（电气工程专业论文）青藏铁路格拉段防雷接地技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 青藏铁路格拉段地处青藏高原腹地，全长l l o o k m ，全线8 4 的线路在 海拔4 0 0 0 m 以上，5 0 以上线路穿过多年冻土地区，该地区雷暴活动频繁、 土壤电阻率达到3 0 0 0 q m 以上，冻土、高原问题是青藏铁路建设的三大难 题之二。青藏高原独特的地理环境和气候条件，为青藏铁路输变电系统防雷 接地系统设计、施工带来了前所未有的困难。目前，国内外对于青藏铁路输 变电系统防雷接地的研究基本上还处于空白，需有针对性地开展此方面的系 统研究，以保证青藏铁路的正常运行。 本文通过分析青藏铁路格拉段雷暴活动情况，从雷暴的形成、特征、活 动规律及雷电流参数和地闪等方面介绍了该地区的雷暴特点，总结出格拉段 铁路所经地区的雷暴特点和分布规律，就该地区铁路输配电系统防雷接地工 程的实施和防护原则提出了建议。对铁路3 5 k v 贯通线的耐雷水平进行了分 析。仿真分析了绝缘子片数、避雷线、避雷器对线路耐雷水平的影响，给出 了建议的避雷器安装方式。 为了提高变电站接地系统的降阻效果，分析了格拉段地质条件和冻土分 布情况，根据现场实际情况，可利用自然接地体、采用立体接地网、降低接 地电阻要求、利用有利的地理条件等方式提高降阻要求。试验分析该地区， 采用不同埋设方式时金属接地体工频接地电阻的变化情况，给出了建议的接 地体接地电阻计算公式，同时探讨了使用低电阻接地模块降低接地电阻的可 行性。 建立变电站的土壤模型是进行接地系统设计的基础。采用l a p l a c e 方程， 推导出点电流源在多层水平土壤中的电位分布，建立了土壤电阻率与测量间 距之间的关系曲线( p a 曲线) ，给出了4 层以下土壤典型的p a 曲线图， 通过w e n n e r 四极法测量得到的p a 曲线，可以快速的大致判断出所测地区 的土壤结构。根据青藏铁路望楚段变电站现场所测的p a 曲线，表明该地 区变电站接地网设计时土壤结构可以按照两层土壤考虑。为了解决按照单层 均匀土壤进行接地电阻计算时存在较大的设计误差，利用c d e g s 软件包仿真 分析了水平双层土壤结构中接地网面积、反射系数、上层土壤厚度等参数变 化对接地电阻的影响，为接地网的设计提供了理论指导和工程建议。 关键词：青藏铁路；防雷接地：接地网；土壤电阻率；接地电阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s tr a c t q i n g h a i 币b e tr a i l w a yp a s s e st h r o u g hq i n g h a i - t i b e tp l a t e a u 1 t 忙l e n g t ho f t h i sr a i l w a yi sa b o u t110 0 k i n ，t h ea v e r a g eh e i g h ta b o v es e nl e v e lo f8 4 l e n g t h l o c a t e sa b o v e4 5 0 0 ma n d5 0 o fr a i l w a yp a s s i n gt h r o u g ht h ep e r e n n i a lf r o z e n s e d i m e n ts o i la r e ao fq i n g h a i - t i b e t a np l a t e a u t h i sz o n eh a sh i 【g hf r e q u e n c y t h u n d e r s t o r m a n dt h es o i lr e s i s t i v i t yr e a c h e st o3 0 0 0q m t h ef r o z e ns o i la n d a l t i p l a n oa r et h em a i np r o b l e m sd u r i n gt h ec o n s t r u c to fq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y b e c a u s eo ft h es p e c i a lg e o l o g i ca n dc l i m a t ec o n d i t i o n , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t o fg r o u n d i n gs y s t e ma n dl i g h t n i n gp r o t e c t i o ni nq i n g h a i - t i b e tr a i l w a yi s d i 伍c u l tt ot h a ti nt h eo t h e rz o n e s t o d a y , t h es y s t e m i cr e s e a r c ho fg r o u n d i n g s y s t e ma n dl i g h t n i n gp r o t e c t i o ni nq i n g h a i - n b c tr a i l w a yi sb l a n ki nt h ew o r l d t ok e e pt h eq i n g h a i - t i b e tr a i l