輸電線路自然接地體應(yīng)用探討

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)電力有限責(zé)任公司 黃學(xué)明

輸電線路桿塔接地裝置是輸電線路的重要組成部分，是接地體和接地引下線的總稱，接地電阻是指接地體散流電阻、接地引下線電阻和接觸電阻的總和。其作用是確保雷電流可靠泄入大地，保護(hù)線路設(shè)備絕緣，減少線路雷擊跳閘率，提高運(yùn)行可靠性和避免跨步電壓產(chǎn)生的人身傷害[1]。對(duì)輸電線路桿塔接地裝置進(jìn)行規(guī)范管理和維護(hù)，確保接地裝置完整性是降低輸電線路雷擊跳閘率的有效措施，降低接地裝置接地電阻是提高線路耐雷水平的主要措施。

接地裝置由接地體和接地引下線組成，接地體也稱接地網(wǎng)。輸電線路遭受的雷擊電流是通過(guò)桿塔的接地裝置泄入大地的，是泄導(dǎo)雷擊電流的主要部分；而接地引下線是指從桿塔接地孔至地下接地射線之間的那段連接線，它的作用是通過(guò)桿塔自身（或安裝的桿塔接地外引裝置）連接避雷線以及下地轉(zhuǎn)地網(wǎng)，使雷擊電流能通過(guò)桿塔自身（或安裝的桿塔接地外引裝置）、接地引下線流入到接地網(wǎng)中，以便泄放雷擊電流[2-3]。

1 自然接地體降阻策略

目前工程中常用的降阻措施有擴(kuò)大接地網(wǎng)尺寸、深埋接地體、添加降阻材料、換土等方法，具有一定的降阻效果。然而國(guó)內(nèi)工程通常將接地裝置引下線從塔腳引接，竣工驗(yàn)收的時(shí)候需斷開(kāi)接地裝置與鐵塔（基礎(chǔ)）的電氣連接，接地驗(yàn)收測(cè)量的接地電阻不包含桿塔基礎(chǔ)的自然接地，因此設(shè)計(jì)上很難充分考慮鐵塔基礎(chǔ)的自然接地，沒(méi)有充分發(fā)揮自然接地的效果，使得接地裝置的設(shè)計(jì)裕度過(guò)大，造成材料浪費(fèi)，增加工程成本。

輸電線路桿塔基礎(chǔ)主要由混凝土及其包裹的基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)成，由于基礎(chǔ)鋼材導(dǎo)電性良好，加之外層有混凝土保護(hù)，安全可靠、不易損壞、使用時(shí)間長(zhǎng)、不易被腐蝕，只需要將其相互連通構(gòu)成電氣通路即可具有良好的散流作用，自身就可作為良好的自然接地體[4]。此外，基礎(chǔ)混凝土也具有一定的導(dǎo)電散流作用，且電阻率會(huì)隨著環(huán)境發(fā)生變化，潮濕環(huán)境下效果更明顯。由此可見(jiàn)，通過(guò)改善基礎(chǔ)混凝土的導(dǎo)電性，甚至采用導(dǎo)電性更好的導(dǎo)電混凝土或在基礎(chǔ)外層包覆導(dǎo)電材料，可以更好地發(fā)揮桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體的效用。

2 自然接地體工頻接地電阻計(jì)算方法

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于采用桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體的計(jì)算尚沒(méi)有明確的方法，針對(duì)此類問(wèn)題的研究主要是采用軟件平臺(tái)搭建接地系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。國(guó)際工程項(xiàng)目對(duì)自然接地體工頻接地電阻的計(jì)算大多遵循IEEEstd80-2013標(biāo)準(zhǔn)，具體計(jì)算公式為式（1）：{ρ[ln(8Lr/DC)-1]+ρc[ln(8Lr/d)-1]-ρc[ln(8Lr/DC)-1]}，其中RCE-rod為混凝土基礎(chǔ)接地電阻、單位Ω，Lr為基礎(chǔ)內(nèi)接地體長(zhǎng)度、單位m，ρ為土壤電阻率、單位Ωm，DC為基礎(chǔ)混凝土等效直徑、單位m，ρc為基礎(chǔ)混凝土電阻率、單位Ωm，d為基礎(chǔ)內(nèi)接地體等效直徑、單位m。

