輸配電線路自接地式電桿技術(shù)分析

國雪健,張正凱,柳 勇,余榮華,趙唯粟

(國網(wǎng)國際發(fā)展有限公司,北京 100031)

1 自接地式電桿研究現(xiàn)狀

接地系統(tǒng)是架空電纜輸電網(wǎng)絡(luò)安全運行的重要設(shè)施之一。在國家電力行業(yè)標準DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接地》和相關(guān)的電力安全操作規(guī)程中,要求有防雷設(shè)施的水泥桿及桿上設(shè)備必須有可靠的接地。架空線路傳統(tǒng)的混凝土電桿要求鐵橫擔和橫擔線路上的避雷器支架、導(dǎo)線橫擔與絕緣子固定部分或瓷橫擔固定部分之間,必須有可靠的電氣接地連接。傳統(tǒng)配網(wǎng)接地系統(tǒng)通常使用銅或鋼導(dǎo)體,與電氣設(shè)備接地端子或外殼及避雷針引線相連,穿過內(nèi)部中空的電線桿或PVC管向下牽引,與埋入土壤中的一個或多個接地棒連接。傳統(tǒng)電桿安裝時極易出現(xiàn)差錯,導(dǎo)致大量對地電纜接觸不良甚至未連接;在農(nóng)村等偏僻路段,地埋件易遭到人為損壞或偷竊,接地導(dǎo)體易腐蝕斷裂。由于水泥電桿沒有定期維護標準,埋在土壤內(nèi)部的接地部分接地隱患較難發(fā)現(xiàn),通常只有在事故發(fā)生后或地區(qū)配變更換率較高的情況下,才會引起暴露出來。

近年來,對具有接地一體化功能的混凝土電桿在國內(nèi)外都有了一定程度的研究和應(yīng)用。國際方面,傳統(tǒng)混凝土基礎(chǔ)很早就被作為接地極使用。早在1925年,德國發(fā)電廠導(dǎo)則中,已經(jīng)將建筑基礎(chǔ)的內(nèi)部金屬作為接地極使用;在1979年德國發(fā)布的標準中,已將居民建筑基礎(chǔ)列入接地系統(tǒng)。第二次世界大戰(zhàn)期間,美國Helbert Ufer發(fā)明了將接地極放入混凝土技術(shù)(被稱為“UFER接地”),并被證明是行之有效的;七十年代末期,美國開始推薦使用混凝土內(nèi)導(dǎo)體作為接地系統(tǒng);在1982年發(fā)布的ANSI/IEEE標準中,專門提到了使用鋼筋混凝土作為接地極的優(yōu)點。新西蘭研制了自接地電桿,電工人員在作業(yè)時可免受殘余電壓危害。1998年,巴西國家標準(NBR)將鋼筋混凝土內(nèi)金屬件優(yōu)先作為設(shè)備接地極;在隨后的三項國家標準修訂條款中,提出了使用鋼筋混凝土內(nèi)部導(dǎo)體作為接地極。近年在國內(nèi),關(guān)于鋼筋混凝土電桿的防雷接地和保護接地一體化設(shè)計有了初步的研究[1-3]:國網(wǎng)上海市電力公司物資供應(yīng)公司和國網(wǎng)上海市電力工程有限公司聯(lián)合對傳統(tǒng)混凝土電桿進行技術(shù)集成和創(chuàng)新,在電桿底部,加焊一個十字架和一根0.6 m的接地管;在電桿內(nèi)置一根專用的內(nèi)接地鋼筋與接地螺母作為接地引下線。中國電力科學(xué)研究院結(jié)合國內(nèi)10 k V配電網(wǎng)電桿接地實際情況,選擇高、低2種土壤電阻率試驗場地,分別對電桿自然接地、設(shè)置小接地體接地和設(shè)置長接地體接地多種接地形式下的接地參數(shù)進行測試,得到大量工頻接地電阻、考慮火花放電效應(yīng)和電感效應(yīng)的沖擊接地電阻實測值,并分析試驗結(jié)果給出配電線路接地設(shè)置建議。一體化自接地式電桿技術(shù)在我國一直缺乏深入研究,在我國電網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的實際應(yīng)用并不廣泛。

