柔性纜狀石墨接地在輸電線路工程中的應(yīng)用

劉建偉，趙 楓，郭志彬，郝艷勇

(中國能源建設(shè)集團(tuán)天津電力設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300400)

柔性纜狀石墨接地在輸電線路工程中的應(yīng)用

劉建偉，趙 楓，郭志彬，郝艷勇

(中國能源建設(shè)集團(tuán)天津電力設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300400)

本文介紹了柔性纜狀石墨防雷接地極結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)及電氣設(shè)計(jì)，結(jié)合幾年來實(shí)施的輸電線路接地極改造工程實(shí)際，總結(jié)出這種柔性纜狀石墨接地極常用敷設(shè)型式。通過全壽命周期理念比較得出，柔性纜狀石墨具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹了柔性纜狀石墨防雷接地極結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)及電氣設(shè)計(jì)，結(jié)合幾年來實(shí)施的輸電線路接地極改造工程實(shí)際，總結(jié)出這種柔性纜狀石墨接地極常用敷設(shè)型式。通過全壽命周期理念比較得出，柔性纜狀石墨具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。

輸電線路；柔性纜狀；雷擊；全壽命周期；石墨接地。

由于高壓架空輸電線路多處于裸露的空闊地形，影響線路安全穩(wěn)定的自然因素較多，其中雷擊是危及線路安全運(yùn)行的主要因素之一。雷擊桿塔或?qū)У鼐€直接引起線路故障，降低電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過理論分析，結(jié)合線路多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前主要采取降低線路桿塔接地電阻，從而提高線路耐雷水平、減少線路雷擊跳閘率。采用人工接地裝置是降低線路桿塔接地電阻的最重要措施。

多年來，架空線路桿塔接地裝置多采用圓鋼材質(zhì)，隨著冶金技術(shù)工藝的發(fā)展，近些年銅覆鋼材質(zhì)也在接地裝置中開始應(yīng)用。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，常規(guī)的接地裝置存在一些難以解決的問題：一是接地裝置的接地電阻達(dá)不到規(guī)定的要求；二是降阻穩(wěn)定性問題，特別是高土壤電阻率的地區(qū)，接地電阻測量值起伏大，不能滿足要求；三是接地體的腐蝕問題，尤其銅覆鋼在外面銅層被破壞后形成電解效應(yīng)，加速了接地體的腐蝕；四是容易遭受外力破壞，在沙漠地區(qū)的桿塔接地，在刮大風(fēng)時(shí)，很容易將沙土吹走而使接地體裸露在外，在耕地里的鐵塔，由于農(nóng)田的耕作，有時(shí)也會傷及接地體。以上這些問題一直困擾著電力系統(tǒng)的技術(shù)人員。

1 接地極結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)

柔性纜狀石墨防雷接地極是以石墨為主要原材料制作的新型石墨導(dǎo)電電纜，屬于非金屬導(dǎo)電材料體，該導(dǎo)電體呈惰性，化學(xué)穩(wěn)定，且導(dǎo)電性能極佳，在常溫條件下不受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑及電偶腐蝕，不生銹，電阻穩(wěn)定，使用壽命長。

柔性纜狀石墨接地極，主要由連接端頭、接地極纜狀主體、絕緣防護(hù)套構(gòu)造而成。

1.1 結(jié)構(gòu)

柔性纜狀石墨接地極由若干根柔性導(dǎo)電石墨線編織而成的柔軟電纜狀接地極，其原材料采用純度在99%以上的石墨。石墨線采用專用生產(chǎn)設(shè)備制作，把無堿玻璃纖維、耐腐蝕的增強(qiáng)絲和表層石墨顆粒復(fù)合在一起，這樣的結(jié)構(gòu)即可以實(shí)現(xiàn)材料超導(dǎo)，且強(qiáng)度高，能適用各種條件的土壤，不易被腐蝕，埋在地下長久使用。這種接地極柔性纜狀結(jié)構(gòu)，施工便捷，可隨施工路徑自由彎曲，無需電氣焊，施工費(fèi)用低。

