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

劉宇彬，周 偉，李興澤，張 鵬

（1.湖南經(jīng)研電力設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410014；2.長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力走廊日益緊張，新建輸電線路正不斷向山區(qū)發(fā)展。在山區(qū)，雷擊災(zāi)害對線路的運行影響巨大，因此山區(qū)線路的接地降阻一直是電力部門重點關(guān)注的問題［1］。

輸電線路桿塔接地的主要作用是在遭受雷擊后，將雷電流在大地中擴(kuò)散泄導(dǎo)，以保證線路具有一定的耐雷水平。一般來說，降低輸電線路接地電阻是提高輸電線路耐雷水平、維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的最有效手段［2］。

在山區(qū)，桿塔接地工程需要開挖近百米的接地溝。對于山區(qū)線路而言，存在交通不便，機械設(shè)備不易進(jìn)出，施工場地受限，人工成本較高，地質(zhì)條件相對惡劣等問題，導(dǎo)致接地工程施工難度較大。有運行數(shù)據(jù)表明，山區(qū)線路的接地降阻效果不盡如人意。為了保證電網(wǎng)運行安全可靠，采用新技術(shù)、新材料，優(yōu)化桿塔接地設(shè)計，降低接地施工難度，保證降阻效果，對提高輸電線路安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。

不少學(xué)者對利用導(dǎo)電混凝土進(jìn)行高阻地區(qū)的接地降阻做了深入的研究［3-7］，取得了一定成果，但仍有一些不足。文獻(xiàn)［3］較早制作出了導(dǎo)電混凝土，提出了應(yīng)用導(dǎo)電混凝土制備接地模塊，但因其制造成本較高，很難有工程實用性；文獻(xiàn)［4］研究了混凝土接地棒在通入工頻電流和沖擊電流時的接地降阻性能，但并未解決高土壤電阻率地區(qū)的降阻問題；文獻(xiàn)［6］研制了碳纖維導(dǎo)電混凝土，但未對其如何在接地工程中的應(yīng)用方法進(jìn)行深入研究。筆者從山區(qū)輸電線路接地降阻效果不佳、施工困難的問題出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的要求，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗與最新研究成果，提出了一種基于導(dǎo)電混凝土技術(shù)的輸電線路桿塔接地設(shè)計優(yōu)化方案。

1 導(dǎo)電混凝土在接地工程中的作用

導(dǎo)電混凝土是指由膠凝材料、導(dǎo)電相材料、介電骨料和水等成分組成，按照一定配比混合凝結(jié)而成的多相復(fù)合材料，是由導(dǎo)電相材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制而成，具有導(dǎo)電性能和常規(guī)力學(xué)性能的混凝土［6］。

導(dǎo)電混凝土作為一種新型材料，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，在輸電線路桿塔接地工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前在國內(nèi)電力行業(yè)對導(dǎo)電混凝土進(jìn)行過少量的實際探索，2003 年在廣東地區(qū)變電站地網(wǎng)改造工程使用。文獻(xiàn)［3-6］在理論上對導(dǎo)電混凝土的接地特性進(jìn)行了探究，但對于實際工程而言，其適用范圍及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性尚未做較成熟的考慮。

1.1 碳纖維導(dǎo)電混凝土

對導(dǎo)電混凝土技術(shù)進(jìn)行研究，通過大量實驗及數(shù)據(jù)分析，研制一種碳纖維導(dǎo)電混凝土。碳纖維作為一種導(dǎo)電纖維，能顯著改善混凝土的導(dǎo)電性能，且當(dāng)碳纖維含量在1%以內(nèi)時仍能夠提高混凝土的抗壓強度。

一般的導(dǎo)電混凝土因原材料特性及工藝限制，往往需要在混凝土攪拌站制備后經(jīng)商品混凝土運輸車運抵施工現(xiàn)場，對于山區(qū)線路施工不具有可操作性。碳纖維導(dǎo)電混凝土對施工工藝、施工環(huán)境要求不高，可以在現(xiàn)場通過小型攪拌機制作。碳纖維導(dǎo)電混凝土制備方法、拌合工藝、原材料選用等在文獻(xiàn)［6］中已有詳細(xì)介紹，在此不再過多贅述。新研制的碳纖維導(dǎo)電混凝土設(shè)計值為碳纖維摻量0.6%、單位用水量233 kg、砂率34%，其28 d 電阻率、抗壓強度和抗折強度試驗結(jié)果分別為0.84 Ω·m、41.3 MPa、5.9 MPa，力學(xué)性能和導(dǎo)電性能均滿足工程要求［6］。碳纖維導(dǎo)電混凝土在齡期增長過程中的電阻穩(wěn)定性、升溫過程中的電阻穩(wěn)定性、干濕變化過程中的電阻穩(wěn)定性均保持良好，說明導(dǎo)電混凝土在復(fù)雜土壤環(huán)境下電阻率可以視為恒定不變，完全具備充當(dāng)接地材料的特性。

