任华钢，倪玉贵

(1.湖南省电力公司岳阳电业局，湖南岳阳 414000;2.湖南省电力公司常德电业局，湖南常德 415000）

电气化牵引线路杆塔故障时跨步电位差与接触电位差分析

任华钢1，倪玉贵2

(1.湖南省电力公司岳阳电业局，湖南岳阳 414000;2.湖南省电力公司常德电业局，湖南常德 415000）

变电站架构或输电线路杆塔在单相接地或相间短路接地故障时，对地电位会升高，从而可能出现危及人身安全的接触电位与跨步电压。本文根据110 kV新牵T汨线路4号铁塔现场对接触电位与跨步电位的实测和分析，提出相应对策并对其可能引起的的接地危害进行风险评估。

杆塔故障;跨步电压;接触电位差

随着电网的不断发展，系统的短路电流也在日益增强。当输变电设备发生故障时，在其架构或杆塔附近就会出现接触电位差与跨步电位差。在变电站间隔、设备和输电线路走廊不断增多的情况下，正在这些设备附近劳作、活动的相关人员 (运行、检修员工、农民工、田地中耕作的农民等)发生人身安全事故的几率也在逐步增加。因此，有效抑制和降低接触电位差与跨步电压、防范人员的触电事故是设计、运行单元必须认真考虑的。

1 现场检测及分析

1.1 现场检测

110 kV新牵线是从220 kV新市变电站到京广电气化铁路荣家湾牵引变的直供线，全长47 km;T汨线路是从110 kV新牵线T接到汨罗牵引变的线路，全长3 km。线路自2003年投运以来，沿线路的居民反映，在线路经过他们的房屋、树木、田地处常常有被电击的感觉，在雷雨天气时更为明显。T汨线路4号铁塔下的居民反映尤为强烈，某些时候甚至有人畜受伤的现象。但是在同一区域的其它110～220 kV线路却没有这样的反映。针对这一问题，现场采用图1的方式实测4号铁塔附近的接触电位和跨步电压，测量结果如表1，2。

按照电力行业标准〔2〕规定:跨步电压Ek的允许值 Ek=(174+0.7ρf)，式中 ρf为人畜站立处土壤电阻率，实测为100 Ωm;t为接地短路持续时间，取 0.03 s;Ek=1 408 V。表 1中，Uk=kbUS，kb为跨步系数，等于流过该地的单相接地短路电流Id与测量电流 IS之比;测点间距0-1，…，10-11为0.8 m;结论为测量值与Ek允许值1 408 V的比较结果。

图1 杆塔接地电位分布及跨步电位测试

表1 往民宅方向10 m所测跨步电压

表2 往水田方向10 m所测跨步电压

同样，按电力行业标准〔2〕规定:接触电位EJ的允许值Ej=(174+0.17ρf)，式中 ρf为 4 号铁塔处土壤电阻率，实测值100 Ωm;t为接地短路持续时间，取0.03 s;Ej=1 102 V。表3中，UJ=kJUS，式中kJ为接触系数，等于流过该地的单相接地短路电流Id与测量电流IS之比。

表3 接触电位测量数据

1.2 检测数据分析

(1)对表1～3进行比较发现，往民宅方向跨步电压在单相接地短路电流4 kA时有7点不合格(距民宅5.6 m以内)，3 kA时有4点不合格 (距民宅3.2 m以内)。往水田方向的跨步电压及接触电位差均合格。

(2)由于牵引负荷冲击性强、波动性大，在正常运行时向电力系统注入较大的负序电流，又由于向电力牵引负荷提供电源的电网系统是大电流接地系统即中性点接地系统，因而正常运行时还会出现零序电流。特别是在电力系统突发单相或两相接地短路故障时，在大电流接地系统会出现超常的负序电流和零序电流分量，有可能使系统地电位升高、中性点电压位移等异常情况发生。在正常运行加上单相、两相接地短路故障所产生的负序电流和零序电流分量作用下，故障点 (例如T汨线路4号铁塔附近导线有超高树竹在某些时候发生闪络等情况)会有地电位升高的现象，这也是在其它线路上杆塔没有或很少出现电压升高的现象而电气化牵引线路却经常发生地电位升高现象的原因。

