柔性石墨接地體典型桿塔接地應(yīng)用研究

詹清華，阮江軍，唐 科，黃道春，肖 微，李恒真

（1.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山528000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

柔性石墨接地體典型桿塔接地應(yīng)用研究

詹清華1,2，阮江軍2，唐 科2，黃道春2，肖 微1,2，李恒真1

（1.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山528000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

利用CDEGS仿真計(jì)算了典型桿塔接地網(wǎng)的接地電阻，首先對(duì)比了柔性石墨接地體與圓鋼、錳銅在工頻接地及沖擊接地性能的區(qū)別，結(jié)果表明，柔性石墨接地體的工頻接地電阻略高于圓鋼，但由于其非磁性，較弱的趨膚效應(yīng)使其沖擊接地電阻低于圓鋼，因此，柔性石墨接地體具有良好的防雷接地特性。然后，以廣東佛山典型輸電線路中柔性石墨接地體示范應(yīng)用工程為例，介紹了有關(guān)柔性石墨接地體的實(shí)際工程施工工藝及技術(shù)，為其他類似的工程及試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

柔性石墨接地體；桿塔接地應(yīng)用；接地電阻；示范工程

0 引言

桿塔接地電阻偏大是引起線路反擊跳閘的主要原因，降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平、減少線路雷擊跳閘率的主要措施[1-5]。

長(zhǎng)期以來(lái)，金屬接地材料作為輸電線路接地網(wǎng)中使用的主要材料，除運(yùn)輸及施工難度大、易發(fā)生偷盜現(xiàn)象以外，由于金屬接地材料的自身特性，不可避免的會(huì)發(fā)生腐蝕問題，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，扁鋼以及鍍鋅鋼接地材料腐蝕較快，一般運(yùn)行3～7年即發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[6-9]。并且在非理想地形下（山脊、懸崖等），由于金屬接地材料硬度大，不易順地形合理敷設(shè)，且易與軟質(zhì)土壤膠體因外力形變形成空氣間隙，不僅增大兩者的接觸電阻而且造成接地體易腐蝕，進(jìn)一步減少了接地裝置的使用壽命[10]。

針對(duì)上述問題，一些非金屬接地材料開始應(yīng)用到桿塔接地網(wǎng)中。石墨以其優(yōu)良的特性，成為各國(guó)學(xué)者的主要研究對(duì)象。柔性石墨復(fù)合接地體具有耐腐蝕、可彎曲、價(jià)格低、便安裝以及防盜等優(yōu)點(diǎn)，在高壓輸電線路接地網(wǎng)的研究及應(yīng)用上具有可觀的推廣價(jià)值。

在我國(guó)，輸電桿塔的接地裝置按照《交流電氣裝置的接地》（DL/T621—1997）和《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50065—2011）的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同土壤電阻率地區(qū)，線路桿塔工頻接地電阻應(yīng)達(dá)到的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)做出了規(guī)定[11-12]。但是，在雷電沖擊作用下，反映桿塔接地裝置性能的是沖擊接地電阻，線路防雷設(shè)計(jì)中采用的桿塔接地裝置的沖擊接地電阻有的是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)用工頻接地電阻得到的估計(jì)值；有的直接用工頻接地電阻的大小來(lái)判斷和確定線路的防雷效果[13]-14]，但其并不能很好反映雷電沖擊下，桿塔接地裝置的沖擊性能。

因此筆者分別從工頻接地電阻及沖擊接地電阻的角度對(duì)柔性石墨接地體在典型輸電線路桿塔接地系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。首先利用CDEGS軟件計(jì)算了柔性石墨接地體和常用的金屬接地體在不同土壤電阻率、不同接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度和不同土壤分層和，工頻及沖擊接地電阻的差異。然后結(jié)合柔性石墨接地體在輸電線路桿塔接地網(wǎng)改造示范工程，介紹了柔性石墨接地體的施工技術(shù)，為其他類似的工程及試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 柔性石墨接地體接地性能對(duì)比研究

