導電混凝土技術對山區輸電線路接地降阻作用研究

劉宇彬，周 偉，李興澤，張 鵬

（1.湖南經研電力設計有限公司，湖南 長沙 410014；2.長江生態環保集團有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

隨著電網建設規模的不斷擴大，電力走廊日益緊張，新建輸電線路正不斷向山區發展。在山區，雷擊災害對線路的運行影響巨大，因此山區線路的接地降阻一直是電力部門重點關注的問題［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散泄導，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、維護電網安全穩定運行的最有效手段［2］。

在山區，桿塔接地工程需要開挖近百米的接地溝。對于山區線路而言，存在交通不便，機械設備不易進出，施工場地受限，人工成本較高，地質條件相對惡劣等問題，導致接地工程施工難度較大。有運行數據表明，山區線路的接地降阻效果不盡如人意。為了保證電網運行安全可靠，采用新技術、新材料，優化桿塔接地設計，降低接地施工難度，保證降阻效果，對提高輸電線路安全穩定運行具有重大的意義。

不少學者對利用導電混凝土進行高阻地區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［3］較早制作出了導電混凝土，提出了應用導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［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的降阻問題；文獻［6］研制了碳纖維導電混凝土，但未對其如何在接地工程中的應用方法進行深入研究。筆者從山區輸電線路接地降阻效果不佳、施工困難的問題出發，根據現行技術規范的要求，結合工程實踐經驗與最新研究成果，提出了一種基于導電混凝土技術的輸電線路桿塔接地設計優化方案。

1 導電混凝土在接地工程中的作用

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

導電混凝土作為一種新型材料，既保持了結構材料的性能，又具有導電材料的特性，耐腐蝕性好，在輸電線路桿塔接地工程領域具有廣闊的應用前景。目前在國內電力行業對導電混凝土進行過少量的實際探索，2003 年在廣東地區變電站地網改造工程使用。文獻［3-6］在理論上對導電混凝土的接地特性進行了探究，但對于實際工程而言，其適用范圍及技術經濟性尚未做較成熟的考慮。

1.1 碳纖維導電混凝土

對導電混凝土技術進行研究，通過大量實驗及數據分析，研制一種碳纖維導電混凝土。碳纖維作為一種導電纖維，能顯著改善混凝土的導電性能，且當碳纖維含量在1%以內時仍能夠提高混凝土的抗壓強度。

一般的導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商品混凝土運輸車運抵施工現場，對于山區線路施工不具有可操作性。碳纖維導電混凝土對施工工藝、施工環境要求不高，可以在現場通過小型攪拌機制作。碳纖維導電混凝土制備方法、拌合工藝、原材料選用等在文獻［6］中已有詳細介紹，在此不再過多贅述。新研制的碳纖維導電混凝土設計值為碳纖維摻量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果分別為0.84 Ω·m、41.3 MPa、5.9 MPa，力學性能和導電性能均滿足工程要求［6］。碳纖維導電混凝土在齡期增長過程中的電阻穩定性、升溫過程中的電阻穩定性、干濕變化過程中的電阻穩定性均保持良好，說明導電混凝土在復雜土壤環境下電阻率可以視為恒定不變，完全具備充當接地材料的特性。

1.2 運用導電混凝土的接地方案

根據文獻［8］第7.0.16 條的規定，桿塔接地電阻應滿足表1 中的數值要求。

表1 工頻接地電阻要求表

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

但在山區丘陵地區，土壤環境較為干燥，此時基礎混凝土基本呈絕緣狀態，泄導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，山區輸電線路的耐雷水平將逐漸降低。

新研制的碳纖維導電混凝電阻率復雜土壤環境下基本穩定在1～2 Ω·m 的范圍內［6］。從電阻率數值中可以看出，土壤干燥的山區桿塔基礎若采用導電混凝土，桿塔接地效果將明顯提升。

運用碳纖維導電混凝土基礎自然接地，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。考慮到平原地區低土壤電阻率并不高，且接地工程施工并不困難，采用導電混凝土將會因為基礎方量大而導致經濟性不夠理想。綜合考慮，導電混凝土的適用范圍更偏向于山區接地降阻困難的地區。

2 桿塔接地系統仿真分析

2.1 模型搭建

采用CDEGS 軟件仿真，對山區導電混凝土基礎的接地效果進行數據分析，并與常規接地方案進行比較。

對桿塔接地系統建模，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 為例設置，不考慮土壤水平或垂直分層，如圖1 所示。

