石墨纜柔性接地極在輸電線路中的應(yīng)用

鄒圣星，席曉強，萬曉波

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

蘇州地區(qū)輸電線路跳閘基本可以歸類為人為破壞和自然因素破壞兩類，后者絕大多數(shù)是雷擊造成的，而雷擊一直是架空線路面臨的最主要自然災(zāi)害［1］。通過架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、架設(shè)耦合地線、采用不平衡絕緣方式、加強絕緣、采用線路型金屬氧化物避雷器等措施［2-3］，可以有效提高架空線路耐雷水平。接地系統(tǒng)能否長期有效保持低電阻狀態(tài)對防雷至關(guān)重要，據(jù)電網(wǎng)雷擊故障分類統(tǒng)計可知，由輸電線路桿塔的接地電阻值不合格而引起的跳閘情況約占雷擊跳閘總次數(shù)的83%，所占比例非常大。

蘇州地區(qū)輸電線路接地材料普遍采用鍍鋅鋼，極少部分地區(qū)采用銅包鋼。鍍鋅鋼材料埋入地中，每年平均失重約0.5%，略高于銅。水平敷設(shè)一般采用圓鋼、扁鋼，垂直敷設(shè)一般采用角鋼、圓鋼。鍍鋅鋼接地極價格便宜，抗腐蝕性較好，且我國有色金屬存儲量不足，所以就目前來說是比較理想的接地裝置材料。但是鍍鋅鋼表面鍍層脫落，會加快鋼材的腐蝕，所以為了鍍層牢固，須進(jìn)行熱處理［4］。在有強烈腐蝕性的土壤中，接地極要采取特別的防腐措施，否則鍍鋅鋼接地極的全壽命周期會大幅下降，威脅線路的安全運行。銅和鋼相比，在耐腐蝕能力方面有明顯的優(yōu)勢［5］，但銅造價高，尤其在偏僻無人無監(jiān)控的地方，容易被竊取［6］，這種人為因素造成的二次傷害應(yīng)該盡量避免；此外在某工程實際更換不合格接地極的現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，銅包鋼接地極在幾個拐點以及延伸段，表面銅綠存在破損的地方，依然存在銹蝕現(xiàn)象［7］。

蘇州西部山區(qū)靈巖山、天平山、天池山、大陽山等山脈相連，山區(qū)土壤多為酸性土壤，缺乏堿金屬而富含鐵、鋁氧化物，且土質(zhì)含水量大。架設(shè)于該地區(qū)的輸電線路很大程度上受到山體地形地貌的影響，特別是在梅雨季節(jié)，土壤內(nèi)長時間的空氣潮濕會加速接地極的銹蝕速率，接地電阻值往往會偏高。鍍鋅鋼桿塔接地網(wǎng)能保持低電阻穩(wěn)定狀態(tài)的周期一般為6～7 年，超過該周期時間后，容易造成鐵塔接地極產(chǎn)生銹蝕，嚴(yán)重影響線路安全運行，須進(jìn)行接地極改造甚至更換接地網(wǎng)，為施工和運行維護(hù)工作增加負(fù)擔(dān)。為改善此類地區(qū)的輸電線路鐵塔接地極易腐蝕的特性，選用新型材料替代金屬接地極材料，具有實際的工程應(yīng)用價值。

1 石墨纜柔性接地極

1.1 材料結(jié)構(gòu)分析及主要特性

石墨纜柔性接地極采用純度在99%以上的鱗片石墨，經(jīng)過水洗、酸洗、烘干等數(shù)道工序，再由高溫膨脹后，絞線以及編織而成的柔性石墨編織物［7］，如圖1 所示。石墨纜柔性接地極有以下特點。

圖1 石墨纜柔性接地極實物

1）質(zhì)量輕，運輸方便，實測0.235 kg／m。

2）導(dǎo)電性能優(yōu)良，其特殊的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)有吸水保濕的性能，常溫固態(tài)電阻率平均值為3.977×10-5Ω·m。

3）沖擊電流耐受性高，經(jīng)過試驗表明，接地極在150 kA 級別的沖擊電流下，沖擊一次后，沖擊后電阻值與初始電阻值的差值與初始電阻值的比值ΔR≤0.25，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足短路電流和雷電流的排散［8］。

4）工頻大電流耐受性高，經(jīng)過試驗表明，在有效值為15 kA 的大電流下，經(jīng)過0.5 s 試驗，電阻值無明顯變化。

5）電流反擊試驗表明，其能通過150 kA 大電流耐受性測試。

6）高溫和低溫性能優(yōu)良，實測能在溫度-60 ℃和1 000 ℃的溫度下，持續(xù)1 h 保持接地電阻值穩(wěn)定，維護(hù)工作量小。

7）抗壓及抗拉強度高，接地極在受到壓力290 MPa 及拉力137 MPa 強度下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