輸電線路桿塔接地網(wǎng)的接地情況與很多因素有關(guān)，包括土壤電阻率、土壤分層、接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度等。利用CDEGS對(duì)比了不同接地條件下柔性石墨接地體與常用的金屬材料銅和鋼的工頻接地性能和沖擊接地性能。

1.1 不同土壤電阻率

采用的典型輸電線路桿塔接地網(wǎng)為500 kV輸電線路桿塔接地網(wǎng)，接地網(wǎng)為方框帶射線，方框長(zhǎng)度為15 m，四角射線延伸長(zhǎng)度為50 m（簡(jiǎn)記為F15Y50），接地體埋深為0.8 m，在邊框四角注流。

計(jì)算中接地材料為柔性石墨（ρ1=3.25×10-5Ω·m,μr1=1），錳銅（ρ2=2.40×10-7Ω·m,μr2=1）和圓鋼（ρ3=1.92×10-6Ω·m,μr3=636），它們的直徑均為12 mm。假設(shè)接地網(wǎng)為單層均勻土壤，土壤電阻率ρ為100 Ω·m～3 000 Ω·m。

利用CDEGS計(jì)算3種不同材料在不同土壤電阻率下的工頻接地電阻和沖擊接地電阻，雷電流波形為2.6/50 μs、幅值20 kA，計(jì)算結(jié)果如表1所示。為了更直觀地反映各材料間的差異，以錳銅的接地電阻作為基準(zhǔn)值，作出3種接地材料接地電阻相對(duì)值的對(duì)比圖如圖1所示。

表1 不同接地材料的接地電阻隨土壤電阻率的變化Table 1 Grounding resistance of several grounding materials under different soil resistivity

圖1 不同接地材料的接地電阻隨土壤電阻率的變化Fig.1 Grounding resistance of several grounding materials under different soil resistivity

可以發(fā)現(xiàn)，由于柔性石墨接地體本體電阻率較高，其工頻接地電阻要高于圓鋼與錳銅，特別是在土壤電阻率較低時(shí)，三者差異較大。隨著土壤電阻率的升高，柔性石墨接地體與其余兩種材料之間的差異性逐漸減小。這是由于土壤電阻率較高時(shí)，接地材料的電阻率影響減弱，此時(shí)主要由土壤電阻率與接地網(wǎng)面積來(lái)決定接地網(wǎng)的接地電阻；

但對(duì)于沖擊接地電阻，在相同直徑下，錳銅、圓鋼和石墨的沖擊接地電阻是錳銅＜石墨＜圓鋼，石墨接地體在沖擊電流下表現(xiàn)一定的優(yōu)勢(shì)。這是由于圓鋼磁導(dǎo)率為636，遠(yuǎn)高于銅與石墨，這就導(dǎo)致圓鋼在高頻電流作用下產(chǎn)生明顯的趨膚效應(yīng)，限制了電流向接地體末端流動(dòng)，降低了接地體利用率，因此柔性石墨接地體的沖擊接地電阻反而低于圓鋼而接近于錳銅，所以在高頻電流下柔性石墨接地體的利用率要高于圓鋼。由此可見，對(duì)于桿塔防雷接地而言，非磁性的柔性石墨接地體表現(xiàn)出優(yōu)于鋼的接地性能，特別是在土壤電阻率較低時(shí)，差別更加明顯。

1.2 不同接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度

對(duì)于輸電線路桿塔，降低其接地網(wǎng)接地電阻一個(gè)最常用的方法就是增加接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度，因?yàn)樗椒笤O(shè)接地體施工費(fèi)用低，不但可以降低工頻接地電阻，還可以有效降低沖擊接地電阻[15]。選取不同射線長(zhǎng)度的桿塔接地網(wǎng)，接地網(wǎng)仍為方框帶射線，方框長(zhǎng)度為15 m，土壤電阻率取500 Ω·m，計(jì)算得到三種接地材料在不同接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度下的接地電阻如圖2所示。