1.1.1 柔性纜狀結(jié)構(gòu)

柔性纜狀石墨接地極內(nèi)部包含28～30根導(dǎo)電石墨線，其主要起導(dǎo)電作用。外層12～16根導(dǎo)電石墨線通過編織機(jī)均勻編織在芯部導(dǎo)電石墨線上，編織表面呈棱形網(wǎng)格狀，起到保護(hù)芯部導(dǎo)電石墨線和擴(kuò)大與周圍土壤的接觸面積的作用。

1.1.2 連接端頭

接地極需要適應(yīng)不同地區(qū)環(huán)境要求，連接端頭設(shè)計(jì)采用耐腐蝕程度較高的304不銹鋼材質(zhì)，螺栓孔徑采用國家統(tǒng)一規(guī)格Φ16，彎曲不能采取熱處理，彎曲半徑應(yīng)符合規(guī)程要求，彎曲部位無裂痕、無變形。

1.1.3 絕緣防護(hù)套

絕緣防護(hù)套的主要作用是對接地極在地上裸露部分起保護(hù)作用，而且絕緣防護(hù)套的所處環(huán)境要經(jīng)受日曬，因此，需要耐老化，同時(shí)還需要有耐酸堿、輕便的特點(diǎn)。緣保護(hù)套采用丙綸內(nèi)丹和天然橡膠外襯的形式制作，保證了絕緣護(hù)套的強(qiáng)度和耐老化性能，且使用方便、靈活。

1.2 性能特點(diǎn)

石墨是具有共價(jià)鍵、金屬鍵和范德華力結(jié)合的混合晶體。同一層C－C形成共價(jià)鍵，鍵長0.142 nm，層與層之間的距離為0.335 nm。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是石墨具有金屬光澤和接近金屬的電導(dǎo)率。柔性纜狀石墨接地極選用石墨的碳含量達(dá)到99%以上，即石墨采用高碳石墨，a軸方向的電阻率為1.0×10－6Ω?m，C軸方向的電阻率為10.4×10－6Ω?m，因此找對石墨中碳原子的導(dǎo)電方向，會極大增強(qiáng)石墨的導(dǎo)電能力。

通過試驗(yàn)表明，接地極具有超強(qiáng)抗耐腐蝕性能，體現(xiàn)在耐酸性、耐堿性、耐電偶腐蝕、耐氯離子腐蝕性等多項(xiàng)性能。

2 防雷接地極電氣設(shè)計(jì)

2.1 接地電阻計(jì)算

規(guī)格為Φ20±1柔性纜狀石墨防雷接地極，其具有較大的截面積，外表面呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了其與土壤的接觸面積，因而增加了泄電流的效率。根據(jù)《交流電氣裝置的接地》DL/T621—1997的規(guī)定，結(jié)合大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，歸納柔性纜狀石墨防雷接地極計(jì)算方式如下：

式中：Rh為水平接地體的接地電阻(Ω)；L為

水平接地體的總長度(m)；h為水平接地體

的埋設(shè)深度(m)；A為水平接地體的形狀系

數(shù)，見表1。

按規(guī)程要求，在雷季干燥時(shí)，每基桿塔工頻接地電阻，不宜大于表2所列數(shù)值。

2.2 接地極敷設(shè)設(shè)計(jì)

針對輸電線路地質(zhì)條件、征地和土壤電阻率情況，根據(jù)大量的敷設(shè)試驗(yàn)，針對不同桿塔，不同土壤電阻率的柔性纜狀石墨防雷接地極敷設(shè)方式見圖1、圖2，僅供參考。

3 實(shí)施與運(yùn)輸

3.1 實(shí)施方案

若兩個(gè)及以上的石墨單體可以通過綁扎連接，接地體位于接地溝槽內(nèi)，接地體與接地溝槽之間的空隙處填充回填土，回填土填至與地面相平，填充回填土?xí)r應(yīng)適量灑水，分層夯實(shí)。

