架空輸電線路桿塔接地裝置的選型原則

楊 巍，朱天浩

（中國電力企業(yè)聯(lián)合會電力建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢中心，北京 100053）

架空輸電線路桿塔接地裝置的選型原則

楊 巍，朱天浩

（中國電力企業(yè)聯(lián)合會電力建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢中心，北京 100053）

為研究桿塔接地裝置的選擇原則，本文介紹了工程中各類常見接地裝置及其接地電阻計(jì)算方法，以單基鐵塔接地為例計(jì)算出在滿足現(xiàn)行規(guī)程要求的前提下各類常見接地裝置在不同土壤電阻率時(shí)的接地方案，進(jìn)而得到其各自的材料量、土方量和接地總造價(jià)。通過多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，分析了各接地裝置的適用范圍，并對其進(jìn)行了歸類，給出了同類地區(qū)接地裝置選擇的優(yōu)先級順序，以期對輸電線路桿塔的接地設(shè)計(jì)提供一定的參考。

工頻接地電阻；接地裝置；優(yōu)先級順序。

1　概述

架空輸電線路桿塔接地裝置的主要作用是當(dāng)線路桿塔遭受雷擊時(shí)，快速將雷電流引入大地，避免塔頂電位升高，引起導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)，發(fā)生反擊放電，導(dǎo)致線路跳閘，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。降低桿塔接地裝置的接地電阻是提高線路耐雷水平，降低線路雷擊跳閘率的主要措施之一。

本文主要根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的要求，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，明確了常見各接地裝置的適用范圍，總結(jié)不同地區(qū)的接地裝置選型原則，得出同類地區(qū)接地裝置選型的優(yōu)先級順序，以期對輸電線路桿塔的接地設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2　自然接地

根據(jù)文獻(xiàn)［1］ 第5.1.2條和第5.1.5條，對于土壤電阻率ρ≤100的潮濕地區(qū)以及有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，可利用鐵塔和鋼筋混凝土基礎(chǔ)自然接地。當(dāng)桿塔基礎(chǔ)采用柔性基礎(chǔ)或灌注樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)充分利用基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)架作為自然接地體。

在基礎(chǔ)鋼筋數(shù)量和埋深確定后，其工頻接地電阻的計(jì)算，可以采用鋼筋直徑代入水平或垂直接地裝置的接地電阻計(jì)算公式，進(jìn)行計(jì)算。以灌注樁基礎(chǔ)為例，考慮到灌注樁屬深埋基礎(chǔ)，其工頻接地電阻按垂直接地極計(jì)算，接地電阻計(jì)算式為：

式中：RV為垂直接地極的接地電阻（Ω）；ρ為土壤電阻率（Ω·m）；l為單根垂直接地極的長度（m）；d為接地體直徑或等效直徑，此處為灌注樁主筋直徑。

在土壤電阻率較低的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮采用基礎(chǔ)自然接地，此時(shí)在滿足工頻接地電阻要求的同時(shí)，還應(yīng)保證基礎(chǔ)鋼筋和接地連接鋼筋滿足熱效應(yīng)的要求。大量實(shí)踐證明，利用基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體是切實(shí)可行的，尤其在規(guī)劃區(qū)、水田河網(wǎng)區(qū)、海底腐蝕嚴(yán)重區(qū)，敷設(shè)和運(yùn)行維護(hù)接地網(wǎng)都存在較大的困難且費(fèi)用較高，基礎(chǔ)鋼筋由于受到混凝土的保護(hù)不易氧化，基本上不存在鋼筋腐蝕的情況。

3　人工接地裝置

3.1閉合環(huán)形接地裝置

居民區(qū)、水田中及其他水平接地體敷設(shè)受限制的地區(qū)，接地裝置宜圍繞桿塔基礎(chǔ)敷設(shè)成閉合環(huán)形。其接地電阻Rh采用式（2）計(jì)算。

式中：Rh為水平接地極的接地電阻（Ω）；L為水平接地極的總長度（m）；h為水平接地極的埋設(shè)深度（m）；A為水平接地極的形狀系數(shù)，按文獻(xiàn)［1］中表A.0.2的規(guī)定采用。

當(dāng)采用閉合環(huán)形接地裝置接地電阻無法滿足要求或接地開挖受限時(shí)，可采用閉合環(huán)形接地裝置+垂直接地極，接地極常采用一定長度的鍍鋅扁鋼、角鋼或空心圓鋼等材料。