2 电气化牵引线路杆塔在电网故障时电位升高的防治

2.1 基本原理

一个足够大尺寸的地下半球状的地线网在包围线路杆塔时，理论上能把接触电位降低到0，而且还可消除水平接地网的边缘效应，从而消除跨步电位，所以接地网的最佳尺寸数据选定主要取决于最大容许地电位的梯度。而半球体可以认为近似于一系列辐条相互连接而成的加大直径和深度的环，但在现实中却只能考虑有限数量的环。一般架构或杆塔附近电位升高而产生危及安全的接触电位与跨步电位是通过装设附加架空地线、连续延伸接地体、改进接地、敷设均压物质等措施来降低的。

2.2 降低地电位措施的试验分析

根据文献〔3〕的试验研究，在输电线路杆塔基础附近装设特制的接地电位控制导体环 (GPC)作为杆塔的接地部分，可以降低杆塔基础附近的接触电位与跨步电位。按照现场情况，在110 kV新牵T汨线路4号铁塔4个塔腿基础处各设置1对GPC环 (由线径10 mm的铜导体制成，外环直径为Φ6 m、内环直径为Φ3 m)，埋深0.8 m，4个GPC环互相焊接并与铁塔本体连接。

装设圆环后，铁塔基础附近电位分布V为〔5〕:

式中 A为铁塔基础圆环接地网等效面积;h为圆环埋深;d为圆环导体直径;x为距圆环电极导体水平距离;I为入地电流;R为圆环等效接地电阻。

按式 (1)可得铁塔基础附近电位分布曲线如图2。

图2 铁塔接地GPC环附近地面电位分布示意图

同样可以得到GPC环接地电极的接触电势Ej和接触电势系数kj

式中 V0为铁塔接地点电位。

当GPC环的尺寸足够大时 (b≫0.8 m)，可得到GPC环接地电极最大跨步电势Ekm的近似估算式:

式中 T为跨步取0.8 m，b为GPC环半径取3 m。

取GPC环导体直径Φ10 mm、埋深0.8 m、半径50 m(与铁塔原接地网相连后，等效半径)，I取3 kA，R实测为4.2 Ω，利用式 (1)计算得到地面电位分布和跨步电位如表4:

表4 GPC环接地电极的地面电位U分布和跨步电位Ek分布系数表

利用式 (4)可以计算出该点接触电位:

2.3 降低地电位的效果分析

(1)由表4可以看到:在距铁塔接地点2.4 m处跨步电位最高;最大跨步电位由2 045 V下降为1 126 V，下降45%。

(2)经计算比较，接触电位为故障时地电位的29.8%，下降幅度较大。即由1 102 V下降为330.6 V。

(3)对GPC环的要求:

①由于接触电位与垂直接地极的位置相关，如果在GPC环地网中增加若干垂直接地极并与铁塔的水平接地网连接，按文献〔3〕的计算，可以将接触电位降低90%之多。

②环的直径要求:由表中可以看到随着环的直径变小铁塔地电位和塔基电阻会变大，但当GPC环直径过大 (比如大于18 m)则接触电位可能会增加。因此按文献〔3〕的经验，环的直径在Φ8 m～Φ9 m为佳。

③环的埋深:较浅的埋深会导致直接在环上面的跨步电位急剧上升，因此要求埋深为好，一般在0.8 ～1.2 m。

④在塔基接地电阻降不下来时应采用内外双环效果较好。

3 塔基附近因跨步电位和接触电位引起接地危险的风险评价

3.1 事故概率统计

按照电力行业标准DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》推荐的跨步电位计算式Ek=(174+0.7ρf)和接触电位计算式 Ej= (174+0.17ρf)中的t，ρf是统计参数:t由故障排除时间的概率分布确定，ρf由土壤导电的概率分布确定。对于跨步电位和接触电位引起接地危险的风险可按故障地电位Pa(Va)和耐受电压Pw(Vw)的概率密度函数来求得。Va和Va～dVa之间施加电压的概率等于Pa(Va)·dVa(见图3)。耐受电压小于Va的概率由密度函数Pw(Vw)在0～Va区间积分得到。因此跨步电位和接触电位引起接地危险的事故概率Pf为

