雷電沖擊下導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地電阻及其安全性研究

方鵬， 賈永兵， 劉宇彬， 馮新軍

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司， 湖南 長沙410004；2.湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司， 湖南 長沙410007；3.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙410114)

0 引言

大多數(shù)輸電線路桿塔位于野外空曠地帶， 容易遭受雷電沖擊造成輸電線路故障。 為了保持輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行， 對輸電線路采取有效的防雷接地措施非常重要[1-3]。 目前， 我國普遍采用圓鋼、扁鋼、 角鋼等金屬材料作為輸電線路桿塔接地材料， 但是這些金屬材料耐腐蝕性差， 容易年久失效， 導(dǎo)致接地電阻增大， 嚴(yán)重降低了接地網(wǎng)的接地性能， 為輸電線路安全穩(wěn)定地運(yùn)行埋下了隱患， 并大大增加了后期的維護(hù)和改建費(fèi)用[2-5]。

20 世紀(jì)90 年代以來， 各國研究人員對混凝土性能的提升做了大量工作， 創(chuàng)造性研發(fā)了導(dǎo)電混凝土。 經(jīng)過十多年的研究， 導(dǎo)電混凝土的制備技術(shù)已經(jīng)相對成熟， 導(dǎo)電混凝土已經(jīng)開始應(yīng)用在輸電線路桿塔的接地工程中[6-10]。 影響輸電線路抗雷電沖擊能力最敏感的因素是桿塔接地電阻， 對輸電線路進(jìn)行防雷保護(hù)的一個重要措施就是降低桿塔接地電阻[11-14]。 因此， 對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地裝置進(jìn)行優(yōu)化以降低沖擊接地電阻就顯得非常重要。 另外，當(dāng)輸電線路遭受雷電沖擊時， 雷電流注入桿塔頂部， 沿著塔身迅速進(jìn)入導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)和接地體散流入地。 因此， 需要研究雷電流的進(jìn)入是否會影響導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性。

1 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地建模

參考湖南省110 kV 等級輸電線路桿塔基礎(chǔ)的常用結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)采用直柱型板式基礎(chǔ)，根開取10 m， 基礎(chǔ)主筋為直徑25 mm 的熱軋帶肋鋼筋； 接地體由方形導(dǎo)體和射線導(dǎo)體組成， 導(dǎo)體為直徑10 mm 的圓鋼， 埋深0.7 m。 在CDEGS 軟件中構(gòu)建110 kV 輸電線路桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地系統(tǒng)模型， 如圖1 所示。 該模型包括導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)、 基礎(chǔ)中的鋼筋、 靠近基礎(chǔ)的接地體和雷電激勵源四個部分。

圖1 110 kV 輸電線路桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地系統(tǒng)模型

為獲得沖擊接地特性優(yōu)良的接地方案， 設(shè)計(jì)兩種導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地方案進(jìn)行對比研究: 第一種方案是接地體與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)共同采用， 通過連接線連接基礎(chǔ)鋼筋和接地體； 第二種方案是取消接地體， 直接采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地。 在CDEGS 軟件的MALZ 模塊中建立兩種接地方案的模型， 如圖2 所示。 建立模型后， 在CDEGS 軟件的激勵模塊中設(shè)定雷電流激勵， 采用(2.6/50) μs波形作為雷電流的標(biāo)準(zhǔn)波形， 雷電流幅值取10 kA，仿真研究桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響因素， 并分析不同接地方案導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的熱力學(xué)特性。

圖2 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地示意圖

2 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻仿真研究

2.1 土壤電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

目前用于桿塔基礎(chǔ)的接地導(dǎo)電混凝土電阻率一般為1 ～100 Ω·m[1-6]， 分別固定導(dǎo)電混凝土電阻率 為1 Ω·m、 10 Ω·m、 20 Ω·m、 50 Ω·m、100 Ω·m， 依 次 在 200 Ω·m、 500 Ω·m、1 000 Ω·m、 1 500 Ω·m、 2 000 Ω·m、 2 500 Ω·m、3 000 Ω·m土壤電阻率下注入雷電流， 分別計(jì)算桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻， 如圖3 所示。

圖3 土壤電阻率對不同導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

如圖3 所示， 隨著土壤電阻率的增加， 兩種方案的導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均快速增大，說明無論是否加水平接地體， 土壤電阻率均對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻有很大影響。 土壤電阻率越大， 對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的散流越不利。 在相同土壤電阻率的情況下， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均低于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻。 隨著土壤電阻率的增大， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異越來越大。 當(dāng)土壤電阻率低于1 000 Ω·m 時， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻接近于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻， 兩種方案的沖擊接地電阻之差不超過5 Ω·m， 建議采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地。 當(dāng)土壤電阻率高于1 000 Ω·m時， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異較大， 建議同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)。

2.2 導(dǎo)電混凝土電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

分別固定土壤電阻率為200 Ω·m、 1 000 Ω·m、2 000 Ω·m、 3 000 Ω·m， 依次在1 Ω·m、 10 Ω·m、20 Ω·m、 50 Ω·m、 100 Ω·m 導(dǎo)電混凝土電阻率下注入雷電流， 分別計(jì)算桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻， 結(jié)果如圖4 所示。

圖4 混凝土電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

從圖4 可以看出， 隨著導(dǎo)電混凝土電阻率的增加， 兩種方案的導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均緩慢增大， 但是增長的幅度非常小， 最大增長幅度不超過0.2 Ω·m， 說明在導(dǎo)電混凝土正常電阻率范圍內(nèi)， 導(dǎo)電混凝土的電阻率對兩種方案的桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊電阻基本沒有影響。 在相同導(dǎo)電混凝土電阻率的情況下， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均比導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻更小。

