣化牽引線(xiàn)路沒(méi)有發(fā)生單相接地或兩相接地短路情況下，由于牽引負(fù)荷的波動(dòng)、沖擊、閃變、瞬時(shí)短路等正常運(yùn)行方式下也有地電位升高而產(chǎn)生跨步電位和接觸電位的現(xiàn)象，還需要分析研究，以確定相應(yīng)對(duì)策。

〔1〕中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 475—2006接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

〔2〕中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，1997.

〔3〕切尼，E.A.在故障輸電鐵塔下的跨步與接觸電壓〔J〕.美國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)，1981(7).

〔4〕GB/T 17949.1—2000接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測(cè)試導(dǎo)則第1部分常規(guī)測(cè)量〔S〕.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

〔5〕解廣潤(rùn).電力系統(tǒng)接地技術(shù)〔M〕.北京:中國(guó)水利水電出版社，1991.

〔6〕凱迪，M.A.EI.輸電線(xiàn)路結(jié)構(gòu)附近跨步與接觸電壓引起的接地危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估〔J〕.美國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)，1983(9).

Analysis on step and touch potential difference in the breakdown of power traction transmission lines

REN Hua-gang1，NI Yu-gui2
(1.Hunan Electric Power Corporation Yueyang Electric Power Bureau，Yueyang 414000，Chnia;2.Hunan Electric Power Corporation Changde Power Bureau，Changde 415001，China)

When the breakdown of substation frame or tower in transmission lines occurs in single-phase or interphase short circuit and grounding，grounding potential will rise，then possible step and touch potential will endanger personal safety.According to the measure and analysis of step and touch potential of 4thiron tower for 110 kV Xinqian transmission line，corresponding countermeasure is presented and probable grouding risk is appraised in the paper.

tower breakdown;step potential difference;touch potential difference

TM75

B

1008-0198(2011)03-0025-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.008

2010-10-12

任華鋼(1963— )，男，漢族，工程師，本科，主要從事電力系統(tǒng)輸電和配網(wǎng)方面的技術(shù)工作。