0 引言

随着社会经济的快速发展，广大电力用户对供电可靠性的要求越来越高。当输电线路杆塔发生雷击跳闸事故时，会造成线路停运、电能输送中止，影响电网的安全稳定运行。据统计，国内近几年因雷击引起的输电线路跳闸故障呈逐年上升趋势。

输电线路杆塔防雷接地装置的主要作用是当电力系统或电力设备遭遇雷击时，能够较好地将雷电流泄散入地，同时将接地装置的对地电位稳定在安全范围内，防止雷电过电压的反击事故。防雷接地装置的运行状态直接关系到输电线路的安全稳定运行，而冲击电阻是衡量输电线路杆塔防雷特性的重要指标。接地装置不仅仅要具备耐受工频短路故障电流的能力，更重要的是要满足雷电流冲击的要求。

直击雷和感应雷是大自然中最常见的2种雷电反击现象，研究和评估输电线路在这2种雷电反击作用下的冲击电阻特性对保障输电线路安全稳定运行具有非常重要的意义。

1 雷电反击常见类型

当雷云层靠近地面时，大地将会感应出相反电荷，当其累积到一定量时将会导致云层之间或云层与地面之间发生伴随有声光现象的放电，该种放电现象称之为雷电。大自然中常见的雷电反击现象主要有直击雷和感应雷2种。

直击雷是因云体与地面突出物体之间带电性质不同而把大气击穿形成的1种放电现象，易对通道上的建筑物与输电线路等造成损害。典型的直击雷电流冲击波形参数（波头时间/半值时间）为10 μs/350 μs。感应雷是指因静电感应或电磁感应而产生出很高的静电感应电压或感应电磁场，形成感应过电压，从而造成建筑物内的导线、金属导体或设备放电而产生电火花的现象，常对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，也可能使周围的金属构件产生感应电流，因生成大量的热能而引起火灾。典型的感应雷电流冲击波形参数为8 μs/20 μs。

直击雷雷电流的持续时间较长、放电量大，可直接击于架空输电线路和避雷针。感应雷是由感应电荷放电造成的，是1种间接雷，典型感应雷波形的持续时间较短、放电量较小。当架空输电线路遭受直击雷或感应雷作用时，高电位将沿电线、电源线和信号线等侵入变电所、发电厂或者建筑物内，对各类电气设备造成危害，或使建筑物内的金属设备放电，带来破坏作用。

2 检测输电线路杆塔冲击电阻的必要性

大多数输电线路及杆塔所处地形条件复杂，容易遭受雷击而引起输电线路跳闸，严重影响输电线路的安全稳定运行。随着国内电网规模的不断扩大，特别是超高压、特高压输电线路的陆续投产，架空输电线路杆塔的结构越来越复杂、高度越来越高、分布越来越密集，导致架空输电线路杆塔遭受雷击的可能性不断增加。

架空输电线路杆塔的接地网对电力系统的安全稳定运行至关重要，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、降低线路雷击跳闸率的重要措施。位于山区的杆塔，地质条件差，由于杆塔接地电阻高而产生的雷击闪络事故相当多。许多杆塔的接地电阻不合格，如接地电阻在100 Ω以上，造成线路耐雷水平低，经常发生线路跳闸。因此，积极开展输电线路杆塔接地网的防雷特性检测工作，可及时发现输电线路杆塔接地网中存在的潜在缺陷，采取针对性的修复改造措施消除隐患，确保输电线路的安全稳定运行。

评估防雷接地性能时，应重点考量其冲击接地电阻的大小。以往在检测输电线路杆塔接地装置状况时，一般仅局限于测量工频接地电阻，忽略冲击接地电阻的测量，或者仅通过换算来获取现场冲击接地电阻，而非通过现场实测的方式获得。

当雷电流通过杆塔及其接地装置向大地散流时，使塔顶电位升高起主要作用的是冲击接地电阻而不是工频接地电阻。由于受冲击电流在大地中的散流行为特征的影响，冲击接地电阻与工频接地电阻之间存在较大的差异，单凭测量工频接地电阻并不能有效反映接地网在雷电冲击作用下的特性。故在工程实际中，经常会遇到输电线路杆塔工频接地电阻值合格，但在线路遭受雷击时却不能发挥其有效作用的情况。因此，为提高输电线路耐雷水平，应该更加重视接地装置冲击接地电阻的影响，开展接地装置冲击接地电阻测量工作。

3 针对直击雷与感应雷的冲击电阻检测技术 3.1 传统检测方法

目前，对于接地电阻性能的检测主要考虑的是在工频短路故障电流下的作用情况，而很少考虑雷电冲击电流的作用情况。传统的接地电阻测试仪一般是采用工频或者接近于工频且幅值较小的正弦交流信号，无法真实反映标准雷电流的作用情况，一般仅能用于测试工频接地电阻，无法有效地测量冲击接地电阻。冲击接地电阻计算或测量方法主要包括仿真计算和真型大电流试验2种，目前用于野外现场开展输电线路杆塔冲击电阻的检测平台尚未实现现场实地检测。

3.1.1 仿真计算

当前国内外对于冲击接地电阻检测的技术研究主要集中于仿真，接地系统仿真计算方法主要有4种：电磁场理论法，电路理论法，有限元法和传输线理论法。这些仿真计算方法通常需要进行复杂的数学物理模型搭建，且求解繁琐、无法通用，计算结果误差大，无法用于工程实际检测。