2.3 接地體長度對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

針對方案一(同時采用接地體與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的接地模型)， 設(shè)定土壤電阻率為500 Ω·m，導(dǎo)電混凝土電阻率為100 Ω·m， 接地體長度分別取20 m、 40 m、 60 m、 80 m， 對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地系統(tǒng)注入雷電流， 分別計(jì)算桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻， 結(jié)果如圖5 所示。

圖5 接地體長度對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

從圖5 可以看出， 當(dāng)同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)時， 隨著接地體長度的增加， 桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻越來越小， 但在接地體長度超過60 m 后， 沖擊接地電阻降幅明顯減小并逐漸趨于穩(wěn)定， 因此建議接地體長度取70 m。

3 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)安全性仿真研究

3.1 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)

在方案一(同時采用接地體與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的接地模型) 中， 將土壤電阻率設(shè)定為500 Ω·m，導(dǎo)電混凝土電阻率設(shè)定為100 Ω·m， 在4 個接地引線處分別加入幅值為10 kA 的雷電流激勵。 由于4 個導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)是對稱分布的， 并且在4 個基礎(chǔ)中的雷電流和磁場強(qiáng)度分布也是相同的， 所以只需分析其中的一個基礎(chǔ)。 桿塔雷電流的大部分通過接地體和基礎(chǔ)鋼筋的連接點(diǎn)進(jìn)入導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)，所以和連接點(diǎn)位于同一個面的基礎(chǔ)鋼筋受力和受熱最大； 而在該平面中， 雷電流與磁場強(qiáng)度最大的區(qū)域是連接點(diǎn)附近的基礎(chǔ)鋼筋[15]。 因此， 只需仿真分析連接點(diǎn)附近的基礎(chǔ)鋼筋即可得到導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋的最大受力與受熱。

雷電流注入面的電流和磁場強(qiáng)度分布如圖6 所示， 雷電流注入面的最大電流和磁場強(qiáng)度分別為672.832 A 和453.461 A/m。 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律， 由基礎(chǔ)鋼筋中的電流和鋼筋所在位置的磁場強(qiáng)度即可計(jì)算鋼筋的受力其中I 為混凝土基礎(chǔ)鋼筋中的電流， l 為混凝土基礎(chǔ)鋼筋的長度， B 為鋼筋所在位置的磁場強(qiáng)度。 由于力的作用是相互的， 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的受力與鋼筋的受力大小相等、 方向相反， 所以可以得到對應(yīng)每段鋼筋所在位置的導(dǎo)電混凝土的受力F = 0.383 N/m。

圖6 方案一中雷電流注入面的電流和磁場強(qiáng)度分布

將鋼筋電阻率設(shè)定為ρ=6.58 × 10-7Ω·m， 單位長度的鋼筋電阻為R=ρ×l/S=1.454× 10-3Ω·m，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的最大熱量為Q=I2×R=0.658 kJ；單位長度的橫向鋼筋重量M 為3.551 kg； 鋼筋的比熱容C 約為0.46 kJ/ (kg·K)； 因此導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升Δt = Q/ (C · M) = 0.658/(0.46×3.551) = 0.403 ℃。 計(jì)算導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升時采用的時間單位是s， 而雷電流的持續(xù)時間一般遠(yuǎn)小于1 s， 所以導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋實(shí)際溫升要小于0.403℃， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25℃， 因此導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)是穩(wěn)定和安全的。

3.2 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地

在方案二(導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地模型)中， 將土壤電阻率設(shè)定為500 Ω·m， 導(dǎo)電混凝土電阻率設(shè)定為100 Ω·m， 將幅值為10 kA 的雷電流注入導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)中， 仿真分析雷電流注入點(diǎn)附近的電流與磁場強(qiáng)度分布， 結(jié)果如圖7所示。

圖7 方案二中雷電流注入點(diǎn)附近的電流和磁場強(qiáng)度分布

提取出雷擊點(diǎn)附近的最大電流與磁場強(qiáng)度， 分別是3 545.203 A 和1 124.744 A/m。 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律， 由最大電流和磁場強(qiáng)度可計(jì)算得到單位長度基礎(chǔ)鋼筋的最大受力F = 5.008 N/m， 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的最大熱量為Q=I2R=18.27 kJ； 因此導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升Δt=Q/ (C·M) =11.19℃。計(jì)算導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升時采用的時間單位為秒， 而雷電流持續(xù)時間一般僅有幾百微秒到幾十毫秒， 而因此導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升遠(yuǎn)小于25 ℃，即方案二中的導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)也是安全的。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)土壤電阻率低于1 000 Ω·m 時， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻接近于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻， 建議采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地。 當(dāng)土壤電阻率高于1 000 Ω·m時， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異較大， 建議同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)。

2) 在導(dǎo)電混凝土正常電阻率范圍內(nèi)， 導(dǎo)電混凝土的電阻率對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊電阻基本沒有影響。

3) 當(dāng)同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)時，隨著接地體長度的增加， 桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻越來越小， 但在接地體長度超過60 m后， 沖擊接地電阻降幅明顯減小并逐漸趨于穩(wěn)定，因此建議接地體長度取70 m。

4) 在受到雷電流沖擊時， 同時采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)時導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的溫升遠(yuǎn)小于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的溫升， 但這兩種接地方案的溫升都遠(yuǎn)小于25 ℃， 因此都是安全穩(wěn)定的。