表1 形狀系數(shù)A的參考數(shù)值

表2 有地線的線路桿塔的工頻接地電阻

圖1 鐵塔接地極敷設(shè)平面圖

圖2 鋼管桿接地極敷設(shè)平面圖

(1)首先根據(jù)地質(zhì)情況判斷出鐵塔周圍土壤電阻率的情況或進(jìn)行實(shí)測。

(2)根據(jù)土壤電阻率，按照設(shè)計(jì)接地裝置施工圖進(jìn)行配置石墨接地繩長度，將材料運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場。

(3)篩選接地溝取出的原土(也可從外運(yùn)土)，取出礫石和風(fēng)化巖碎片，將細(xì)土回填至與地面相平，回填土?xí)r應(yīng)適量灑水，分層夯實(shí)。

(4)安裝接地裝置，待全部埋設(shè)并連接完畢后測量接地電阻，兩周后進(jìn)行復(fù)測。

(5)如接地電阻不滿足設(shè)計(jì)要求，可采用在接地網(wǎng)放射線的終端增加石墨繩長度的方法使接地電阻達(dá)到原來的設(shè)計(jì)值。

此外要注意，施工過程中禁止使用石塊直接回填撞擊接地體，以免接地體的破損，影響到接地體的導(dǎo)電連續(xù)性。

3.2 運(yùn)輸及加工比較

圓鋼接地裝置：需特殊的加工場地，完成要求的接地形狀后需做鍍鋅防腐處理，對加工和運(yùn)輸難度較大。

銅覆鋼接地裝置：加工難度極高，加工和運(yùn)輸過程中容易破壞外層的鍍銅層。

柔性纜狀石墨接地裝置：以線纜軸方式存儲或運(yùn)輸，無需焊接，對場地要求低，可在施工現(xiàn)場根據(jù)需要進(jìn)行加工。從運(yùn)輸和加工方面優(yōu)于圓鋼和銅覆鋼接地裝置。

4 經(jīng)濟(jì)和社會效益

目前柔性纜狀石墨接地裝置解決我國電廠、變電站鋅包鋼、銅包鋼接地不耐腐蝕、易生銹、接地電阻不穩(wěn)定、易造柔性纜狀石墨接地裝置成雷擊事故、壽命短、檢修維護(hù)困難、更新改造工程頻繁、工程量大、費(fèi)用大的難題，保護(hù)了國家財(cái)產(chǎn)和人民的生命安全，所以它的經(jīng)濟(jì)和社會效益是巨大的，研制推廣柔性纜狀石墨接地裝置具有廣闊的市場前景。

從地形和土壤腐蝕程度來看，普通的平原地形圓鋼接地裝置占優(yōu)勢；從山區(qū)接地要求和應(yīng)用來看，柔性纜狀石墨接地裝置和圓鋼占優(yōu)勢；從土壤腐蝕性來看，柔性纜狀石墨接地裝置占優(yōu)勢。本文通過山區(qū)和腐蝕性高的地形條件進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)和社會效益分析。

4.1 山區(qū)地形

本文以某多雷區(qū)、土壤電阻率較高的山區(qū)為例，簡要介紹。以土壤電阻率600 Ω?m，桿塔接地電阻15Ω為例，不同接地材料的性價(jià)比見表3。

表3 線路桿塔接地體不同材料性價(jià)比

由表3可見，對于不同材料的40年全壽命材料投資費(fèi)用，使用石墨相比于銅敷鋼節(jié)省總投資約0.38萬元，相比于圓鋼節(jié)省總投資約0.41～0.69萬元。

4.2 強(qiáng)腐蝕性地形

沿海地區(qū)地下水位淺，腐蝕性高，干濕交替位置地形尤為突出。以天津市濱海地區(qū)為例簡要介紹。以土壤電阻率100 Ω?m，桿塔接地電阻10 Ω為例，不同接地材料的性價(jià)比見表4。