w a ys a f e ，i ti si m p o r t a n c ea n dn e c e s s a r yt os t a r t t h i sr e s e a r c h t os u m m a r i z ea n d a n a l y z e t h et h u n d e r s t o r mc o n d i t i o n a l o n g t h e q i n g h a i t i b e tr a i l w a y , t h ef o r m ，c h a r a c t e r i s t i c ，a c t i v i t y r u l e sa n dl i g h t n i n g p a r a m e t e r so fp l a t e a u st h u n d e r s t o r ma r ei n t r o d u c e d s o m ep r o t e c t i o np r i n c i p l e s t ot r a n s m i te l e c t r i c i t ys y s t e m si n t h i sz o n ea r er e c o m m e n d e d t ok e e pt h e l i g h t n i n gp r o t e c t i o nl e v e lo f3 5 k vt r a n s m i s s i o nl i n ea l o n gt h er a i l w a ym e e t s t h e d e s i g nd e m a n d sa n dr e d u c e st h ec o n s t r u c td i f f i c u l t y , t h em e t h o d so f f i xa r r e s t e ri s r e c o m m e n d e d f i r s t ，t h es i m u l a t i v em o d u l eo f3 5 k vt r a n s m i s s i o nl i n ei ss e t 叩 t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf i xc o n d i t i o no fa n e s t e r si nt o w e ro nl i g h t n i n g p r o t e c t i o nl e v e li sa n a l y z e d t h e nt h ea r r e s t e rf i xm e t h o di sr e c o m m e n d e d t or e d u c et h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fs u b s t a t i o n ，t h eg e o l o g i cc o n d i t i o no f g e - l as e g m e n ti si n t r o d u c e d t h ed e s i g np r i n c i p l e so fs u b s t a t i o ng r o u n d i n gg r i d a r er e c o m m e n d e d t of a r t h e rr e d u c et h eg r o u n d i n gg r i dr e s i s t a n c e ，t h e r e d u c i n g r e s i s t a n c em o d u l ei sa n a l y z e d t h es i m u l a t i v e e x a mi sa p p l i e di n s i c h u a nb a i a n gm o u n t a i nt op r o v et h eg r o u n d i n gr e s u l t 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h e m o d u l eh a sb e t t e rt h a nt h em e t a lg r o u n d i n gm d o b t a i ne x a c ts o i ls t r u c t u r ep a r a m e t e r si st h eb a s i co ft h eg r o u n d i n gs y s t e m d e s i g n t h el a p l a c ee q u a t i o ni sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i n go f p o i n tc u r r e n ts o u r c ei nm u l t i l a y e r h o r i z o n t a ls o i l s a n dt h e n 也er e l a t i o n s h i p 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 b e 押唧t h ea p p a r e n ts o i lr e s i s t i v i t ya n dm e a s u g e m e n tp