單根垂直接地極的接地電阻RV采用式（1）計(jì)算，組合接地電阻Ri采用式（3）計(jì)算：

3.2水平放射型接地裝置

水平放射型接地裝置是目前應(yīng)用最廣、最常見的一種接地裝置。該接地裝置采用若干根總長度不超過500 m的放射形接地極或采用連續(xù)伸長接地極串聯(lián)或并聯(lián)。接地電阻采用式（2）計(jì)算，其中A取值為1.76。

通過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，水平放射型接地裝置具有降阻效果好、造價(jià)低、施工時(shí)簡單易操作等多個優(yōu)勢。

采用水平放射型接地裝置時(shí)，接地體材料的選擇至關(guān)重要，它直接關(guān)系到接地體使用壽命的長短。在地下水或地基土對鋼結(jié)構(gòu)無腐蝕地區(qū)，常采用Φ12鍍鋅圓鋼；在腐蝕性不嚴(yán)重地區(qū)，可采用Φ14～Φ20的大直徑鍍鋅圓鋼或鋼管；在腐蝕性嚴(yán)重地區(qū)，可采用耐腐蝕性能較優(yōu)的不銹鋼復(fù)合材料、軟體石墨接地纜、銅覆鋼或純銅等材料延長接地體的使用壽命，保證接地系統(tǒng)的可靠性。

3.3接地模塊

接地模塊由非金屬導(dǎo)電材料擠壓成型（主要有方形、柱型和梅花形），其強(qiáng)度高，材料自身電阻率低，相對于傳統(tǒng)的金屬接地體擴(kuò)大了接地體的等效直徑，它主要是通過增大與土壤接觸面積降低接觸電阻，在相同故障電流的情況下能更快地將故障電流導(dǎo)入大地。此外，接地模塊安裝在接地體上以多通道分散布置，在多雷地區(qū)有很好的降低大電流沖擊的分流作用。

圖1　鐵塔水平放射型接地體和接地模塊的組合示意圖

采用圖1水平接地裝置+接地模塊時(shí)，水平接地體的接地電阻采用式（2）計(jì)算，單個接地模塊接地電阻采用式（4）計(jì)算，n個相同尺寸接地模塊接地電阻采用式（5）計(jì)算。

式中：k為降阻系數(shù)，主要取決于接地模塊的形狀和尺寸，可參考廠家產(chǎn)品手冊選取。

對于常規(guī)尺寸的接地模塊，在ρ≥1000Ω·m時(shí)， 通常k取0.2左右；n為接地模塊數(shù)量；η為屏蔽系數(shù)，當(dāng)相鄰模塊間距m≥5 m時(shí)，η=1；當(dāng)m＜5 m時(shí)，考慮到相鄰模塊間的屏蔽效應(yīng)，η應(yīng)適當(dāng)增加，參考多個廠家產(chǎn)品手冊提出以下η取值僅供設(shè)計(jì)參考，

m＜1時(shí)，η=1.7；

m=1～2時(shí)，η=1.5；

m=2～3時(shí)，η=1.3；

m=3～4時(shí)，η=1.1；

水平接地體與n個接地模塊組合后的接地電阻采用式（6）計(jì)算：

3.4物理型降阻劑

物理型降阻劑不含腐蝕性的氯離子，施工時(shí)將降阻劑與水混合成膠體，均勻地包裹在接地體表面。由于降阻劑電阻率很低，施加的降阻劑可以看成是等同于接地體的導(dǎo)體，等同于增加了接地體尺寸，同時(shí)增加接地體與大地的有效接觸面積，有利于穩(wěn)定泄流降阻。