由圖2可以看出，增加輸電線路桿塔接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度能夠有效降低接地網(wǎng)的接地電阻，但是當(dāng)接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度，其接地電阻值保持不變，說(shuō)明接地體在某一土壤電阻率下存在一個(gè)有效長(zhǎng)度，無(wú)限增大接地體長(zhǎng)度，并不能取得較好的降阻效果；對(duì)比工頻情況和沖擊情況可以發(fā)現(xiàn)，增加接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度對(duì)于降低工頻接地電阻效果比降低沖擊接地電阻效果明顯，桿塔接地網(wǎng)的沖擊接地電阻比工頻接地電阻先達(dá)到穩(wěn)定值，但是工程上一般以工頻接地電阻來(lái)反映桿塔接地網(wǎng)防雷情況，在一定程度上造成接地材料的浪費(fèi)；同樣可以發(fā)現(xiàn)，由于圓鋼的趨膚效應(yīng)比其他兩種接地材料明顯，錳銅和石墨的沖擊降阻性能要優(yōu)于圓鋼。

1.3 不同土壤分層

反映泄流能力的接地阻抗與土壤結(jié)構(gòu)和地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而土壤分層結(jié)構(gòu)反映了土壤狀況，因此接地網(wǎng)特性參數(shù)與土壤分層結(jié)構(gòu)有極其密切的關(guān)系[16]。為了反映柔性石墨接地體作為垂直接地極的性能，仍以F15Y50為例，接地網(wǎng)埋深為0.8 m，在方框的四個(gè)角處增加四根長(zhǎng)度為2.5 m的垂直接地極，如圖3所示。土壤分為兩層，上/下層土壤電阻率為 100 Ω·m/1 000 Ω·m 和 1 000 Ω·m/100 Ω·m。保持垂直接地極長(zhǎng)度不變，改變土壤分層的厚度，分析垂直接地極穿過(guò)土壤分層，未穿過(guò)土壤分層接地網(wǎng)的接地電阻。上層土壤厚度為0～50 m，下層土壤厚度為∞，得到石墨接地體接地電阻值如表2所示。

圖2 不同接地材料的接地電阻隨接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度的變化Fig.2 Grounding resistance of several grounding materials under different length of radial lines

圖3 接地網(wǎng)敷設(shè)情況Fig.3 Laying of grounding network

表2 不同土壤分層下柔性石墨接地體的接地電阻Table 2 Grounding resistance of flexible graphite grounding Electrode under different soil layers

由表2可以發(fā)現(xiàn)，在分層土壤中，分層土壤的厚度對(duì)地網(wǎng)的接地電阻存在影響，對(duì)于上層土壤厚度為4 m、10 m和50 m，垂直接地都沒有穿透上層土壤，但接地網(wǎng)的接地電阻卻有較大差異；在下層土壤電阻率低于上層土壤電阻率的情況下，在接地網(wǎng)加垂直接地極，能夠有效減小接地網(wǎng)的接地電阻，特別是垂直接地極穿過(guò)分層，進(jìn)入低土壤電阻率區(qū)，這時(shí)，流過(guò)接地極的電流主要通過(guò)下層土壤泄放入地；在上層土壤厚度為0，即均勻土壤情況下，與表1（土壤電阻率為100 Ω·m和1 000 Ω·m）對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在垂直接地極較短的情況下，接地網(wǎng)降阻效果不明顯，這與傳統(tǒng)鋼材的結(jié)論是一致的，因此，柔性石墨接地體在進(jìn)行接地降阻時(shí)，傳統(tǒng)的水平接地體與垂直接地體相結(jié)合的方式仍然適用。

2 柔性石墨接地體桿塔接地示范應(yīng)用技術(shù)研究

2.1 工程概況

本節(jié)以實(shí)際工程為背景，介紹了柔性石墨接地體的施工及連接技術(shù)。示范工程在廣東佛山選取存在較大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)或已經(jīng)存在嚴(yán)重腐蝕問題的桿塔進(jìn)行接地網(wǎng)改造，經(jīng)過(guò)實(shí)際考察，選取位于直流接地極附近的220 kV旗康甲線212號(hào)桿塔作為示范改造桿塔。在桿塔接地網(wǎng)中同溝平行敷設(shè)柔性石墨接地體和普通圓鋼接地體，對(duì)比研究柔性石墨接地體與圓鋼接地體的接地性能。