o l es p a n ( p - - ac u r v e ) i s o b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp - ao l v e s ，w h i c ha r em e a s u r e do nt h es p o t i ns u b s t a t i o n so fw a n g c h us e g m e n ti nq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y t h es o i ls t r u c t u r e m o d e lo ft h i sa r e ai so b t a i n e d t oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fs o i ls t r u c t u r eo n g r o u n d i n gr e s i s t a n c e 。t h eh o r i z o n t a lt w o l a y e r s o i ls t r u c t u r ei s a p p l i e d ，t h e i n f l u e n c eo fg r o u n d i n ga r e a , t o p - l a y e rs o i lh e i g h tc h a n g eo nr e s i s t a n c ei s d i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et o p - l a y e rs o i lh e i g h ta n dr e f l e c tf a c t o rh a v e b e t t e ri n f l u e n c eo ng r o u n d i n gr e $ i s t a n c e k e yw o r d s ：q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y ；, l i g h t n i n gp r o t e c t i o na n dg r o u n d i n gs y s t e m ； g r o u n d i n gg r i d ：a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ；s o i lr e s i s t i v i t y ；g r o u n d i n gr e s i s t a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 青藏铁路简介 第1 章绪论 青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原。它西起帕米尔高原，向 东延伸到川西、滇北的横断山。北起昆仑山，南至喜马拉雅山脉。方圆约2 0 0 万平方公里，南北跨越近1 0 个纬度。平均海拔高度4 5 0 0 m 以上，构成我国 地势上最高的一级台阶。被称为“世界屋脊”、。地球第三极”l - “。 地处祖国西南边陲的西藏藏族自治区，位于青藏高原，是全国至今唯一 不通铁路的省级行政区，交通不便严重制约了西藏的改革开放和社会经济发 展。为了响应国家西部大开发的号召，促进西部地区的经济发展，经党中央、 国务院批准，修建具有重要意义的青藏铁路。从2 0 世纪5 0 年代起，中国的 铁路工程师就开始了对内陆进藏铁路的铁路规划和现场勘测，其中青藏铁路 西格段( 西宁格尔木) 已于1 9 8 4 年通车运行，为青海地区经济发展做出了 重要贡献。目前为了加快西藏地区的发展，拟修建经过青藏高原腹地的青藏 铁路格拉段( 格尔木拉萨) 。 拟建的青藏铁路格尔木至拉萨段，自青海省西部重镇格尔木引出，溯格 尔木河、昆仑河而上，直攀海拔4 7 6 8 m 的昆仑之巅，而后进入楚玛尔河高平 原，先后翻越可可西里山、风火山，跨越长江源头的沱沱河、通天河，到达 本线的最高点唐古拉山垭口，再经安多县、错那湖，至藏北重镇那曲， 此后翻越念青唐古拉山，经当雄、羊八井至拉萨。如图1 - 1 所示。线路自北 向南纵贯青藏高原腹地，新建铁路长度l l o o k m 【4 5 j ，该铁路是全球目前穿越 高原、高寒、缺氧及连续性永久冻土地区的最长的铁路。 青藏铁路格拉段有两大主要特点：一是高原，铁路所经均为高海拔地区， 平均海拔在4 0 0 0m 以上，全线8 4 的线路( 9 6 5 k m ) 位于海拔4 0 0 0m 以上， 最高的唐古拉山垭1 ：3 ，海拔高程为5 0 7 2 m ：二是沿线广泛分布的高原多年冻 土，5 0 以上线路( 5 5 0 k m ) 穿越常年高原冻土带，大部分地区人烟稀少， 气候恶劣。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 - 1 青藏铁路线路图 1 2 开展青藏铁路冻土地区输变电系统防雷接地研究的意义 输变电系统的正常工作是保证青藏铁路安全可靠运行的关键。由于青藏 铁路位于青藏高原腹地，该地区具有特殊的地理、气候条件，冻土、高原是 青藏铁路建设中遇到的三大难题之二，为了响应党中央提出的“建设一流的 高原铁路”号召，须有针对性的进行相应的科研工作。 1 2 1 进行防雷系统研究的意义 铁路沿线输电线路及变电站是青藏铁路电力系统的大动脉。