由于影響接地電阻的因素甚多，至今為止還沒有一個切實(shí)的精確公式可利用。參考多個廠家產(chǎn)品手冊，提出以下公式供設(shè)計(jì)參考。

（1） 垂直接地體

一般2～3 m淺井采用50×50×5 mm的角鋼或管材，大于3 m的深井采用Φ50 mm的鋼管為金屬電極。

式中：dz為外包降阻劑后接地體綜合直徑（不計(jì)金屬極和滲透的體積因素），一般為0.1～0.2 m；kjv為降阻系數(shù)在以下范圍選?。?/p>

ρ≤100Ω·m ，kjv=5；

100＜ ρ≤500Ω·m， kjv=10；

500＜ρ ≤1000Ω·m，kjv=15；

ρ＞1000Ω·m，kjv=20；

（2） 水平接地體：

式中：kjh為降阻系數(shù)在以下范圍選取：

5≤ L＜20 m時(shí)，

ρ≤500Ω·m，kjh=10；

ρ ＞500Ω·m，kjh=30；

L≥20m時(shí)，

ρ ≤500Ω·m，kjh=50；

ρ ＞500Ω·m，kjh=100；

降阻劑的用量為：

式中：ρj為降阻劑的密度，約為1.35 t/m3。

3.5水平放射型接地裝置與緩釋型離子接地體的組合

緩釋型離子接地體主要有直柱型和L型兩種形式，它是靠內(nèi)管填充料向土壤四周的緩慢擴(kuò)散而來改變土壤電阻率，延緩地網(wǎng)腐蝕。它與接地模塊降阻原理基本相同，通過提高接地體的散流特性降低接地電阻，且自身接地電阻比接地模塊低。在高土壤電阻率地區(qū)，可采用水平放射型接地裝置+緩釋型離子接地體。

水平接地體接地電阻計(jì)算同式（2），單根離子接地體的接地電阻可參考廠家產(chǎn)品手冊，n根同型號離子接地體的接地電阻計(jì)算同式（5），水平接地體與n根離子接地體組合后的接地電阻計(jì)算同式（6）。

3.6其他接地降阻方式

除以上接地型式外，還有換土（傳統(tǒng)的物理型降阻方法）、犧牲陽極接地等，目前在輸電線路中極少采用，此處不再累述。

4　桿塔接地多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

下面以單基鐵塔（假設(shè)根開為12 m，接地體埋深0.8 m，接地槽寬度0.35 m、無坡度）為例，按以上介紹的接地電阻計(jì)算方法計(jì)算出在滿足現(xiàn)行規(guī)程要求的前提下各類常見接地裝置在不同土壤電阻率時(shí)的接地方案，進(jìn)而得到其各自的材料量、土方量和接地總造價(jià)（取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按Ⅱ類地區(qū)考慮），見圖2～圖4。

圖2　各類常見接地裝置的接地總造價(jià)（平地）

圖3　各類常見接地裝置的接地總造價(jià)（平地）

圖4　各類常見接地裝置的接地土方量

由圖2～圖3可知，自然接地最經(jīng)濟(jì)，不僅可降低工程造價(jià)，縮短施工周期，還省去了后期運(yùn)行維護(hù)，因此有條件的地區(qū)應(yīng)充分利用基礎(chǔ)自然接地。

由圖2可知，方案2～4造價(jià)最低，隨著土壤電阻率的增加其造價(jià)基本呈線性平緩增加，其中方案2主要適用于的土壤電阻率較低地區(qū)，方案3和4主要適用于放射線外敷受限制的農(nóng)田、水塘等地區(qū)；方案5在方案2～4基礎(chǔ)上略有增加，考慮該方案便于施工，在放射線外敷不受限制的常規(guī)地區(qū)可優(yōu)先選用；其余各方案在方案2～5的基礎(chǔ)上增加較多，其中方案6、7、8主要用于腐蝕性嚴(yán)重地區(qū)，三個方案中方案6經(jīng)濟(jì)性較好，方案8經(jīng)濟(jì)性較差（約為方案5的7倍），主要原因?yàn)槟壳败涹w接地纜單價(jià)較高，約為φ12鍍鋅圓鋼的14倍。方案9、10、11主要用于土壤電阻率較高的地區(qū)（當(dāng)采用方案3和方案4無法滿足要求或者采用方案5放射線總長度超過500 m時(shí)），從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)應(yīng)優(yōu)先采用方案9。

與圖2相比，圖3中各接地方案單價(jià)均有較大幅度提高，盡管圖中方案3和4價(jià)格最低，但考慮到巖石地區(qū)打入垂直接地極施工難度較大，可操作性不強(qiáng)，一般不推薦采用。考慮到巖石地區(qū)土壤電阻率一般較高，其余各方案相比方案9和方案11無論是從經(jīng)濟(jì)性還是從可實(shí)施性來講優(yōu)勢都較突出，宜優(yōu)先選用。