表4 線路桿塔接地體不同材料性價(jià)比

由表4可見，對于不同材料的40年全壽命材料投資費(fèi)用，使用石墨相比于銅敷鋼節(jié)省總投資約0～0.095萬元，相比于圓鋼節(jié)省總投資約0.25～0.36萬元。

通過比較發(fā)現(xiàn)，使用石墨接地不僅全壽命周期經(jīng)濟(jì)性好，而且節(jié)約了材料，具有明顯的經(jīng)濟(jì)社會效益。

5 結(jié)語

本文介紹了柔性纜狀石墨接地的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用全壽命周期理論，對比分析了幾種接地形式的經(jīng)濟(jì)性，顯示出柔性纜狀石墨接地具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念。

柔性纜狀石墨接地極主要成分是石墨，質(zhì)量輕且化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，在常溫條件下不受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑及電偶腐蝕，不生銹，電阻穩(wěn)定，使用壽命長。通過酸化，高溫膨化工序形成多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨，膨脹使得石墨顆粒的碳原子層發(fā)生分離，形成高比值表面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了石墨的導(dǎo)電能力，進(jìn)而增強(qiáng)了產(chǎn)品的導(dǎo)電性能。這種接地極克服了石墨板型產(chǎn)品攜帶不便，施工相對繁瑣的缺點(diǎn)，結(jié)合電纜和繩索的使用特性和加工方法，具有質(zhì)地柔軟，容易彎曲的優(yōu)點(diǎn)，長度按所需規(guī)格制作、連接方便、無需電氣焊接，降低施工難度，減少施工費(fèi)用。另外，石墨無回收利用價(jià)值，在戶外使用具有防盜的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了輸電線路接地降阻和防盜問題，可以作為今后一種長效綠色型輸電線路防雷接地電極使用。

[1] 易輝，崔江流．我國輸電線路運(yùn)行現(xiàn)狀及防雷保護(hù)[J]．高電壓技術(shù)，2001，6(27)．

[2] 趙淳，等．輸電線路綜合防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估[J]．高電壓技術(shù)，2011，2(37)．

[3] 解廣潤．電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M]．北京：水利電力出版社，1991：57-61．

[4] 胡毅．輸電線路運(yùn)行故障的分析與防治[J]．高電壓技術(shù)，2007，3(33)．

[5] 姜海生．石墨型接地裝置在架空輸電線路中的應(yīng)用[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2013，6 (249)．

[6] 胡元潮，等．柔性石墨復(fù)合接地材料及其在輸電線路桿塔接地網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014，10(38)．

[7] DL/T621—1997，交流電氣裝置的接地[S]．

[8] GB 50545—2010，110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[9] GB 50061—2010，66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[10] 王培軍，付學(xué)文，魏智娟．新型高效降阻接地模塊的研究與應(yīng)用[J]．2012，2(245)．

Applications of Flexible Cable Graphite Earthing Materical in Electric Transmission Line Engineering

LIU Jian-wei, ZHAO feng, GUO Zhi-bin, HAO Yan-yong
(China Energy Engineering Group,Tianjin Electric Power Design Enstitute Co., Ltd., Tianjin 300400, China)

This paper introduces the structure,performance characteristics and electrical design of flexible cable graphite grounding pole, combined with the actual project of implementing transmission line grounding recent years, summarizes the commonly used installation type of flexible cable graphite grounding.Through the whole life cycle concept is concluded, the flexible cable graphite has obvious social and economic benefits.

power transmission system; flexible cable graphite;lightning strike; whole life cycle; graphite grounding.

TM72

B

1671-9913(2017)03-0058-04

2015-12-19

劉建偉(1983- )，男(滿族)，河北秦皇島人，碩士，工程師，主要從事輸電線路電氣設(shè)計(jì)工作。