森林草原火災高危和高風險區(qū)架空輸電線路接地裝置方案優(yōu)化研究

梅吉明，張 馳，李 霖，韓 虎

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

架空輸電線路常用的桿塔接地體主要有鍍鋅圓鋼、接地模塊、銅覆鋼(鍍錫銅覆鋼)、緩釋離子棒、柔性石墨等，而連接方式主要有焊接、液壓壓接、螺栓連接及石墨鎧裝連接等。鍍鋅圓鋼是架空輸電線路工程中最常用、最經(jīng)濟的一種接地材料，其連接根據(jù)規(guī)范主要采用電弧焊接形式，連接可靠，施工方便。但對于高危、高風險的林區(qū)，此種施工工藝帶來了新的森林防火問題，需要重點關注解決?？紤]到四川攀西地區(qū)絕大部分縣市均為森林火災的高危區(qū)和高風險區(qū)，為滿足森林草原防火的要求，避免電弧焊接過程中產(chǎn)生的火花引燃施工區(qū)附近的枯枝落葉，有必要對森林草原火災高危和高風險區(qū)架空輸電線路接地裝置方案進行優(yōu)化研究，以選擇適用森林火災高危、高風險區(qū)的輸電線路接地裝置。

1 常規(guī)接地裝置連接方式

根據(jù)GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》、DL/T 248—2012《輸電線路桿塔不銹鋼復合材料耐磨蝕接地裝置》要求，常規(guī)接地裝置的連接主要有焊接、液壓連接及螺栓連接。液壓連接“一”字型接地壓接頭如圖1所示。液壓連接“T”字形接地壓接頭如圖2所示。在圖中，L為壓接管長度；D為壓接管直徑；δ為壓接管壁厚；H為“T”字形壓接頭高度。

圖1 液壓連接“一”字型接地壓接頭

圖2 液壓連接“T”字形接地壓接頭

根據(jù)焊接工藝不同，接地裝置焊接又可分為電弧焊接和放熱焊接。電弧焊接是利用高壓電弧在空氣中放電燃燒，將電能轉換為焊接所需的熱能，從而實現(xiàn)工件的導電連接。放熱焊接是利用鋁和氧化銅的氧化還原反應所產(chǎn)生的熱量將被焊接的工件熔化形成分子連接，整個過程持續(xù)時間很短，需在特定模具中進行。放熱焊接是一種簡單、高效、高質量的金屬連接工藝。

液壓連接具有無明火、無高溫等優(yōu)勢，在森林草原火災高危區(qū)接地裝置連接方面有較高的適用性。根據(jù)GB 50233—2014《110～750 kV架空輸電線路施工及驗收規(guī)范》中規(guī)定，液壓連接管的連接長度不應小于圓鋼直徑的20倍，搭接長度不應小于圓鋼直徑的10倍，連接管壁厚不應小于3 mm，其型號、規(guī)格應與接地體匹配。

螺栓連接類似于導地線的并溝線夾連接，施工方便、經(jīng)濟性好，但相關規(guī)范中均未推薦采用。參考國外工程規(guī)程規(guī)范，其應用較多，接地體(線)大多采用鍍鋅鋼絞線或鍍鋅圓鋼，連接采用并溝線夾螺栓連接，但存在連接不可靠、接觸電阻較大、安裝時鍍鋅層易被破壞而腐蝕、使用壽命不長等問題。

2 新型接地裝置方案

為提高降阻效果及防腐性能、減少接地開挖工程量、保護生態(tài)環(huán)境和降低全壽命周期成本，需要開展新型接地裝置研究，因地制宜地采用經(jīng)濟合理的接地裝置。目前，已應用于工程實際的新型接地型式主要有銅覆鋼接地、石墨基柔性復合接地等。