2010年,巴西當?shù)匾患夜驹趦?nèi)部檢查時發(fā)現(xiàn),配電桿接地部分有松動和金屬老化現(xiàn)象。統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)約有40%埋在土壤中的配網(wǎng)接地點(包括農(nóng)村和城市配網(wǎng))存在問題,并在系統(tǒng)過電壓時可能引發(fā)事故。同時發(fā)現(xiàn)在圣保羅州運行區(qū)內(nèi),77%的故障變壓器安裝地存在接地電阻值過高問題。

本文通過對某自接地式電桿關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計、試驗應(yīng)用、經(jīng)濟及社會效益進行分析和闡述,為我國輸配電網(wǎng)絡(luò)降低成本及采用自接地式電桿技術(shù)的價值和社會意義提供指導(dǎo)。

2 自接地式電桿關(guān)鍵技術(shù)

a.鋼筋。作為主接地極的縱向鋼筋與金屬連接件相連,為一條無焊縫鋼筋。在距離頂部接地端口下方,需焊接一條與所有縱向鋼筋相連的橫向箍筋,目的是將事故發(fā)生時產(chǎn)生的高短路電流,經(jīng)橫向安全環(huán)向各縱向鋼筋分流。圓形和雙T形自接地電桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

b.金屬接地端口。自接地電桿共設(shè)置3個金屬連接件作為接地端口,其作用分別為:頂部端口用于連接設(shè)備中性點/接地線;中間端口位于地表面上方,用于日常測量接地電阻和臨時接地;底部接口位于地表面下方,用于連接金屬環(huán)(為圍繞柱體的裸銅線,可選)及必要時作為其它接地系統(tǒng)的輔助接地棒使用。接地端口為雙金屬元件,內(nèi)部金屬件由不銹鋼或帶有鎳錫涂層的鋁材制成,經(jīng)4個螺栓固定在主鋼筋上;外部金屬件為銅合金制成的可拆分螺栓。

c.導(dǎo)電混凝土。導(dǎo)電混凝土是使用低電阻率原料,如焦炭、硫酸銅CuSO4和石墨等,來替代傳統(tǒng)混凝土原料(礫石和砂)?？紤]成本原因,導(dǎo)電混凝土原料是由水泥、細沙、冶金焦炭 和添加劑構(gòu)成。經(jīng)試驗論證,導(dǎo)電混凝土的電阻率遠低于普通混凝土。傳統(tǒng)普通混凝土原料為礫石和砂,平均接地電阻阻抗＞10 000Ω·cm,導(dǎo)電混凝土采用水泥、細沙、冶金焦炭 和添加劑,平均接地電阻阻抗＜3 000Ω·cm。

圖1 圓形和雙T型自接地電桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)

經(jīng)高壓試驗證明,在電壓、電流和頻率的要求條件下,試驗用自接地電桿均顯示出對高頻沖擊電壓的低阻抗,內(nèi)部硬件和用于接地的金屬帶之間可觀察到破壞性放電,未出現(xiàn)電介質(zhì)斷裂(鉆孔)的情況,各種表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)普通混凝土電桿,見圖2。

圖2 自接地式電桿與傳統(tǒng)電桿電阻性能對比

3 自接地式電桿技術(shù)優(yōu)勢

a.降低電桿接地電阻,提高耐沖擊性能,減少設(shè)備損壞及停電損失。自接地電桿導(dǎo)電混凝土大大提高了導(dǎo)電性能,并解決了傳統(tǒng)電桿接地導(dǎo)線接觸不良因素,使接地電阻得到有效降低,從而減少變壓器事故率及停電損失,提高配網(wǎng)可靠性。經(jīng)測試,導(dǎo)電混凝土的電阻率較常規(guī)混凝土降低了5～9倍。在40 k V和60 k V脈沖試驗中,傳統(tǒng)水泥桿放電點出現(xiàn)損壞,而自接地電桿未發(fā)生損傷。

b.桿內(nèi)金屬不與土壤直接接觸,提高了抗腐蝕性,延長電桿壽命。由于自接地電桿內(nèi)部金屬不與土壤層直接接觸,有效減少了鋼筋腐蝕,提高抗腐蝕性能,同時減少接地系統(tǒng)人為盜竊和破壞行為,提高系統(tǒng)的耐用性。按照土壤酸堿性質(zhì)不同,原來使用銅或鍍鋅角鋼接地棒的傳統(tǒng)桿預(yù)期壽命為5～15 a,而實現(xiàn)框架一體的自接地電桿預(yù)期壽命至少為30 a。

