城市110 kV钢管塔接地安全校核及改进设计文献学习体会

文献概况与研究背景

杨鑫等人发表于2022年《电瓷避雷器》的这篇文章，聚焦于城市输电钢管塔接地装置的安全校核与改进设计。随着我国城市化进程加速，大量110 kV输电线路杆塔位于城市建成区，其接地装置面临与郊区杆塔截然不同的安全约束条件。城市环境中人流密集，接地装置不仅要满足接地电阻的技术要求，还必须严格控制接触电压和跨步电压在人体安全限值以内。

该研究由长沙理工大学电气与信息工程学院与湖南经研电力设计有限公司联合完成，受国家自然科学基金青年基金项目（51407013）和2020年湖南电力有限公司依托工程基建新技术研究应用项目（HN-YTKY-XL04）资助。研究利用CDEGS（Canadian ElectroMagnetic Compatibility Simulation Centre）软件对现有城市输电钢管塔接地装置进行了工频短路和雷击故障下的接触电压和跨步电压分布计算，提出了针对性的改进设计方案。

接地安全指标体系与计算方法

人体安全标准与接地安全指标

接地安全设计的核心是确保故障情况下人体接触杆塔或处于杆塔附近地面时，所承受的接触电压和跨步电压不超过人体安全限值。根据国际电工委员会（IEC）62305系列标准和我国GB/T 50065《交流电气装置的接地设计规范》，人体安全判据采用阻抗模型，考虑了人体电阻、地面电阻和人体电抗等参数。

CDEGS软件建模与计算

CDEGS软件基于矩量法（Method of Moments, MoM）和有限元法（FEM），能够精确计算复杂接地系统的接地电阻、电位分布和电流密度分布。在钢管塔接地模型中，需要准确描述以下要素：钢管塔本体作为导电体的几何形状和尺寸；接地引下线的连接方式和路径；水平接地体的埋深、间距和长度；垂直接地极的位置和深度；土壤电阻率的分层结构。

文献中指出，工频跨步电压超标是当前城市输电钢管塔接地安全存在的主要问题。这一发现具有重要的工程指导意义：传统的接地设计往往只关注接地电阻是否满足要求，而忽视了故障电流在地表形成的电位梯度对人体安全的威胁。在城市环境中，由于土壤电阻率通常较高（城市土壤多为回填土，电阻率可达100-500 Ω·m），且接地体受限于地下管线和建筑物基础无法大幅扩展，跨步电压超标问题尤为突出。

改进设计方案与技术分析

水平射线末端夹角射线结构

文献提出的核心改进措施是在水平射线接地体末端添加水平夹角射线结构，辅以垂直接地极。这一方案的原理在于：通过在射线末端增加夹角分支，扩大了接地体的有效面积，增加了故障电流向大地扩散的路径，从而降低了地表的电位梯度。

夹角射线的设计参数包括：夹角角度（通常为30°、45°、60°等）、射线长度、射线数量以及射线与主干射线的连接方式。文献通过参数优化确定了最佳夹角配置。从钢管焊接和制造的角度看，夹角射线结构的施工涉及钢管弯制、焊接连接和防腐处理等工艺环节，需要严格控制弯制质量和焊接接头性能。

垂直接地极的优化布置

垂直接地极是降低接地电阻和均匀化电位分布的有效手段。在城市环境中，垂直接地极的布置受限于地下管线、建筑物基础和地质条件。文献通过优化垂直接地极的数量、间距和深度，在保证施工可行性的前提下实现了跨步电压的有效降低。

钢管塔本体作为接地体的利用

钢管塔本身是优良的导电体，其管壁在故障情况下可以作为电流的传输通道。在接地设计中，应充分利用钢管塔本体降低接地电阻。钢管塔的各管节之间通过法兰连接或焊接连接，法兰连接的接触电阻和焊接接头的导电性能直接影响接地效果。对于焊接连接的钢管塔，焊接质量是保证接地连续性的关键；对于法兰连接的钢管塔，需要定期检查法兰连接的接触电阻，确保接地通道的可靠性。

工程实践中的关键问题

城市环境下的施工约束

城市环境中接地装置的施工面临诸多约束：地下管线密集，水平接地体的敷设空间受限；建筑物基础分布不均，垂直接地极的打入深度受限；施工场地狭窄，大型施工设备进场困难。文献提出的改进方案充分考虑了这些实际约束，在末端射线夹角和垂直接地极布置的优化中，兼顾了技术效果与施工可行性。

钢管防腐与接地保护的协调

钢管塔接地装置需要长期埋设在土壤中，防腐保护是确保接地性能持久性的关键。常用的防腐措施包括热镀锌、环氧涂层、沥青涂层等。然而，防腐层会影响接地体的导电性能，需要在防腐保护和接地效果之间寻求平衡。文献中虽未详细讨论防腐问题，但在实际工程中，接地体的防腐处理应遵循GB/T 18448《金属覆盖层 钢铁制品热镀锌层技术要求及试验方法》等标准，同时考虑防腐层对接地电阻的影响。

学习心得与启示

这篇文献的研究视角具有鲜明的工程应用导向，从人体安全标准出发，通过精确的数值计算揭示了城市钢管塔接地设计中的薄弱环节，并提出了切实可行的改进方案。对于从事钢管制造和焊接的技术人员而言，这篇文献的启示主要体现在以下方面。

首先，接地安全设计需要从系统层面考虑，不能仅关注接地电阻这一单一指标。钢管塔作为接地系统的重要组成部分，其焊接质量、连接方式和防腐处理都直接影响接地系统的整体性能。在钢管焊接质量控制中，应特别关注焊接接头的导电连续性和防腐层的完整性。

其次，数值模拟技术在接地系统设计中发挥着越来越重要的作用。CDEGS等专业软件的广泛应用，使得接地设计的优化从经验驱动转向计算驱动。这一趋势要求技术人员不仅具备传统的接地设计知识，还需要掌握数值模拟的基本方法和结果判读能力。

最后，城市环境下的接地设计需要在安全性、经济性和施工可行性之间寻找最佳平衡点。文献提出的综合安全优化设计方案，通过夹角射线和垂直接地极的协同优化，在不过度增加工程造价的前提下有效解决了跨步电压超标问题，体现了工程设计中技术经济分析的重要性。

总体而言，这篇文献为城市输电钢管塔接地安全设计提供了系统的分析方法和实用的改进方案，其核心思想——从人体安全标准出发，通过数值计算指导设计优化——对于提升钢管塔接地系统的整体安全水平具有重要的参考价值。