输电线路是 连接各个变电站，通信信号设备的纽带，其运行状况直接影响到铁路安全运 行的可靠性【】。输电线路因雷击引起的跳闸，不但影响电力系统的正常供 电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且雷电流还会沿线路侵入变 电站，易引起电力设备绝缘损坏，影响到铁路正常运行。一条l o o k m 长的输 电线路在一年中往往要遭受数十次雷击，易发生绝缘子闪络，为线路的安全 运行埋下隐患。由于输电线路多处于荒郊野外，更易发生雷击事故，雷击是 引起输电线路跳闸的主要原因。在日本，5 0 以上的线路跳闸，其中5 0 0 k v 输电线路7 5 以上的电力系统事故是因为雷击输电线路引起的【弘】。在我国 由雷击引起的跳闸次数甚至可占总跳闸次数的4 0 0 0 - 7 0 1 2 川4 1 。因此作好铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 路沿线输电线路的防雷保护工作不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性， 而且是铁路安全运行的关键保障。 青藏铁路格拉段输电线路及变电站位于青藏高原腹地，输变电系统处于 旷野、山地当中，线路走廊位于山区之间，所经地区地形情况十分复杂，且 周围无高大建筑，极易遭受雷击。同时由于青藏高原独特气候条件，铁路沿 线雷暴活动频繁，雷暴云相对比较俐”m 】，雷电发生的位置离地面的距离较 近，故比平原地区更易遭受到雷电的侵袭。为了提高输变电系统的耐雷水平， 保证铁路的正常运行，须有针对性的研究该地区输电系统的防雷措施。 1 2 2 进行接地系统研究的意义 输电线路、变电站的接地系统是维护系统、设备正常运行，保障人身、 设施的安全，防止雷电和静电危害等必不可少的措施【17 删】。接地电阻值是衡 量接地系统好坏的主要标准之一，接地网形式、土壤结构、土壤电阻率对接 地电阻有着显著的影响。由于各种原因影响，会出现接地系统不满足设计要 求、施工量大等不利情况，我国就曾发生过多起由于接地系统未达到要求所 导致的事故【2 l 2 2 1 。所以在进行接地系统施工前，需对输电线路、变电站的接 地系统进行合理、准确的设计，以保障其接地效果，并最大限度的减少施工 量和施工难度。 冻土问题是青藏铁路建设的三大难题之一，要实现青藏铁路建成世界一 流的高原冻土铁路这一目标，很大程度上依赖于冻土工程设计的合理性和可 靠性。按照设计要求和规范，对于输电线路杆塔及变电站接地网均有明确的 接地电阻要求值【”瑚】。格拉段经过5 5 0 k i n 的多年冻土地区，两季勘测数据表 明：格拉段沿线冻土地区土壤电阻率可达3 0 0 0 d m 1 4 1 1 6 2 3 1 ，属于高土壤电阻 率地区，在这样的地区设置接地装置，使接地电阻达到设计要求，难度很大。 同时施工现场条件恶劣，作业困难，为了提高接地系统的降阻效果，减少施 工量，需提前进行准确的设计。目前，青藏高原冻土地区接地问题的系统研 究在我国基本上还是空白，在高海拔和冻土的双重作用下，需要对格拉段铁 路接地系统进行有针对性的分析研究。 综上，青藏铁路格拉段位于青藏高原腹地，全长1 1 0 0 k m ，经过5 5 0 k i n 的多年冻土地区，平均海拔在4 0 0 0 m 以上。由于青藏高原地区独特的气候情 况和地理条件，使得该地区电力系统的防雷、接地方式和措施与平原地区有 所不同，故需进行有针对性的分析研究，提出相应的最佳解决方案，以提高 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 防雷接地系统效果，保证青藏铁路沿线输电线路、变电站等电力设施的可靠 运行。 1 3 青藏线输变电系统防雷接地研究的主要内容及存在问题 1 3 1 雷暴活动规律及电力系统防雷措施研究 为了保证青藏铁路沿线输变电系统的安全运行，需根据现场雷暴活动情 况和地质条件，提出适合输变电系统的雷电过电压防护措施。 1 3 1 1 雷暴活动分析与防护原则的提出 青藏高原是世界上海拔最高、地形最为复杂的地区，青藏高原具有独特 的地理环境和气候特点，是我国目前关于雷暴研究、雷电灾害预防的一个热 门区域。由于其独特的地形地貌，雷电活动具有其独特的特点。针对青藏高 原雷暴活动，中国的学者和研究者开展了大量的分析研究工作，研究成果在 国际上处于领先地位。但是主要研究重点多集中在青藏高原雷暴产生机理分 析、闪电特征观测和雷暴电荷模型建立等基础理论方面【2 伸】。 随着青藏铁路的建设，为了提高铁路沿线输变电系统的防雷效果，迫切 的需要分析研究格拉段铁路沿线输变电系统的防雷措施，开展针对性的工程 实用研究，以保障铁路的正常运行。国内有些研究者对铁路沿线雷暴情况进 行了初步的分析总结，为防护原则的提出打下了理论基础。如张丽丽【1 6 】【2 3 】 等人，总结了青藏铁路格拉段雷暴活动情况，从时空分布和雷暴特点方面进 行了分析。付龙海【圳【3 l 】等人，总结了铁路沿线雷暴形成原因、活动特点，从 地闪、雷电流幅值方面进行了分析，并就防护原则进行了一定的讨论。康鹏 3 2 1 3 3 】等人，通过国家气象局数据对铁路沿线雷暴活动情况进行了总结，并与 同纬度平原地区雷暴情况进行了对比分析。同时文章【3 4 】【3 5 l 也介绍了铁路沿线 雷暴活动规律和闪电主要分布情况。研究结果表明，由于青藏高原具有独特 的地理、气候条件，青藏铁路沿线具有独特的雷暴活动情况，雷电形成原因、 活动规律均与平原地区有所不同，雷暴活动频繁却强度不大，雷暴强度可列 为中等强度。 