c.無需使用接地棒和電纜,簡化安裝流程,提高工作效率。相對于傳統(tǒng)電桿,自接地電桿安裝流程減少了挖接地溝、埋入接地棒、多個接地線和電纜連接(耗時且容易出錯),無需再進行電纜和接地棒之間的多頭連接工作,安全可靠性顯著增加,提升了電桿安裝效率,降低運維成本。

d.接地系統(tǒng)牢固,端口使用便捷,保障運維人員作業(yè)安全。在傳統(tǒng)電桿停電作業(yè)時,操作人員時常會受到殘余電壓電擊的危害,如果需要測量接地電阻,只能人工爬至電桿頂部進行。自接地電桿使臨時接地更為簡便,無需在作業(yè)點的相鄰電桿插入接地釬,只需將頂部導(dǎo)線和其它金屬部件與中間接地端口相連,即可實現(xiàn)接地,并形成電桿等電位區(qū),最大程度保障了人身安全,接地方式對比見圖3。

圖3 傳統(tǒng)電桿與自接地式電桿的檢修接地方式對比

通過自接地電桿的應(yīng)用,不僅在技術(shù)方面有所提升,而且在保障供電電網(wǎng)安全可靠運行、節(jié)省電力人工成本和工程費用等方面也有明顯優(yōu)勢。自接地電桿技術(shù)利用混凝土預(yù)埋鋼筋、3個金屬接地端口和底部導(dǎo)電混凝土形成接地系統(tǒng)。常規(guī)混凝土和導(dǎo)電混凝土均為電桿基礎(chǔ)設(shè)施,接地端口使用較厚的鋁板或不銹鋼板,經(jīng)螺栓固定后澆筑在混凝土中,整體堅實可靠,有效解決了傳統(tǒng)電桿接地線與接地棒接觸不好或未實現(xiàn)連接、易遭到人為破壞或偷竊等弊端,并且極大地降低了接地電阻值。由于自接地電桿內(nèi)部導(dǎo)體不用直接接觸土壤和空氣,減少金屬腐蝕,將電桿使用壽命提升至30 a。中間接地端口的使用,使臨時接地及電桿接地電阻測量工作更為便捷,并且減少混凝土電桿的接地管和接地引下線的施工和維護工程,極大程度地保障了人員安全。

4 自接地式電桿應(yīng)用情況及效果

2012-2015年期間,在圣保羅州坎皮納斯、瓦利尼烏斯等雷擊和變壓器燒毀高發(fā)地區(qū)進行了自接地電桿的掛網(wǎng)應(yīng)用測試。2015-2017年,經(jīng)過初步驗證使用性能后,對自接地電桿進行了商業(yè)化推廣嘗試。

從經(jīng)濟性來說,該公司每年用于配電變壓器燒毀支出約1 300萬雷亞爾,用戶停電損失賠償約360萬雷亞爾。在變壓器燒毀事故原因中,至少30%與接地不良有關(guān);保守估計,使用自接地電桿后,此類事故率可降至15%左右。綜上所述,每年因使用自接地電桿共節(jié)省資金約200萬雷亞爾,此外,還可向制造商收取專利使用費。

5 結(jié)束語

隨著我國電力市場化改革的深入,行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新可以促進電力行業(yè)快速健康的發(fā)展,也有益于提高電力監(jiān)管的效率[4-7]。我國電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅規(guī)模龐大,而且每個區(qū)域特點也各不相同。在提高電網(wǎng)輸配電效率及降低成本方面,自接地式電桿的市場應(yīng)用前景廣闊。在借鑒國際公司研發(fā)自接地電桿技術(shù)成功的經(jīng)驗和做法的基礎(chǔ)上,根據(jù)我國輸配電網(wǎng)絡(luò)特點及各地域環(huán)境及土壤等不同特性,相關(guān)電力企業(yè)可以加大在導(dǎo)電混凝土電桿接地一體化領(lǐng)域的設(shè)計、研發(fā)測試和技術(shù)創(chuàng)新。建議電力監(jiān)管相關(guān)機構(gòu)也要加強相關(guān)方向的指導(dǎo)性意見和技術(shù)領(lǐng)域的引導(dǎo)。