2.2 方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)研，該桿塔的根開為5 m，土壤電阻率在220 Ω·m左右，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?，需要將桿塔接地電阻降低到10 Ω以下，設(shè)計(jì)方案接地網(wǎng)接地電阻為7 Ω。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地理環(huán)境及可開挖的條件，設(shè)計(jì)的方案為：采用?28柔性石墨接地體和?12圓鋼接地體，敷設(shè)深度0.8 m，鐵塔四周敷設(shè)長(zhǎng)12 m、寬9 m的矩形接地網(wǎng)，矩形接地網(wǎng)一角選為注流點(diǎn)，沿矩形接地網(wǎng)某側(cè)敷設(shè)長(zhǎng)25 m兩根放射線，如圖4所示，工頻接地電阻計(jì)算值柔性石墨接地網(wǎng)為5.98 Ω，圓鋼接地網(wǎng)為6.18 Ω，現(xiàn)場(chǎng)施工如圖5所示。需要說(shuō)明的是，石墨接地體由于其柔性，與土壤接觸良好，因此實(shí)際工程中反映的工頻接地電阻更小。

圖4 旗康甲線212號(hào)桿塔接地網(wǎng)改造方案Fig.4 Tower grounding reconstruction scheme of qikang line(212)

2.3 施工技術(shù)

2.3.1 溝槽開挖、回填技術(shù)

由于柔性石墨接地體本身具有柔性，能夠大幅降低溝槽開挖的要求。一般情況下，需要按圖6所示的截面形狀及相應(yīng)尺寸開挖溝槽，在開挖過(guò)程中如遇石頭或樹木可適當(dāng)繞開，只要保證溝槽深度與總長(zhǎng)度基本不變，即可滿足接地要求。因此，工程施工難度大大降低?；靥顣r(shí)用細(xì)土將溝槽填滿，并加水夯實(shí)，將引下線與鐵塔連接。圖6中，為了進(jìn)行對(duì)比，在溝槽底部平行敷設(shè)用于對(duì)比試驗(yàn)的石墨接地體與圓鋼接地體。

圖5 旗康甲線212號(hào)桿塔現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.5 Site construction of qikang line(212)

圖6 接地溝槽開挖示意圖Fig.6 Sketch map of grounding trench excavation

2.3.2 柔性石墨接地體的連接技術(shù)

由于柔性石墨接地體不能采用常規(guī)焊接方式進(jìn)行連接，因此，實(shí)現(xiàn)石墨復(fù)合接地材料可靠地電連接，是決定接地裝置壽命周期的關(guān)鍵所在。

對(duì)于本示范工程，鐵塔塔腳與柔性石墨接地體的連接采用壓接的方式，如圖7（a）所示，經(jīng)測(cè)試壓接方法的接觸電阻為2 mΩ。而對(duì)于石墨之間的相互連接則采用鎖扣連接，如圖7（b）所示，經(jīng)過(guò)測(cè)量鎖扣連接方式接觸電阻為5 mΩ。

圖7 柔性石墨接地體的連接方法Fig.7 Connection method of flexible graphite grounding electrode

2.3.3 引下線施工技術(shù)

接地引下線一端連接埋入地下的主網(wǎng)，一端連接地面上的輸電桿塔，當(dāng)發(fā)生雷雨天氣時(shí)，雷擊電流先經(jīng)過(guò)桿塔再經(jīng)過(guò)接地引下線接地，接地引下線提供了雷電流泄流通道，避免了因雷擊而發(fā)生線路跳閘事故[17-18]。實(shí)際工程表明，接地網(wǎng)腐蝕最嚴(yán)重的部位是接地引下線上空氣/土壤交界處，部分桿塔接地引下線甚至銹蝕斷裂，不得不重新敷設(shè)地網(wǎng)，因此對(duì)接地引下需要有特殊的保護(hù)措施。由于柔性石墨接地體接頭部分仍為金屬，因此需要對(duì)引下線進(jìn)行特殊保護(hù)。本工程對(duì)接地引下線連接方法為：先將柔性石墨接地體套于熱縮管內(nèi)，然后進(jìn)行地下及鐵塔連接，然后用熱風(fēng)槍或火把烘烤熱縮管，使其收緊，如圖8所示。為防止因氣候條件或人為原因?qū)е聼峥s管老化加速，可在引下線熱縮管收縮后再套于PVC管內(nèi)。

