桿塔導電混凝土基礎沖擊接地電阻和熱力學特性仿真研究

曾軍琴，周 偉，劉宇彬，馮新軍

（1.湖南經(jīng)研電力設計有限公司，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學，湖南 長沙 410114）

0 引言

大多數(shù)輸電線路桿塔位于野外空曠地帶，容易遭受雷擊造成輸電線路故障。為了保持輸電線路的安全穩(wěn)定運行，對輸電線路采取有效的防雷接地措施非常重要。目前，我國普遍采用圓鋼、扁鋼、角鋼等金屬材料作為輸電線路桿塔接地材料，但是這些金屬材料耐腐蝕性差，長時間使用后易失效，導致接地電阻增大，嚴重降低了接地網(wǎng)的接地性能，為輸電線路安全穩(wěn)定運行埋下了隱患，并大大增加了后期的維護和改建費用［1-4］。

20 世紀90年代以來，各國研究人員對混凝土性能的提升做了大量工作，創(chuàng)造性研發(fā)了導電混凝土。經(jīng)過二十多年的研究，導電混凝土的制備技術已經(jīng)相對成熟，導電混凝土已經(jīng)開始應用在輸電線路桿塔的接地工程中［5-8］。影響輸電線路抗雷擊能力最敏感的因素是桿塔接地電阻，因此輸電線路防雷保護的一個重要措施就是減小桿塔接地電阻［9-12］。由于雷電流具有幅值大、等效頻率高的特點，導電混凝土基礎在雷電流作用下的沖擊接地電阻與工頻接地電阻有較大差別。因此，不能完全依據(jù)工頻電阻來評估桿塔導電混凝土基礎的防雷效果，而應在雷電沖擊條件下對桿塔導電混凝土基礎接地電阻進行研究。此外，當輸電線路遭受雷擊時，雷電流注入桿塔頂部，沿著塔身迅速進入導電混凝土基礎和接地體散流入地。因此，需要研究雷電流的進入是否會對導電混凝土基礎造成熱力學影響。

為此，采用國際通用接地分析軟件CDEGS 仿真分析導電混凝土基礎在雷電流激勵下的沖擊接地電阻和熱力學特性，對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響因素以及導電混凝土基礎的穩(wěn)定性和安全性進行研究，為今后相關研究提供理論基礎。

1 導電混凝土基礎接地建模

參考湖南省220 kV等級輸電線路桿塔基礎的常用結(jié)構，導電混凝土基礎采用直柱型基礎，相鄰兩個基礎中心之間的距離為10 m，基礎主筋為直徑25 mm的熱軋帶肋鋼筋；接地體由直徑10 mm 的圓鋼構成，采用閉合環(huán)形和放射形結(jié)合的水平接地形式，埋深0.7 m。在CDEGS 軟件中構建220 kV 輸電線路桿塔導電混凝土基礎接地系統(tǒng)模型，如圖1 所示。該模型包括導電混凝土基礎、基礎中的鋼筋、靠近基礎的接地體和雷電激勵源4個部分。

圖1 220 kV輸電線路桿塔導電混凝土基礎接地系統(tǒng)模型

為獲得沖擊接地特性優(yōu)良的接地方案，設計兩種導電混凝土基礎接地方案進行對比研究。方案Ⅰ：接地體與導電混凝土基礎共同采用，通過連接線連接基礎鋼筋和接地體。方案Ⅱ：取消接地體，直接采用導電混凝土基礎自然接地。在CDEGS 軟件的MALZ 模塊中建立兩種接地方案的模型，分別如圖2 和圖3 所示。建立模型后，在CDEGS 軟件的激勵模塊中設定雷電流激勵，采用2.6/50 μs 波形作為雷電流的標準波形，雷電流幅值取10 kA，仿真研究桿塔導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響因素，并分析不同接地方案導電混凝土基礎的熱力學特性。

圖2 方案Ⅰ模型

圖3 方案Ⅱ模型

2 導電混凝土基礎沖擊接地電阻仿真分析

2.1 土壤電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

固定導電混凝土的電阻率為100 Ω·m，依次在200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、2 000 Ω·m、2 500 Ω·m、3 000 Ω·m土壤電阻率下注入雷電流，分別計算桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖4所示。

圖4 土壤電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

從圖4 可以看出，隨著土壤電阻率的增加，兩種方案的導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均快速增大，說明無論是否加水平接地體，土壤電阻率均對導電混凝土基礎沖擊接地電阻有很大影響。土壤電阻率越大，對桿塔導電混凝土基礎的散流越不利。在相同土壤電阻率的情況下，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均低于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻。隨著土壤電阻率的增大，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異越來越大。當土壤電阻率低于1 500 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻接近于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻。當土壤電阻率高于1 500 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規(guī)范》要求桿塔接地工頻電阻不宜大于25 Ω，因此對土壤電阻率低于1 500 Ω·m 時導電混凝土基礎自然接地時的工頻接地電阻進行了仿真計算，結(jié)果如表1所示。

表1 工頻接地電阻（土壤電阻率低于1 500 Ω·m）

從表1 可以看出，當土壤電阻率低于500 Ω·m導電混凝土基礎自然接地時的工頻接地電阻小于25 Ω。因此當土壤電阻率低于500 Ω·m 時，建議采用導電混凝土基礎自然接地。

2.2 導電混凝土電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

固定土壤電阻率為500 Ω·m，依次在1 Ω·m、10 Ω·m、20 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、150 Ω·m、200 Ω·m、300 Ω·m 導電混凝土電阻率下注入雷電流，分別計算桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖5所示。