有些学者分析了铁路沿线电子、通信设备等弱电系统的雷电过电压防护 措施。如邱传睿【3 6 】等人，认为信号、微电子设备电磁防护是青藏铁路过电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 防护的研究重点，并探讨了进行电磁防护的具体措施。李凯【3 7 1 、沈洪【3 8 1 等人， 根据国家标准和个人经验，对于电气设备、建筑物防雷保护提出了一些设想。 但是目前提出的方法和措施主要是按照国标和个人理解进行，其有效性还需 进一步的验证。 总之，目前对于青藏铁路沿线雷暴活动分析、输变电系统的防护研究还 处于起步阶段，主要为国内的学者开展研究，研究的重点集中在雷暴情况的 总结与分析。有些学者根据国家有关标准和个人理解，对建筑物、电子通信 系统等弱电系统提出了一定的防护措施，但是对于输电线路的雷电过电压防 护措施还有待开展进一步的研究工作。 1 3 1 2 格拉段输电线路防雷措施的研究 衡量一条输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果，通常采用耐雷 水平来判断【6 】【3 9 】。表1 - 1 所示为我国标准规定的各级电压具有避雷线线路应 有的耐雷水平值【3 针。 表1 - 1 各级线路应有的耐雷水平 输电线路的耐雷水平主要与四个因素有关：线路绝缘子的5 0 放电电压 c ，。、有无避雷线、雷电流强度、杆塔的接地电阻。其中，c ，。是一定的， 雷电流强度与地理位置和气候条件相关。目前多采用降低杆塔接地电阻值、 架设避雷线等方式来提高输电线路的耐雷水平。随着线路避雷器的发展，自 1 9 8 0 年开始，国外首先提出了在线路上安装线路避雷器的方法来减少线路雷 击事故。美国和日本先后成功的、大范围的将避雷器应用到输电线路【1 0 j 4 0 - 4 7 1 ， 在我国也有成功的将线路避雷器应用到输电线路情况 4 s - 5 2 1 ，取得了一定的防 雷效果。如图1 - 2 所示为安装避雷器后输电线路示意图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 圈1 - 2 雷击输电线路示意圈 没有安装避雷器的杆塔遭受雷击时，一部分雷电流通过避雷线流到相邻 杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地。加装避雷器后，当输电线路遭受雷 击时，雷电流的分流将发生变化，如图卜2 所示，一部分雷电流从避雷线传入 相邻杆塔，一部分经塔体入地，当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流。 大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相邻杆塔。 雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线闻的电磁感应作用，将分别在 导线和避雷线上产生耦合力量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流 的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位 差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此，线路避雷器具有很 好的钳电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的主要特点。由于避雷器的残压 低于绝缘子串的5 0 放电电压，即使雷击电流增大，避雷器的残压稍有增加， 绝缘子仍不会发生闪络。雷电流过后，流过避雷器的工频续流仅为毫安级， 且在第一次过零时熄灭，线路断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态。 目前对于避雷器的耐雷效果还没有特定的公式和模型进行计算，为了分 析采用后避雷器线路的耐雷水平变化情况，国内外学者对输电线路的耐雷水 平多通过仿真进行分析。此方面的研究我国处于领先地位，但是研究多结合 具体的线路情况开展，得到的分析结果也各不尽相同。如陈水明1 5 3 5 4 1 等人， 结合广东肇庆电力工业局所属l l o k v 输电线路进行了分析，认为装三支避雷 器的防雷效果比装两支要好。对于2 2 0 k v 而言，当杆塔接地电阻小于1 5 q 时， 可在边相安装2 个避雷器；当杆塔接地电阻大于6 0 q ，建议三相均安装。王 双文【5 5 】等人针对1 l o k v 双含线情况进行了分析，认为应根据线路档距的大小 来决定避雷器的安装方式，档距应控制在2 0 0 m 以内。y 。y a m a m o t o 9 等人认 为。对于5 0 0 k v 输电线路而言，在每个杆塔上安装2 个避雷器即可达到防雷 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 要求。o s c a rk a s t r u p 5 6 j 等人根据巴西r i ov e r d e - c o u t om a g a l h a e s 的1 3 8 k v 线 路分析认为，每个杆塔上采用1 个避雷器可减少3 7 的线路跳闸率，采用2 个避雷器可以减少7 2 的线路跳闸率。e v aj t a r a s i e w i c z l 5 7 】等人认为，对于 1 1 5 k v 线路，可在2 2 的杆塔上安装三相避雷器。