图3 事故概率统计

Ua可以是跨步电位，也可以是接触电位。同样Uw可以是跨步电位，也可以是接触电位。

3.2 总风险计算

如风险计算时间为1年，用f表示每年接地故障的平均数，则跨步电位、接触电位的概率Pe为:

式中 系数C，D分别为人每次受到跨步电压、接触电压的时间、故障持续时间 (按年统计)，k为实际触电的次数。如求得事故概率Pf，再与求得Pe相乘即为总风险。

110 kV新牵T汨线路4号铁塔在加装接地电位控制导体环GPC后按上述计算式计算，事故概率Pf值为0.007 72(取人体阻抗值1000～1 500 Ω，土壤电阻率100 Ω·m)，Pe按实际可能触电的概率计算得3.4× (10-2)3，因此在4号铁塔可能由于跨步电压、接触电压而触电的总风险为:

0.007 72 ×3.4 × (10-2)3=2.62 ×10-8

4 结束语

4.1 电气化牵引线路在单相接地或两相接地短路时会在故障点附近产生较高的地电位，并将引起跨步电位和接触电位的升高，因而会给相关人员造成触电危险，这比一般输电线路在同样故障时发生的频率要高，且跨步电位值和接触电位值也要高许多，原因是由于电气化牵引线路在故障时除了故障零序电流外，还有其运行中产生的零序和负序电流的共同作用。

4.2 为了降低电气化牵引线路杆塔故障时的地电位升高，尽可能避免跨步电位和接触电位对人体的伤害，在距民居、常年耕作的田地、人员流动量大的道路较近的线路杆塔基础加装接地电位控制导体环GPC可以有效地将地电位降低，并能抑制跨步电位和接触电位的危害程度。如果结合改进接地网、敷设均压物质等措施则效果会更好。

4.3 110 kV新牵T汨线路4号铁塔在线路故障时跨步电位经实测超过相关规程标准，在加装GPC导体环后，经计算和现场实测，跨步电位和接触电位已分别降低45%和29.8%，而可能造成人身伤害的总风险也仅为2.62×10-8，即基本确保不会因线路故障给当地居民带来危害。

4.4 随着电气化牵引负荷在电力用户中所占的比重越来越大，在电网中带来的新问题也越来越多，因而对于牵引负荷在接入系统后产生的一系列课题应该进行全面深入的研究。例如在电气化牵引线路没有发生单相接地或两相接地短路情况下，由于牵引负荷的波动、冲击、闪变、瞬时短路等正常运行方式下也有地电位升高而产生跨步电位和接触电位的现象，还需要分析研究，以确定相应对策。

〔1〕中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 475—2006接地装置特性参数测量导则〔S〕.北京:中国电力出版社，2006.

〔2〕中华人民共和国电力工业部.DL/T 621—1997交流电气装置的接地〔S〕.北京:中国电力出版社，1997.

〔3〕切尼，E.A.在故障输电铁塔下的跨步与接触电压〔J〕.美国电气工程师学会学报，1981(7).

〔4〕GB/T 17949.1—2000接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测试导则第1部分常规测量〔S〕.北京:中国标准出版社.

〔5〕解广润.电力系统接地技术〔M〕.北京:中国水利水电出版社，1991.

〔6〕凯迪，M.A.EI.输电线路结构附近跨步与接触电压引起的接地危险风险评估〔J〕.美国电气工程师学会学报，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

任华钢(1963— )，男，汉族，工程师，本科，主要从事电力系统输电和配网方面的技术工作。