圖5 導電混凝土電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

從圖5 可以看出，隨導電混凝土電阻率的增加，兩種方案的導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均不斷增大，說明導電混凝土電阻率越高對桿塔導電混凝土基礎的散流越不利。在相同導電混凝土電阻率的情況下，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均比導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻更小。隨著導電混凝土電阻率的增大，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異越來越大。當導電混凝土電阻率低于50 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻接近于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻。當導電混凝土電阻率高于50 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規(guī)范》要求桿塔接地工頻電阻不宜大于25 Ω，因此對導電混凝土電阻率等于50 Ω·m 時導電混凝土基礎自然接地時的工頻接地電阻進行了仿真計算，結(jié)果如表2所示。

表2 工頻接地電阻（導電混凝土電阻率50 Ω·m）

從表1和表2可以看出，當導電混凝土電阻率分別取100 Ω·m 和50 Ω·m 時，在相同土壤電阻率下導電混凝土基礎自然接地時的工頻接地電阻相差非常小，不超過0.1 Ω·m。

2.3 接地體長度對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

方案Ⅰ中，設定土壤電阻率為500 Ω·m，導電混凝土電阻率為100 Ω·m，接地體長度分別取20 m、40 m、60 m，對桿塔導電混凝土基礎接地系統(tǒng)注入雷電流，分別計算桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖6所示。

圖6 接地體長度對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

從圖6 可以看出，當同時采用接地體和導電混凝土基礎時，隨著接地體長度的增加，桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻越來越小，散流效果越來越好，并且在接地體長度為40 m 時逐漸穩(wěn)定，因此建議接地體長度取40 m。

3 導電混凝土基礎熱力學特性仿真分析

3.1 同時采用接地體和導電混凝土基礎

方案Ⅰ接地模型中，設定土壤電阻率為500 Ω·m，導電混凝土電阻率為100 Ω·m，在4個接地引線處分別加入幅值為10 kA 的雷電流激勵。由于4 個導電混凝土基礎是對稱分布的，并且在4 個基礎中的雷電流和磁場強度分布也是相同的，所以只須分析其中的一個基礎。桿塔雷電流的大部分通過接地體和基礎鋼筋的連接點進入導電混凝土基礎，所以和連接點位于同一個面的基礎鋼筋受力和受熱最大；而在該平面中，雷電流與磁場強度最大的區(qū)域是連接點附近的基礎鋼筋。因此，只須仿真分析連接點附近的基礎鋼筋即可得到導電混凝土基礎鋼筋的最大受力與受熱。方案Ⅰ雷電流注入面的電流和磁場強度分布如圖7所示。

圖7 方案Ⅰ雷電流注入面的電流和磁場強度分布

從圖7 中提取出雷電流注入面的最大電流和磁場強度，分別是501.670 9 A 和489.632 A/m。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，由基礎鋼筋中的電流和鋼筋所在位置的磁場強度即可計算鋼筋的受力F=∫Idl×B，其中I為混凝土基礎鋼筋中的電流，l為混凝土基礎鋼筋的長度，B為鋼筋所在位置的磁場強度。由于力的作用是相互的，導電混凝土基礎的受力與鋼筋的受力大小相等、方向相反，可以得到對應每段鋼筋所在位置的導電混凝土的受力F=0.308 N/m。

設定鋼筋電阻率ρ=6.58 × 10-7Ω·m，鋼筋截面直徑d=25 mm，單位長度鋼筋的電阻R=ρ×l/s=4ρ×l/（πd2）≈1.454×10-3Ω，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的最大熱量為Q=I2×R=0.365 9 kJ，單位長度橫向鋼筋的重量為m=3.551 kg，鋼筋的比熱容約為c=0.46 kJ/（kg·K），因此單位時間內(nèi)導電混凝土基礎鋼筋溫升Δt=Q/（cm）=0.365 9/（0.46×3.551）=0.224 ℃。雷電流的持續(xù)時間一般遠小于1s，導電混凝土基礎鋼筋實際溫升要小于0.224 ℃，遠遠小于25 ℃，因此導電混凝土基礎是穩(wěn)定和安全的。

3.2 導電混凝土基礎自然接地

方案Ⅱ模型中，設定土壤電阻率為500 Ω·m，導電混凝土電阻率為100 Ω·m，將幅值為10 kA 的雷電流注入導電混凝土基礎中，仿真分析雷電流注入點附近的電流與磁場強度分布，結(jié)果如圖8所示。

圖8 方案Ⅱ雷電流注入點附近的電流和磁場強度分布

從圖8 中提取出雷擊點附近的最大電流與磁場強度，分別是3 256.257 A 和1 042.474 A/m。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，由最大電流和磁場強度可計算得到單位長度基礎鋼筋的最大受力F=4.26 N/m，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的最大熱量為Q=I2R=15.46 kJ，單位時間內(nèi)導電混凝土基礎鋼筋溫升Δt=Q/（cm）=9.44 ℃。雷電流持續(xù)時間一般遠小于1s。因此導電混凝土基礎鋼筋溫升也遠小于25 ℃，即方案Ⅱ中的導電混凝土基礎也是安全的。

4 結(jié)語

當土壤電阻率低于1 500 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻接近于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻。當土壤電阻率高于1 500 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

當導電混凝土電阻率低于50 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻接近于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻。當導電混凝土電阻率高于50 Ω·m 時，同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

當土壤電阻率低于500 Ω·m 時，建議采用導電混凝土基礎自然接地。

當同時采用接地體和導電混凝土基礎時，隨著接地體長度的增大，導電混凝土基礎的沖擊接地電阻越來越小，并且在接地體長度為40 m時逐漸穩(wěn)定。

在受到雷電流侵襲時，同時采用接地體和導電混凝土基礎時導電混凝土基礎的溫升遠小于導電混凝土基礎自然接地的溫升，但這兩種接地方案的溫升都遠小于25 ℃，因此都是安全穩(wěn)定的。