圖4反映出水平放射型接地裝置接地土方量較大，垂直接地極次之，接地模塊和緩釋型離子接地體較小。

5　結(jié)論

（1） 對于放射線敷設(shè)不受限的常規(guī)無腐蝕地區(qū)，從經(jīng)濟(jì)性和可操作性角度看，宜優(yōu)先采用φ12鍍鋅圓鋼水平放射型接地裝置，土壤電阻率較低時(shí)可取消放射線改為閉合環(huán)形接地裝置，土壤電阻率較高時(shí)若放射線總長度超過500 m，可通過在放射線上并聯(lián)接地模塊來縮減射線長度。

（2） 在水平放射線外敷受限制的農(nóng)田、河網(wǎng)、水塘、居民區(qū)等地區(qū)，當(dāng)土壤電阻率較低（ρ≤100Ω）時(shí)，應(yīng)充分利用灌注樁基礎(chǔ)或柔性基礎(chǔ)的自然接地作用。當(dāng)自然接地?zé)o法滿足要求時(shí)，可采用閉合環(huán)型接地裝置或閉合環(huán)型接地裝置+垂直接地極。

（3） 在水平接地槽開挖困難和垂直接地體打入地表受限制的山區(qū)，當(dāng)土壤電阻率較高時(shí)，宜優(yōu)先采用水平放射型接地裝置+接地模塊，必要時(shí)也可在干旱少雨地區(qū)采用水平放射型接地裝置外包降阻劑。

（4） 在地下水或地基土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕不嚴(yán)重的地區(qū)，可采用大直徑（φ14及以上）的鍍鋅圓鋼材料水平放射型接地裝置，腐蝕性嚴(yán)重地區(qū)宜優(yōu)先采用不銹鋼復(fù)合材料水平放射型接地裝置，必要時(shí)也可采用銅覆鋼材料?？紤]到軟體石墨接地纜連接方式為搭接，施工方便可縮短安裝周期，當(dāng)其材料價(jià)格降低至與不銹鋼復(fù)合材料相當(dāng)或更低時(shí)可優(yōu)先選用。

（5） 在海拔高、地形起伏較大、氣候條件惡劣、施工難度較大的高土壤電阻率（ρ≥3000Ω）地區(qū)，當(dāng)接地開挖可利用面積受限同時(shí)需要達(dá)到較小接地電阻時(shí)，若采用水平放射型接地裝置+接地模塊無法滿足要求，可采用緩釋型離子接地體替換接地模塊或與接地模塊組合。

總之，在進(jìn)行桿塔接地裝置選型時(shí)，在接地電阻滿足規(guī)程要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選擇可操作性較強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)性較好的接地裝置型式，力求施工程序簡單、安裝方便、造價(jià)低，確保工程投資更加合理。

［1］ GB50065-2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］ .

［2］ 何金良，孟慶波.降低線路桿塔接地電阻方法的探討［J］.電力建設(shè)，1996，（4）.

［3］ 張文亮，馬恒信，張棟.輸電線路灌注樁基礎(chǔ)自然接地電阻的測試和理論計(jì)算［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，（S1）.

［4］ 國電公司，東北電力設(shè)計(jì)院編.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊第二版［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［5］ 劉麗.緩釋型離子接地裝置的特性研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010.

Selection Principles of Overhead Transmission Line Tower Groundring Device

YANG Wei，ZHU Tian-hao
（Technical and Economic Consulting Center of China Electricity Council Construction， Beijing 100053， China）

In order to study the Selection Principles of overhead transmission line tower groundring device，the common types of groundring devices in engineering and its calculation method of grounding resistance are described. Under the premise of meeting the current national specifications and codes，Groundring schemes of various common Groundring devices under different soil resistivities are estimated by taking Groundring of a tower for example，then get the amount of material、earth volume and total cost for each scheme estimated .the applicable area of each groundring device which are classified are analyzed through technical and economic reasoning of several schemes， the priority order of scheme selection in the similar area are proposed in order to provide a reference for grounding design of transmission line tower.

power frequency grounding resistance； grounding device； priority order.

TM75

B

1671-9913（2016）03-0062-05

2016-01-24

楊?。?984- ），女，河南鞏義人，碩士研究生，注冊電氣工程師，從事輸電線路評審工作。