桿塔基礎參考湖南地區典型設計，根開取10 m，基礎型式按山區使用較多的掏挖基礎［11］，如圖2 所示，相應的樁基礎建模與之類似。

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

圖1 土壤環境建模過程

基礎主筋采用為半徑為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。

根據基礎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 掏挖基礎施工

圖3 混凝土基礎建模過程

圖4 基礎鋼筋配置界面

圖5 接地射線配置過程

圖6 桿塔接地系統模型正交投影

圖7 桿塔接地系統模型俯視圖

2.2 仿真結果

根據建模，完成激勵與觀測線設置后，對采用導電混凝土基礎的接地效果進行計算，依次在800 Ω·m、1 000 Ω·m、1 200 Ω·m、1 400 Ω·m、1 600 Ω·m 的土壤電阻率環境下，通過改變接地射線的長度，計算接地電阻，并將結果與常規接地設計的仿真值進行對比。采用導電混凝土技術的接地方案為方案Ⅰ，常規接地設計為方案Ⅱ。接地電阻值計算結果如圖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

仿真結果表明，采用導電混凝土技術的接地設計因基礎具有較好的導電散流作用，在人工接地射線規模相同的情況下，接地電阻值較常規接地低8%～20%，防雷效果明顯具有優勢。

因湖南地區近年雷擊災害較嚴重，桿塔接地電阻的運行要求比表1 要求更為嚴格，在土壤電阻率500～1 000 Ω·m 地區，設計的桿塔接地電阻值應不大于15 Ω；土壤電阻率1 000～2 000 Ω·m，設計的桿塔接地電阻值應不大于20 Ω。為達到此要求，對2種方案的接地射線長度進行計算，結果如表2 所示。

表2 2 種方案接地射線長度對比

3 經濟技術分析

導電混凝土成本較普通混凝土昂貴不少，其使用范圍與基礎型式密切相關，值得進一步分析。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，比較常規接地方案與所提基于導電混凝土接地方案的技術經濟性。選取桿塔的桿塔型式、基礎形式、土壤電阻率實測值、地形、人力運距如表3 所示。

表3 P5—P18 桿塔明細表

常規接地材料為圓鋼，材料單價約為10 元／m。采用導電混凝土基礎的接地方案接地材料包含導電混凝土與圓鋼，導電混凝土材料單價約為300 元／m3。為保證相關費用不重復計算，設置導電混凝土材料單價僅包含添加的導電相材料價格，常規混凝土材料費及施工費用計入基礎工程。

上述桿塔，常規接地方案與運用了導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，運用導電混凝土的接地方案能夠明顯減小接地射線規模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，由于導電混凝土在材料價格上不占優勢，總體來說將增加接地工程造價。導電混凝土的用量與地形、地質、桿塔型式有較大的關系，直接反映在接地材料費用上。

當基礎型式采用掏挖且桿塔型式為直線塔時，因導電混凝土方量較小，2 種接地方案的造價十分相近。若考慮人力運距的因素，對于山區交通不便的P10、P13、P17 這3 基直線塔來說，運用導電混凝土的接地方案在總造價上更具有優勢。

4 結語

導電混凝土的研制技術已較為成熟。輸電線路基礎采用導電混凝土取代常規混凝土，充分利用桿塔基礎作為自然接地體，敷設同等規模人工接地射線前提下比常規接地設計降阻、散流效果更優。對于交通不便、施工條件惡劣的塔位，采用導電混凝土技術，可以明顯減小人工接地射線規模，降低山區接地施工難度。在接地工程造價方面，運用導電混凝土接地受地形地質、桿塔、基礎型式的影響。在平原地區，導電混凝土自然接地經濟性不高，在山區，對于基礎方量較小、人力運距較大的塔位，運用導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勢。

輸電線路接地設計應靈活應用相關規程、規范，采取最合理適用的型式。綜合全壽命周期費用、運行條件、施工難度與環境保護等方面考慮，提出的基于導電混凝土接地方案在山區接地施工上具有一定的優勢，能夠保證接地降阻效果，也能降低施工難度。考慮到雷電流沖擊特性也是影響接地散流的關鍵因素，因此采用導電混凝土技術的接地方案在高頻雷電流下的沖擊接地特性與熱穩定性還需要進一步研究。