法国学者s s a d o v i c 5 8 】等人 认为，避雷器的安装应根据期望耐雷水平，避雷器特性等参数选择，无特定 的选择方式。同时文献 5 9 - - 6 3 也根据实际应用情况对避雷器的防雷效果进行 了分析。 总之，目前对于线路避雷器的安装方式还没有一个统一的标准和建议， 多根据现场实际情况进行分析研究，结果也各不尽相同，敌需对青藏铁路沿 线3 5 k v 输电线路的防雷措施进行具体的分析研究，根据现场实际情况，提 出合适的防雷措施以提高线路的耐雷水平。 1 3 2 降低接地系统接地电阻方法的研究 变电站接地是防雷接地、工作接地和保护接地三者的统一。接地的主要 目的是为了保障系统能够安全可靠地运行和保障人身及设备的安全。目前变 电站接地装置大多都是以水平接地体为主，外缘闭合，内部敷设若干均压导 体的接地网。但是对于处于高土壤电阻率地区的接地网，仅仅依靠接地网很 难满足其接地电阻符合设计要求【1 9 】【2 0 】。 为了降低接地装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行，人们采 用了各种各样的措施f 1 7 2 1 1 1 6 4 - 6 5 1 。常见的主要措施包括：扩大接地网面积、外 引接地、增加地网埋设深度，利用自然接地体、深井接地和局部换土等。 l 、扩大接地网面积 均匀土壤条件下，变电站接地网的接地电阻与接地网面积平方根近似的 成反比，地网面积越大，其接地电阻值也就越低。增大地网的面积无疑是一 种降低接地网接地电阻的一种行之有效的方法。 但是通过扩大接地网面积的方法来降低接地电阻只能因地而异。对于建 在山区的变电站无法无限制的扩大其地网面积，另外建在市区的变电站，也 无法通过大面积的扩大地网。 2 、外引接地 外引接地是指将变电站主接地网与主接地网区域以外某一低土壤电阻率 区域敷设的辅助接地装置相连的方法，以达到降低整个接地系统接地电阻的 目的。如在国标 2 0 j 中提出：当在发电厂、变电所2 0 0 0 m 以内有较低电阻率的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 土壤时，可敷设外引接地极。 但是采用外引接地的条件是必须能在主接地网附近找到电阻率相对较低 的区域，这在很多地区是难以找到的，使得该方法的使用受到了一定的限制。 3 、增加地网的埋设深度 在我国黑龙江等少数地区，为了避开永久冻土带，会增加接地网的埋设深 度，有时会达到1 2 m 。通过仿真计算表明，在接地网其他参数不变的情况下 增加地网的埋深会使得接地电阻减小，但是其降阻效果不是很明显，而且会 大量增加施工量和施工难度，这在高土壤电阻率地区更是如此，因此工程中 一般不建议采用这种方法，接地网的埋深一般取为o 6 - - 0 8 m 。 4 、利用自然接地体 在接地工程中，充分利用建筑物的钢筋混凝土、金属结构物以及上下水金 属管道等自然接地体，是减小接地电阻、节约钢材以及达到均衡电位接地的 有效措施。对于这些自然接地体，由于他们本身具有较低的接地电阻，因此 在设计接地网时应充分考虑利用这些自然接地体与主网相连，以达到降低接 地电阻的目的。特别是在水电站，利用自然接地体的降阻效果相当明显，并 且不需要增加多少投资，所以充分利用自然接地体来降低接地电阻，不仅在 技术上容易实现，而且有较好的技术经济效益。 在利用这些自然接地体时，事先应作好规划，在施工时对这些钢筋混凝 土内的钢筋的连接，以及引出与人工接地网的连接都预先作好计划，施工时 同步进行。另为了充分利用自然接地体的降阻作用，应尽量减少人工接地体 对自然接地体的屏蔽作用。 5 、深井接地 在i e e es t d s 0 1 9 9 7 t 1 明和我国国标【2 0 1 中均提到。当地下较深处的土壤电 阻率较低时，可采用深井接地方式来降低接地电阻”。土壤的电阻率通常沿纵 深分布是不均匀的，不同深度得到电阻率是不同的。一般接近地面几米以内 的电阻率并不稳定，要随季节气候的变化而变化，土壤越深电阻率越稳定， 特别是在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接地装置的地区，采用深井接 地与主接地网并联是一种有效降低接地电阻的方法。在有地下含水层的地方， 接地体可能深入穿透水层，这时其降阻效果将更好。同时由于深井接地方式 可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有效的方法。 6 、局部换土 土壤电阻率的高低直接影响到接地装置接地电阻的大小。某些位于高土 壤电阻率地区的接地装置，如果采用其他方法降阻困难，可以采用局部换土 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的方法。用土壤电阻率较低的土壤来置换接地装置周围的高土壤电阻率土壤， 以获得较低的接地电阻。这种方法的使用必须从技术经济上做全面的比较， 以避免造成经济上的浪费。 7 、降阻剂 降阻剂是一种辅助性材料，在接地工程中大量使用，并取得了较好的降 阻效果。在我国标准【2 0 】中提到，在高土壤电阻率地区，可以采用填充电阻率 较低的物质和降阻剂来降低接地电阻。降阻剂的降阻机理有以下几个方面： ( 1 ) 增大接地体的有效截面：( 2 ) 消除接触电阻；( 3 ) 改善周围土壤的电阻 率；( 4 ) 吸水性和保水性改善并保持土壤导电性能。 目前，降阻剂主要分为化学降阻剂和物理降阻剂两大类。化学降阻剂以 电解质为导电主体，其导电机理类似于土壤的导电机理，即只有在水参与时， 电解质才能电离出带电的离子，从而成为导电主体。