輸電線路自然接地體應(yīng)用探討

董元杰 張子一

摘要：接地裝置設(shè)計(jì)的合理性對輸電線路的正常運(yùn)行至關(guān)重要。輸電線路遭受的雷擊電流是通過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。

關(guān)鍵詞：輸電線路;自然接地體;探討

引言

輸電線路接地裝置（以下簡稱“接地裝置”）對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，其接地的目的是將雷電導(dǎo)人大地，以避免傷害人類、破壞設(shè)備等。接地裝置的設(shè)計(jì)通常會面臨諸多問題，如：在高土壤電阻率地區(qū)，若設(shè)計(jì)時(shí)未充分利用桿塔基礎(chǔ)自然接地，接地電阻會偏高，從而造成建設(shè)成本高;在低土壤電阻率地區(qū)，若接地裝置設(shè)計(jì)裕度過大，會造成材料浪費(fèi);受氣候、土壤環(huán)境復(fù)雜性影響，降阻效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，導(dǎo)致驗(yàn)收時(shí)不得不對接地裝置進(jìn)行變更修改。為了解決上述問題，本文提出一種接地裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以期為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1概述

接地裝置是輸電線路的童要組成部分，主要由接地體和接地引下線兩部分組成。接地體也稱接地網(wǎng)，是泄導(dǎo)雷擊電流的主要部分，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷擊電流通過接地體分散泄入大地。接地體主要由人工接地體和自然接地體兩部分組成：人工接地體主要包含水平放射型接地裝置、垂直放射塑接地裝置、閉合環(huán)形接地裝鷥等，為有效降低土壤電阻率，通常會使用接地模塊。、緩釋型離子接地體等降阻材料;自然接地體是指利用基礎(chǔ)混凝土作為天然接地體來分擔(dān)部分蕾擊電流。接地引下線是指從桿塔接地孔至地下接地射線之間的連接線，其作用是連接桿塔自身或桿塔接地外引裝置和接地體，使雷擊電流能流人到接地網(wǎng)中。

2接地電阻研究的重要意義

當(dāng)電力系統(tǒng)或電氣設(shè)備發(fā)生接地短路故障或遭受雷擊時(shí)，接地是重要的保護(hù)措施之一。無論是短路故障造成的瞬間大電流，還是直接雷擊或者雷電感應(yīng)產(chǎn)生的雷電流，最終都需要通過接地體將其傳導(dǎo)泄散到大地中去。當(dāng)電力系統(tǒng)或電氣設(shè)備發(fā)生接地短路故障或其他大電流入地時(shí)，如果接地電阻值比較大，就會造成地網(wǎng)電位異常升高。這樣，除給運(yùn)行人員安全帶來威脅外，還很有可能因反擊或電纜皮環(huán)流使得電氣設(shè)備的絕緣遭到破壞，高壓串入設(shè)備，輕則導(dǎo)致電氣設(shè)備的拒動(dòng)或誤動(dòng)，重則破壞電氣設(shè)備。因此，如何盡可能地降低接地電阻阻值是接地系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要課題。

3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)候需斷開接地裝置與鐵塔（基礎(chǔ)）的電氣連接，接地驗(yàn)收測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、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。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，通過改善基礎(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。

4接地裝置沖擊降阻優(yōu)化措施研究

4.1接地裝置射線最優(yōu)角度

方框帶射線接地極是工程上廣泛采用的一種接地裝置，其射線的布置角度對接地裝置的沖擊阻抗有一定的影響。下面分別計(jì)算不同角度下的方框帶一組/兩組射線接地裝置接地阻抗，以便為工程設(shè)計(jì)提供參考。

4.2接地裝置射線長度選取

隨著接地裝置射線長度增加，其降阻效果具有明顯飽和效應(yīng)，繼續(xù)增加射線長度效果不明顯，反而加大了工程投資。導(dǎo)體的有效長度與散流能力密切相關(guān)，散流能力又取決于土壤電阻率參數(shù)，因此接地裝置射線的最佳長度必然是土壤電阻率的函數(shù)。仿真中土壤參數(shù)取均勻土壤，土壤電阻率ρ分別取100Ω·m，500Ω·m，射線分別取1組與2組，帶一組射線情況下，射線角度取45°，兩組射線情況下取0°，其它仿真參數(shù)保持不變。

4.3接地裝置射線有效長度

由上述仿真可知，接地裝置的型式及射線導(dǎo)體長度的選擇均與導(dǎo)體的有效長度l0有關(guān)。為了進(jìn)一步明確射線有效長度隨土壤電阻率變化關(guān)系，以方框帶一組射線接地裝置為例，方框邊長取10m，射線角度取45°，分別改變接地裝置射線長度，其它仿真參數(shù)保持不變，研究不同電阻率下其沖擊接地電阻變化規(guī)律。

5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。

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，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，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。

結(jié)語

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)過模擬計(jì)算分析以及國內(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。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宇彬，周偉，等.導(dǎo)電混凝土技術(shù)對山區(qū)輸電線路接地降阻作用研究[J].山東電力技術(shù)，2020，4.

[2]程建華.特高壓輸電線路接地型式研究[J].數(shù)字通信世界，2018，10.

[3]鄧長征，趙習(xí)武，邱立，王鴻.沖擊電流作用下桿塔接地體的散流分布及降阻措施研究[J].電瓷避雷器，2015（5）：128-133.

[4]尹志強(qiáng)，楊程，楊利偉.架空輸電線路接地裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廣西電力，2020，6.

[5]司馬文霞，李曉麗，袁濤.考慮土壤非線性特性的接地網(wǎng)沖擊特性分析方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009（16）：127-132.

[6]基于暫態(tài)電網(wǎng)絡(luò)模型的桿塔接地裝置沖擊降阻優(yōu)化措施研究[J].李少東，蔡漢生，陳懷飛，劉剛，文習(xí)山，胡上茂，魯海亮.電瓷避雷器.2020（01）.