1.2 運用導(dǎo)電混凝土的接地方案

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第7.0.16 條的規(guī)定，桿塔接地電阻應(yīng)滿足表1 中的數(shù)值要求。

表1 工頻接地電阻要求表

一般而言，雷電擊中輸電線路，雷電流經(jīng)由桿塔、人工接地裝置散入大地。而桿塔基礎(chǔ)中配有密集的鋼筋，對于泄導(dǎo)雷電流也具有一定的作用。桿塔基礎(chǔ)的主要材料是鋼筋與混凝土，常規(guī)混凝土的電阻率隨環(huán)境不同變化較大，在水田里一般為幾百歐米，在山區(qū)干燥土壤中一般可達(dá)到上萬歐米。由此可以知道，潮濕環(huán)境下，基礎(chǔ)是具有一定的導(dǎo)電散流效果的。潮濕環(huán)境下的桿塔基礎(chǔ)配合人工接地裝置進(jìn)行接地，使線路具有較好的耐雷水平［9-10］。

但在山區(qū)丘陵地區(qū)，土壤環(huán)境較為干燥，此時基礎(chǔ)混凝土基本呈絕緣狀態(tài)，泄導(dǎo)雷電流僅依靠人工接地裝置，接地效果相對較差。隨著人工接地體在運行過程中被腐蝕問題，山區(qū)輸電線路的耐雷水平將逐漸降低。

新研制的碳纖維導(dǎo)電混凝電阻率復(fù)雜土壤環(huán)境下基本穩(wěn)定在1～2 Ω·m 的范圍內(nèi)［6］。從電阻率數(shù)值中可以看出，土壤干燥的山區(qū)桿塔基礎(chǔ)若采用導(dǎo)電混凝土，桿塔接地效果將明顯提升。

運用碳纖維導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地，已在湖南常德同心—楓樹110 kV 線路工程中試點使用，并通過驗收，目前運行效果良好?？紤]到平原地區(qū)低土壤電阻率并不高，且接地工程施工并不困難，采用導(dǎo)電混凝土將會因為基礎(chǔ)方量大而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性不夠理想。綜合考慮，導(dǎo)電混凝土的適用范圍更偏向于山區(qū)接地降阻困難的地區(qū)。

2 桿塔接地系統(tǒng)仿真分析

2.1 模型搭建

采用CDEGS 軟件仿真，對山區(qū)導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的接地效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并與常規(guī)接地方案進(jìn)行比較。

對桿塔接地系統(tǒng)建模，仿真取湖南一般丘陵、山地作為研究對象，土壤電阻率一般為800～1 600 Ω·m。以土壤電阻率為800 Ω·m 為例設(shè)置，不考慮土壤水平或垂直分層，如圖1 所示。

桿塔基礎(chǔ)參考湖南地區(qū)典型設(shè)計，根開取10 m，基礎(chǔ)型式按山區(qū)使用較多的掏挖基礎(chǔ)［11］，如圖2 所示，相應(yīng)的樁基礎(chǔ)建模與之類似。

混凝土基礎(chǔ)模型在MALZ 內(nèi)置的“土壤模塊”中搭建，選擇“任意非均勻介質(zhì)有限塊”模塊，在此模塊下可定義基礎(chǔ)的形狀和大小、混凝土電阻率和土壤電阻率。碳纖維導(dǎo)電混凝土電阻率按2 Ω·m 考慮，常規(guī)混凝土電阻率按7 000 Ω·m 考慮［10］，如圖3所示。

圖1 土壤環(huán)境建模過程

基礎(chǔ)主筋采用為半徑為16 mm 的圓鋼，如圖4所示。接地射線采用半徑為5 mm 的圓鋼，埋深取0.6 m，如圖5 所示。

根據(jù)基礎(chǔ)施工圖和接地施工圖，在CDEGS 的MALZ 模塊中建模如圖6—圖7 所示。

圖2 掏挖基礎(chǔ)施工

圖3 混凝土基礎(chǔ)建模過程

圖4 基礎(chǔ)鋼筋配置界面

圖5 接地射線配置過程

圖6 桿塔接地系統(tǒng)模型正交投影

圖7 桿塔接地系統(tǒng)模型俯視圖

2.2 仿真結(jié)果

根據(jù)建模，完成激勵與觀測線設(shè)置后，對采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的接地效果進(jìn)行計算，依次在800 Ω·m、1 000 Ω·m、1 200 Ω·m、1 400 Ω·m、1 600 Ω·m 的土壤電阻率環(huán)境下，通過改變接地射線的長度，計算接地電阻，并將結(jié)果與常規(guī)接地設(shè)計的仿真值進(jìn)行對比。采用導(dǎo)電混凝土技術(shù)的接地方案為方案Ⅰ，常規(guī)接地設(shè)計為方案Ⅱ。接地電阻值計算結(jié)果如圖8—圖12 所示。