2.1 銅覆鋼接地裝置

銅覆鋼是通過連續(xù)電鍍或連續(xù)電鑄工藝，將99.9%的電解銅分子均勻覆蓋在鋼芯上，銅、鋼分子緊密結合的新型接地材料[1-2]。銅覆鋼具有電阻低、強度大、耐腐蝕性強、使用壽命長等特點，主要用于換流站、變電站、大型建筑物接地網(wǎng)，由于前期投資較大，易被盜，并且由于缺乏輸電線路運行經(jīng)驗而較少應用于供配電線路中。

銅覆鋼接地裝置的連接需要采用放熱焊，由于會產(chǎn)生大量的熱和火星，因此不建議在森林和草原火災高危區(qū)和高風險區(qū)應用，但可以在土壤電阻率不大于2 000 Ω·m的森林和草原火災一般地區(qū)采用。

2.2 石墨基柔性復合接地裝置

石墨具有原材料豐富、導電性能好、生產(chǎn)加工成本低、無污染等優(yōu)點。同時，石墨基柔性復合接地裝置因具有降阻效果好、抗腐蝕性強、運輸方便、易施工、使用壽命長等特點而逐漸被廣泛應用。

石墨基柔性復合接地材料由于自身非金屬的特質，不受土壤條件的限制，在酸、堿性腐蝕土壤中的腐蝕程度很小，接地電阻穩(wěn)定，防腐蝕性能優(yōu)于現(xiàn)行的鋼、不銹鋼、銅等金屬接地材料。由于石墨屬于惰性導電元素，其電位高于很多金屬材料，如鋼、銅、鋅、不銹鋼等，如果與地下管網(wǎng)(鋼制)埋設距離較近，在含水的土壤中，容易對鄰近的地下管網(wǎng)產(chǎn)生電位差腐蝕。為避免這一情況，石墨之間的連接件應采用非金屬材質，壓接長度不小于接地體直徑的6倍。石墨基柔性接地體之間的連接應采用專用夾具，石墨基柔性接地體兩兩搭接重疊放置，重疊部分不少于180 mm。石墨基柔性接地體始終需要與鐵塔的塔腿進行連接，針對不同導電材料連接產(chǎn)生的電化學腐蝕問題，石墨接地引下線采用鎧裝型式。

3 接地連接方式年費用比較

焊接、螺栓連接、液壓連接三種常規(guī)接地裝置連接方式優(yōu)缺點對比如表1所示。接地材料比較如表2所示。

表1 接地連接方式優(yōu)缺點對比

表2 接地材料比較表

由于銅覆鋼的連接需采用放熱焊，不適用于森林草原火災高危和高風險區(qū)，本文僅選擇鍍鋅圓鋼、鍍鋅圓鋼+模塊以及石墨三種接地裝置進行年費用比較。各種接地材料單基費用如表3所示。

表3 各種接地裝置單基一次投資費用 元

假設鍍鋅圓鋼接地使用壽命分別為10年和20年，石墨接地使用壽命為40年。資金折現(xiàn)率取8%。年費用計算結果如表4和表5所示。

從表4和表5可以看出：在土壤電阻率較低的地區(qū)，采用鍍鋅圓鋼(壓接)或鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)接地型式相對石墨接地仍具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢；在土壤電阻率超過2 000 Ω·m且土壤腐蝕性較強時，鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)更換周期短，鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)的年費用較石墨的年費用高。

表4 各種接地裝置年費用對比(鍍鋅圓鋼更換周期10年) 元

表5 各種接地裝置年費用對比(鍍鋅圓鋼更換周期20年) 元

4 結語及建議

架空輸電線路工程主要依據(jù)土壤電阻率、地形地質條件、運輸條件及土壤腐蝕性來選擇接地裝置。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗及近年來石墨接地材料的推廣應用，經(jīng)技術經(jīng)濟比較，建議：在土壤電阻率較低、腐蝕性強的地區(qū)，埋設接地體更換難度較大的塔位時，應根據(jù)實際情況選用石墨基柔性復合接地；在森林草原火災高危和高風險區(qū)域，當土壤電阻率小于2 000 Ω·m時，推薦采用鍍鋅圓鋼(壓接)或鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)接地型式；當土壤電阻率大于2 000 Ω·m時，推薦采用石墨接地裝置。