电介质浓度越高，其降 阻效果也就越明显。然而化学降阻剂的这种导电性能不可避免的会对金属电 极发生腐蚀，使得其应用范围受到了一定的限制。物理降阻剂是以非电解质 的固体粉末为导电材料，并以强碱弱酸为胶凝物，其降阻性能不受季节性雨 水的影响，使得其导电特性不受酸碱度、高低温和干湿度的影响，直接靠本 身的导电粉末起到降阻作用。 8 、其他方法 在高土壤电阻率和冻土地区，为了最大限度的提高接地装置的降阻效果， 有些学者提出了一些自己的思路和想法： ( 1 ) 深孔爆破制裂一压力灌降阻剂法【的6 7 】是指采用钻孔机在地中垂直钻一定 直径，深度一般为l o 8 0 m 的孔。在孔中插入电极，然后沿孔的整个深度隔 一定距离安放一定的炸药进行爆破，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中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及加强接地电极与土壤( 岩石) 的接触，从而较 大幅度降低接地电阻的目的。 ( 2 ) 电加热法【6 8 】：在永冻土地区，利用太阳能或加热电缆等使接地体周围 的土壤保持融化状态。将接地装置敷设在熔化地带或熔化地带的水池或水坑 中，但是需专门的供电系统来满足长期发热的要求，给变电站的运行带来了 很大的不便。 以上介绍的各种降低接地电阻的方法多为平原地区常用的降阻措施，均 有其应用的特定条件。青藏铁路沿线发变电站处于高原腹地，土壤电阻率很 高，建筑物面积很小，周围也没有相邻的大型建筑物，为接地系统的降阻效 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 果带来了前所未有的困难，上述方法和措施是否适合青藏线实际情况还有待 进一步的分析研究。 目前对于青藏线接地网的降阻措施还没有开展系统的、结合现场的分析 研究，多为原则性、理论性研究。如文献【删提出采用化学降阻剂、复合地网、 架空地线和连续伸长接地体等方式提高降阻效果。张丽丽f 2 3 1 、王颢f 删【7 埘等入， 在分析了高原地质条件的基础上，根据平原降阻经验，提出采用深井接地、 利用自然接地体、利用地理条件等方式提高降阻效果。何金良【7 i 】等人，认为 可以通过提高接地电阻允许值来降低施工难度，并提出采用扩大接地网面积 和增加垂直接地体的方式来降低沱沱河变电站接地电阻。同时文献 7 2 7 4 也提出了提高接地电阻允许值、复合地网和利用建筑物基础的方式以增强降 阻效果。 但是以上研究多为总结性、定性的分析，为了便于青藏铁路接地系统设 计者参考和使用，应有针对性、定量的提出青藏铁路沿线输变电系统的接地 方式，以获得最佳的降阻效果并节省人力物力。 1 3 3 土壤模型的确定及其影响分析 1 3 3 1 土壤结构模型的确定 土壤电阻率对于接地系统的接地电阻有着显著的影响，得到准确的土壤 参数是进行接地系统科学设计的基础。目前，进行接地系统设计时，多将土 f 壤看成均匀且无限大介质，按照单层土壤结构考虑，利用简化公式r = 等，仁 4y4 进行计算( p 是土壤电阻率，a 是接地网面积) 。但是实际中土壤结构很少有 单层，如按照单层土壤结构参数进行计算，会产生较大的设计误差。为了提 高准确度，需准确建立土壤结构模型。如对于水平双层土壤而言，需要确定 主要参数有i l i ( 上层土壤厚度) ，o l ( 上层土壤电阻率) ，以( 下层土壤电阻 率) ，反射系数r ( x = 竺盟) 。如图1 3 所示。 岛+ n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 地面 1 0 0 t o”土 p 2 、 z 图1 - 3 水平双层土壤结构示意图 为了得到各参数，e e d a w a l i b i e 7 5 】等人从正向推导入手，得到了多层土壤 情况下的视在电阻率随测量极间距变化时的正向推导公式，然后利用最小二 乘优化方法，在已知视在电阻率随测量极间距变化曲线的基础上，反向迭代 得到土壤分层结构。t a k e h i k o t a k a h a s h i 【7 6 】等人，采用了地质学中的“量板” 的概念，即首先对典型的地质分布情况进行正向分析，得到各种情况下视在 电阻率随测量极间距变化的曲线，将现场得到的实际曲线与已有的模板进行 比较，进而可以分析得到土壤分层参数。j n a h m a n ”】等人，根据经验推导出 典型两层土壤中垂直接地体的电阻值，将现场测量数值与已有的典型模板值 对比，从而分析出具体的土壤参数。为了进一步提高计算准确度，随后有些 研究者对水平双层土壤结构参数的确定也提出了一些优化方法。如文习山【_ 7 8 】 等人，提出采用拟牛顿法进行计算。潘溪渊 7 9 , 8 0 等人，采用g a u s s - n e w t o n 结合m a r q u a r d t 法进行了计算。j l d e la l a m o s q 提出二阶梯度法进行了计算。 潘文副8 2 】等人，提出采用p o w e l l 法进行计算。 为了获得准确的土壤结构参数，多位研究者采用了各种优化方法，但目 前提出的方法均基于经验或传统优化方法。由于传统的优化方法存在收敛速 度慢，计算结果易陷入局部最优，计算精度受初始值影响等不足。 1 3 3 2 土壤结构对接地电阻的影响分析 目前，在我国接地规程及i e e e s t d8 0 1 9 8 6 中推荐采用式足= p 2 、 - s 对 均匀土壤中接地网的接地电阻进行近似计算，采用该式进行计算是非常方便 的。