圖8 土壤電阻率為800 Ω·m 時2 種方案的接地電阻

圖9 土壤電阻率為1 000 Ω·m 時2 種方案接地電阻

圖10 土壤電阻率為1 200 Ω·m 時2 種方案接地電阻

圖11 土壤電阻率為1 400 Ω·m 時2 種方案接地電阻

圖12 土壤電阻率為1 600 Ω·m 時2 種方案接地電阻

仿真結(jié)果表明，采用導(dǎo)電混凝土技術(shù)的接地設(shè)計因基礎(chǔ)具有較好的導(dǎo)電散流作用，在人工接地射線規(guī)模相同的情況下，接地電阻值較常規(guī)接地低8%～20%，防雷效果明顯具有優(yōu)勢。

因湖南地區(qū)近年雷擊災(zāi)害較嚴(yán)重，桿塔接地電阻的運行要求比表1 要求更為嚴(yán)格，在土壤電阻率500～1 000 Ω·m 地區(qū)，設(shè)計的桿塔接地電阻值應(yīng)不大于15 Ω；土壤電阻率1 000～2 000 Ω·m，設(shè)計的桿塔接地電阻值應(yīng)不大于20 Ω。為達(dá)到此要求，對2種方案的接地射線長度進(jìn)行計算，結(jié)果如表2 所示。

表2 2 種方案接地射線長度對比

3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

導(dǎo)電混凝土成本較普通混凝土昂貴不少，其使用范圍與基礎(chǔ)型式密切相關(guān)，值得進(jìn)一步分析。下面依托湖南邵陽在建某220 kV 線路工程，有針對性地選取該工程2 個耐張段共計14 基桿塔，比較常規(guī)接地方案與所提基于導(dǎo)電混凝土接地方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。選取桿塔的桿塔型式、基礎(chǔ)形式、土壤電阻率實測值、地形、人力運距如表3 所示。

表3 P5—P18 桿塔明細(xì)表

常規(guī)接地材料為圓鋼，材料單價約為10 元／m。采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的接地方案接地材料包含導(dǎo)電混凝土與圓鋼，導(dǎo)電混凝土材料單價約為300 元／m3。為保證相關(guān)費用不重復(fù)計算，設(shè)置導(dǎo)電混凝土材料單價僅包含添加的導(dǎo)電相材料價格，常規(guī)混凝土材料費及施工費用計入基礎(chǔ)工程。

上述桿塔，常規(guī)接地方案與運用了導(dǎo)電混凝土接地方案在施工費用與總費用上的對比如圖13 和圖14 所示。

圖13 各塔位接地施工費用對比

圖14 各塔位接地工程總費用對比

由圖13 可知，在保證接地電阻滿足要求的情況下，運用導(dǎo)電混凝土的接地方案能夠明顯減小接地射線規(guī)模20%～35%，直接降低了施工難度，施工費大幅度下降。

但圖14 可知，在接地工程總費用上，由于導(dǎo)電混凝土在材料價格上不占優(yōu)勢，總體來說將增加接地工程造價。導(dǎo)電混凝土的用量與地形、地質(zhì)、桿塔型式有較大的關(guān)系，直接反映在接地材料費用上。

當(dāng)基礎(chǔ)型式采用掏挖且桿塔型式為直線塔時，因?qū)щ娀炷练搅枯^小，2 種接地方案的造價十分相近。若考慮人力運距的因素，對于山區(qū)交通不便的P10、P13、P17 這3 基直線塔來說，運用導(dǎo)電混凝土的接地方案在總造價上更具有優(yōu)勢。

4 結(jié)語

導(dǎo)電混凝土的研制技術(shù)已較為成熟。輸電線路基礎(chǔ)采用導(dǎo)電混凝土取代常規(guī)混凝土，充分利用桿塔基礎(chǔ)作為自然接地體，敷設(shè)同等規(guī)模人工接地射線前提下比常規(guī)接地設(shè)計降阻、散流效果更優(yōu)。對于交通不便、施工條件惡劣的塔位，采用導(dǎo)電混凝土技術(shù)，可以明顯減小人工接地射線規(guī)模，降低山區(qū)接地施工難度。在接地工程造價方面，運用導(dǎo)電混凝土接地受地形地質(zhì)、桿塔、基礎(chǔ)型式的影響。在平原地區(qū)，導(dǎo)電混凝土自然接地經(jīng)濟(jì)性不高，在山區(qū)，對于基礎(chǔ)方量較小、人力運距較大的塔位，運用導(dǎo)電混凝土接地不僅能夠保證接地降阻，而且造價具有一定優(yōu)勢。

輸電線路接地設(shè)計應(yīng)靈活應(yīng)用相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，采取最合理適用的型式。綜合全壽命周期費用、運行條件、施工難度與環(huán)境保護(hù)等方面考慮，提出的基于導(dǎo)電混凝土接地方案在山區(qū)接地施工上具有一定的優(yōu)勢，能夠保證接地降阻效果，也能降低施工難度?？紤]到雷電流沖擊特性也是影響接地散流的關(guān)鍵因素，因此采用導(dǎo)電混凝土技術(shù)的接地方案在高頻雷電流下的沖擊接地特性與熱穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步研究。