圖8 接地引下線處理示意圖Fig.8 Sketch map of grounding down lead

2.4 示范工程測(cè)量結(jié)果

接地網(wǎng)改造完成后，分別對(duì)柔性石墨接地網(wǎng)和圓鋼接地網(wǎng)進(jìn)行接地電阻測(cè)量，多次測(cè)量結(jié)果顯示柔性石墨接地網(wǎng)的接地電阻為2.8Ω，圓鋼接地網(wǎng)的接地電阻為3.6Ω，均滿足了接地電阻小于10Ω的要求。接地電阻實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值偏小的原因是柔性的石墨接地體與土壤接觸更為良好。兩種材料的施工難度在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中對(duì)比明顯，由于柔性石墨接地材料柔軟性的特點(diǎn)，在施工時(shí)相比于圓鋼接地材料要簡(jiǎn)單很多。兩種材料的腐蝕問題等待進(jìn)一步開挖驗(yàn)證。

3 結(jié)論

以典型輸電線路桿塔為例，分析了不同土壤電阻率、不同接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度和不同土壤分層情況下，柔性石墨接地體在輸電線路桿塔中的應(yīng)用情況，并與常用的金屬接地材料進(jìn)行了對(duì)比。得到結(jié)論如下：

1）柔性石墨接地體在高頻電流作用下的利用率更大，且在地網(wǎng)射線長(zhǎng)度越長(zhǎng)、土壤電阻率越小，柔性石墨接地體沖擊接地電阻與圓鋼的差異越大，柔性石墨接地體對(duì)于桿塔防雷而言，相比圓鋼體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)；

2）增加接地網(wǎng)射線長(zhǎng)度對(duì)降低桿塔工頻接地電阻效果比沖擊接地電阻明顯，接地體降阻效果存在一個(gè)有效長(zhǎng)度；

3）柔性石墨接地體在進(jìn)行接地降阻時(shí)，傳統(tǒng)的水平接地體與垂直接地體相結(jié)合的方式仍然適用；

4）以實(shí)際工程為背景，介紹了柔性石墨接地體的施工及連接技術(shù)，為實(shí)際工程及試驗(yàn)提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

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Application Study of Flexible Graphite Grounding Electrode in Typical Tower Grounding Grid

ZHAN Qinghua1,2,RUAN Jiangjun2,TANG Ke2,HUANG Daochun2,XIAO Wei1,2,LI Hengzhen1
（1.Foshan Power Supply Bureau,Guangdong Power Grid Company,Foshan 528000,China;2.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China）

The article simulates the typical tower grounding resistance using CDEGS.First of all,it compares the difference between the flexible graphite grounding electrode,round steel and manganin,in power frequency grounding performance and impulse grounding performance.The results show that the power frequency grounding resistance of the flexible graphite grounding electrode is slightly higher than that of the round steel.But due to its non-magnetism and weaker skin effect,the impulse grounding resis?tance is lower than that of the round steel.Thus,the flexible graphite grounding electrode has good light?ning protection grounding characteristics.Taking an application of flexible graphite grounding electrode in typical transmission lines in Foshan demonstration project as example,the practical engineering con?struction process and technology of the flexible graphite grounding electrode is introduced,which can pro?vide references for other similar engineering and test.

flexible graphite grounding electrode；application in tower grounding grid；grounding resistance；demonstration project

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.016

2016-06-16

詹清華（1977—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏狠旊娂夹g(shù)及管理工作。