但在工程实际中，很少会遇到均匀土壤的情况，大部分地区的土质比较 复杂，按照单层均匀土壤考虑设计时会存在较大的设计误差。 为了分析多层土壤结构对接地网接地电阻的影响。j m a 舳1 等人，建立了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 典型的双、三层土壤结构，分析了进行等效时接触电压的变化情况。认为建 立的等效模型，可用来计算接地电阻值，但是在进行接触电压计算时会有较 大误差。高延庆1 等人，分析了多种因素变化对等效模型的影响，认为反射 系数、接地网面积和垂直接地体等参数对等效模型有较大的影响。 1 4 本文的主要研究内容 青藏铁路经过青藏高原腹地，由于青藏高原独特的地理、气候条件，对 于该地区输变电系统防雷接地技术需开展具有针对性的分析研究。针对该地 区输变电系统防雷接地方面存在的主要问题，结合国内外的研究进展情况， 本论文将着重就以下几个方面的内容进行深入的研究。 ( 1 ) 铁路沿线雷暴活动分析及输电线路的防雷措施研究 掌握雷暴活动情况是进行输电线路防雷设计的基础。本文在总结分析的 基础上，研究了高海拔和高原气候情况下青藏线沿线雷暴独特的活动规律， 总结分析了沿线的雷暴活动情况和雷电流特性，对雷电的防护原则进行了探 讨。 在前述分析基础上，针对青藏铁路3 5 k v 电力贯通线，分析了有无避雷线 情况下绝缘子片数和杆塔接地电阻变化对线路耐雷水平的影响。建立了耐雷 水平计算的模型，分析了不同避雷器数目和杆塔接地电阻变化对线路耐雷水 平的影响情况，最后提出了适合该地区3 5 k v 输电线路的防雷措施。 ( 2 ) 降低接地系统接地电阻措施的分析研究 首先介绍了青藏铁路格拉段冻土分布情况，根据青藏高原地质情况，原 则性的提出了该地区降低接地电阻的方式和方法。同时为了得到冻土地区接 地体工频接地电阻的变化情况和降阻模块的降阻效果，试验分析了不同埋设 方式时接地电阻的变化情况，为青藏铁路格拉段接地装置的设计提供了新的 选择。 ( 3 ) 变电站土壤结构的确定及其影响 建立符合实际的土壤结构是进行接地系统精确计算的基础。文章采用 l a p l a c e 方程，推导出点电流源在多层水平土壤中的电位分布，建立了土壤 电阻率与测量间距之间的关系曲线( p a 曲线) ，给出了4 层以下土壤典型 的p a 曲线图，通过w e n a e r 四极法测量得到的p a 曲线，可以快速的大 致判断出所测地区的土壤结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 为了得到两层土壤结构参数对接地网接地电阻的影响，仿真分析了接地 网面积、反射系数、上层土壤厚度等参数变化对接地电阻的影响，得出了规 律性原则，为接地网的设计提供了理论指导和工程建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章青藏铁路沿线雷暴活动与3 5 k v 贯通线防雷 技术的分析 青藏高原具有独特的地理环境和气候特点，是我国目前进行雷暴研究、 雷电灾害预防的一个热门区域。由于特殊的地理、气候条件，与平原地区相 比，该地区雷暴具有其特殊的活动特点、规律。根据铁路沿线雷暴活动情况 和雷电特点，提出适合该段电力系统的防雷措施，需掌握格拉段铁路所经地 区的雷暴特点和分布规律，并有针对性的提出保证3 5 k v 输电线路耐雷水平 的具体措施，为青藏铁路格拉段的防雷接地工程的设计和施工提供了理论指 导。 2 1 格拉段铁路雷暴活动分析 2 1 1 雷暴的形成与特点 格拉段沿线雷暴具有出现次数频繁，生命史短的特点，7 3 3 的雷暴持 续时间小于3 0 分钟。其主要原因为高原东部以局地性雷暴为主，这种雷暴主 要受地形的影响，近地面低压环流占统治地位，而高层由青藏高原控制，从 而使得下层辐射、高层扩散的分布，具有利于对流产生的动力条件，形成较 强的对流云团，进而发展成雷暴。对流进一步的维持和发展主要靠水汽的供 给，而青藏高原因为云零度层低，常常是冰晶化，水部、冰晶部不是很分明。 另外由于高原上水汽少、地势高，一般都在4 0 0 0 m 以上，所以只能使雷云发 展高度在1 0 0 0 0 m 左右，此时上升气流弱，造成云体薄呈浅灰色或半透明状 态，很不利于云内电场的强化，造成雷云层薄、体积小，使雷暴维持时间短， 强烈的雷暴不易发生。同时，有研究表明- 1 0 温度层高度是影响雷暴电活动 强弱的一个重要因烈”】。青藏高原海拔很高，雷暴云的云底高度较低，一般 只有几百米，地面温湿条件较差，对流活动相对较弱，所以电荷分离过程进 行的最有效的1 0 温度层高度上的上升速度较低，这也是引起青藏高原雷暴 电活动较弱的另一个重要因素。 表2 1 与表2 2 所示为格拉段与同纬度华东地区及华南地区5 9 月平均 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 雷暴活动情况对比数据。 袭2 - 1格拉段铁路沿线雷暴活动情况对比敷据 表2 2 同纬度华东地区及华南地区雷暴活动倩况对比数据 从上表可以看出，格拉段各站的雷暴日数与同纬度的站相比，除格尔木 外，均比内地站高。与玉林、广州、湛江相比，唐古拉山以南各站的雷暴日 数与之相近，所以就雷暴日数来看，格拉段大部分地区与我国南方相当。从 格拉段雷暴小时来看，相对来说不如雷暴日多。以雷暴小时最多的那曲为例， 那曲5 - 9 月合计雷暴日数大于广州、南宁，可是合计雷暴小时不如广州、南 宁多，只及南宁的7 3 ，与玉林相比也只及5 6 。从总