3.1.2 真型大电流试验

针对接地装置冲击电流试验，国内外均开展了相关真型大电流试验，以分析各类因素对冲击接地电阻的影响，考察土壤的击穿电场强度，以及接地体周围整个土壤火花效应与电流幅值之间的关系。国内文闿成教授进行了高电阻率土壤中接地体特性的试验^[1]；武汉大学王建国等学者对垂直接地体冲击电流作用下的接地电阻进行了测量，着重分析了试验中土壤参数、冲击电流幅值、接地装置结构尺寸等因素对冲击接地电阻的影响^[2]；清华大学与重庆大学的学者进行了实验室内的接地装置冲击特性模拟试验研究，通过等比例缩小接地电极尺寸、缩短波头、降低电流幅值的方法，对输电线路杆塔接地电极的冲击特性进行了系统研究^[3-4]。真型试验对冲击电流发生器产生电流的幅值有较高要求，受试验环境、现场条件的限制，试验费用很高。

3.2 便携式冲击电阻测试仪

本文提出了1种基于小信号原理的可模拟直击雷（10 μs/350 μs）和感应雷（8 μs/20 μs）的输电线路杆塔冲击电阻测试方法，基于该测试方法开发的便携式冲击电阻测试仪，可方便、有效地检测冲击接地电阻，有效规避传统仿真计算方法存在的不确定性，克服真型大电流模拟试验安全性低、实用性差的缺陷，可有效应用于输电线路接地装置等防雷工程实践。

3.2.1 装置结构与工作原理

便携式冲击电阻测试仪主要包括冲击信号发生单元、冲击信号采样单元、冲击信号处理单元、ARM处理器、人机交互界面以及供电单元等部分，图 1所示。

冲击信号发生单元是测试仪的核心结构，主要由脉冲选择模块、直击雷发生模块、感应雷发生模块、信号隔离与放大模块及信号输出调节模块组成。仪器在ARM处理器的控制下，通过脉冲选择模块选择模拟直击雷或感应雷的冲击信号波形，之后经过信号隔离与放大模块进行信号隔离、滤波以及放大处理，最后经信号输出模块产生与回路相互匹配的冲击信号并注入接地装置中，从而实现冲击接地电阻值的测定。

3.2.2 技术优势

（1）内置高可靠性的冲击电流发生器，可同时产生符合IEC标准的10 μs/350 μs直击雷和8 μs/20 μs感应雷2种小幅值（安培级）冲击电流波形，准确模拟雷电流的实际情况，有效解决了传统冲击电阻测量方法存在的各种缺陷和不足，能够实现接地装置冲击电阻的专业、准确测量；

（2）可更好地反映雷电冲击电流作用下接地装置的冲击特性，能够产生最大冲击电流幅值不低于30 A的冲击电流信号；

（3）采用先进的隔离抗锯齿滤波技术，有助于减少无用奈奎斯特区中的信号，提高动态性能。仪器抗干扰能力强，能够避免现场各种噪声信号的干扰，大大提高了冲击电阻测量准确性；

（4）采用续航时间长的可充电电池供电，同时仪器采用便携式结构设计，体积小、质量轻，现场测试携带方便，非常适合进行野外现场冲击电阻的测量。

（5）装置利用12 V可连续充电的镍氢电池供电，电池续航时间长。

3.2.3 现场测试方法

采用与传统工频接地电阻测试方法类似的三极法布线方式进行现场实际测试，测试方案如图 2所示。布线时电流极C与被测接地装置G边缘的直线距离应结合接地装置的实际最大射线长度选取，通常为被测接地装置最大射线长度L的2~3倍（在土壤电阻率均匀的地区取2L，在土壤电阻率不均匀的地区取3L）。电压极P的位置选取宜采用电位降法^[5-7]，即通过在接地装置G与电流极C之间连线上前后移动来确定。

现场测试时，可根据现场试验条件灵活选择布线方式。如采用三极法-0.618倍直线法进行布线（如图 2），电压回路与电流回路同方向布置，且电压极P位于距接地装置G边缘的0.618d_GC位置，其中d_GC为电流极C与接地装置G边缘的距离；如采用三极法-30°夹角法进行布线，电压回路与电流回路成30°夹角布置，且电压极P与电流极C据接地装置G边缘的直线距离相等。

4 现场实际使用效果

本次选取经常发生雷电反击跳闸的某基500 kV高压输电线路杆塔（A塔）接地网进行现场实测分析。常规的工频接地电阻检测显示该基500 kV高压输电线路杆塔接地装置的工频接地电阻值测试结果符合设计值要求（见表 1）。

为了验证此套便携式冲击电阻测试仪的使用效果，2015年11月，现场巡检人员分别使用该套冲击电阻测试仪和传统ZC-8型接地电阻摇表对该基及其临近但未发生过雷击跳闸现象的输电线路杆塔接地装置进行现场比对检测，检测结果见表 1。

从表 1可以看出，该基存在雷击跳闸情况的输电线路杆塔（A塔）接地装置的工频接地电阻值符合相关标准要求^[3]，且数值与邻近杆塔相差不大，但在直击雷两种典型雷电波形作用下的冲击接地电阻值均明显高于临近杆塔。

现场检测完成后，运维人员根据检测结果对该基杆塔接地装置进行改造，并在改造完成之后进行了复测，复测结果：工频电阻（正弦波）为6.3 Ω；感应雷8 μs/20 μs冲击波形时为10.208 Ω；直击雷10 μs/ 350 μs冲击波形时为8.075 Ω，杆塔的冲击接地电阻恢复正常，且与邻近杆塔基本一致。

5 结束语

现场试验表明，虽然输电线路杆塔接地网的工频接地电阻值正常，但冲击接地电阻仍可能偏高，不宜用工频接地电阻来替代冲击接地电阻^[8-9]。本文设计的便携式冲击接地电阻测试仪，操作简单、使用方便，可对输电线路杆塔冲击接地电阻进行直接、快速检测，现场实用性强，推广价值高。