以輸電線路中常用的基礎(chǔ)型式為例，桿塔基礎(chǔ)可等效成埋在地里的一個(gè)電極，基礎(chǔ)尺寸如圖1所示，Lr取3000mm，即3m；Dc取最小值800mm，即0.8m?；A(chǔ)中的插入角鋼可以等效為包裹在基礎(chǔ)中的一根金屬桿，取常用規(guī)格的插入角鋼（200mm×200mm×20mm）進(jìn)行計(jì)算，其等效直徑d=0.84×200=168mm=0.168m。參照IEEEst d80標(biāo)準(zhǔn)，ρc取60Ωm。

圖1 基礎(chǔ)外形尺寸圖

3 自然接地體在輸電線路中的應(yīng)用

由于自然接地體具有制作方便、穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)用逐步增多。將接地引下線的位置從傳統(tǒng)的與桿塔塔腿底部連接調(diào)整為和桿塔基礎(chǔ)底部相連接，將桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體，使自然接地體與人工敷設(shè)的垂直接地極和水平接地系統(tǒng)相連，充分發(fā)揮了基礎(chǔ)混凝土和基礎(chǔ)鋼材的散流作用，有效降低桿塔接地電阻，減少接地材料的用量，同時(shí)避免接地裝置遭受認(rèn)為的盜竊和破壞。具體形式詳見(jiàn)圖2。

圖2 桿塔基礎(chǔ)圖1

在山區(qū)等運(yùn)輸困難、難以施工的塔位，采用碳纖維導(dǎo)電混凝土取代常規(guī)混凝土，利用桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體，可以減少人工接地體的開(kāi)挖量，降低工程造價(jià)。碳纖維導(dǎo)電混凝土一般由膠凝材料、導(dǎo)電材料、介電骨料和水等成分組成，按照一定配比并加入碳纖維材料混合凝結(jié)而成的復(fù)合材料，既保持了結(jié)構(gòu)材料的性能，又具有導(dǎo)電材料的特性，耐腐蝕性好。在人工接地體數(shù)量不變的情況下，桿塔基礎(chǔ)采用碳纖維導(dǎo)電混凝土可使降阻、散流效果更優(yōu)。具體形式詳見(jiàn)圖3。

圖3 桿塔基礎(chǔ)圖2

近年來(lái)出現(xiàn)的非金屬石墨復(fù)合接地材料具有導(dǎo)電散流性、抗腐蝕性好，安裝敷設(shè)簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)，將其作為自然接地的輔助材料可起到更好的降阻效果。根據(jù)土壤和地下水位情況，利用非金屬石墨復(fù)合接地材料采取上段、中段、下段外敷以及基礎(chǔ)外表完全敷設(shè)等不同形式，增強(qiáng)自然接地體的散流作用，具體形式詳見(jiàn)圖4。接地電阻受外敷半徑和塔基埋設(shè)深度影響很大，隨著外敷半徑和塔基埋設(shè)深度的增加，接地電阻逐漸降低。

圖4 桿塔基礎(chǔ)外敷圖

4 結(jié)語(yǔ)

將輸電線路桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體，與桿塔人工敷設(shè)的接地裝置或其他輔助降阻材料相連接，利用基礎(chǔ)混凝土以及基礎(chǔ)鋼材的導(dǎo)電作用，相當(dāng)于擴(kuò)大了接地裝置范圍，不僅有利于減少人工接地裝置的敷設(shè)量，節(jié)省材料、降低工程造價(jià)，還可以降低接地裝置受外力損壞的幾率。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算分析以及國(guó)內(nèi)外工程的應(yīng)用，表明將桿塔基礎(chǔ)作為接地裝置的一部分可以有效降低桿塔的接地電阻，證明桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體是可行的，也為輸電線路接地裝置的改進(jìn)優(yōu)化提供了一個(gè)研究的方向。