8）纜體表面摩斯硬度：1～2。

9）抗腐蝕性能絕佳，材料本身主要是碳，對環(huán)境無污染，埋地表面年平均腐蝕率為0.005 mm／a。

10）呈纜狀，易加工成型，柔性可彎曲，在安裝中與土壤的間隙小，貼合度高，且無需大型機械設(shè)備，無需電氣焊，采用搭接法，省時省工，可靈活選擇施工方式。

11）雖然初始投資較貴，但是沒有二次回收價值，能減少偷盜。

1.2 石墨纜柔性接地極的安裝、設(shè)計規(guī)范

在設(shè)計石墨纜柔性接地極時，將土壤電阻率分級進(jìn)行了對比，共分為ρ≤100 Ω·m、100 Ω·m＜ρ≤500 Ω·m、500 Ω·m ＜ρ≤1 000 Ω·m、1 000 Ω·m＜ρ≤2 000 Ω·m 和ρ＞2 000 Ω·m 5 個級別，按照GB 50065—2011 《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》和DL／T 621—1997《交流電氣裝置的接地》要求，保證桿塔接地電阻在雷雨季節(jié)干燥時的工頻接地電阻不得超過表1 規(guī)定數(shù)值。

表1 有避雷線架空電力線路桿塔的工頻接地電阻及參考用量

2 石墨纜柔性接地極與鍍鋅鋼接地極對比分析

2.1 土壤電阻率

蘇州西部山區(qū)屬于酸性紅壤范疇，降水量較充足，土質(zhì)柔軟，尤其在梅雨季節(jié)，天氣濕熱，土壤的風(fēng)化和成土作用均甚強烈，pH 值一般在4.5～6 之間，同時鐵鋁氧化物有明顯積聚。不同土壤電阻率參考值如表2 所示［4］，蘇州山區(qū)土壤類別黃土，土壤電阻率為100～250 Ω·m。結(jié)合表1，石墨纜柔性接地極用量在40 m 以內(nèi)。

表2 不同土壤的電阻率參考值 Ω·m

土壤電阻率也只是相對固定，但在一年的周期內(nèi)也會隨著季節(jié)、溫度、雨水的變化而變化，所以要采用式（1）進(jìn)行修正。

式中：ρ0為實測的土壤電阻率數(shù)值，Ω·m；Ψ 為季節(jié)系數(shù)，取值見表3，其中，Ψ1為測量前數(shù)天內(nèi)有過較長時間降雨情況下的季節(jié)系數(shù)；Ψ2為測量時土壤具有中等含水量情況下的季節(jié)系數(shù)；Ψ3為測量時土壤干燥情況下的季節(jié)系數(shù)。

表3 根據(jù)土壤性質(zhì)決定的季節(jié)系數(shù)

根據(jù)表2 和表3 中的數(shù)據(jù)，結(jié)合蘇州地區(qū)地質(zhì)條件，以土壤電阻率為200 Ω·m 和300 Ω·m 為例，對比分析鍍鋅鋼接地極與石墨纜柔性接地極的性能。

2.2 導(dǎo)電性對比

鍍鋅鋼接地極導(dǎo)電性好、初次投資少但是不耐腐蝕，在有腐蝕地區(qū)使用壽命短，全壽命周期內(nèi)須多次更換；石墨纜柔性接地極導(dǎo)電性好、耐腐蝕、使用壽命長［9］，全壽命周期內(nèi)無須更換但初次投資高于鍍鋅鋼接地極。常規(guī)鍍鋅鋼接地極直徑為12 mm，傳統(tǒng)提高防腐年限的措施是將其直徑增加至直徑16 mm 鍍鋅鋼接地，新設(shè)計的石墨纜柔性接地極直徑為20 mm，兩種接地極的導(dǎo)電性如表4 所示。

表4 鍍鋅鋼接地極和石墨纜柔性接地極導(dǎo)電性對比

由表4 可以看出在相同的土壤電阻率、接地極埋設(shè)深度、系數(shù)下，鍍鋅鋼接地極直徑越粗，工頻接地電阻越低，且明顯低于石墨纜柔性接地極，單從導(dǎo)電性比較，鍍鋅鋼材質(zhì)更加優(yōu)秀，效果好。

2.3 全壽命周期內(nèi)投資對比

兩種接地極在全壽命周期內(nèi)投資情況如表5所示。

表5 鍍鋅鋼接地極與石墨纜柔性接地極全壽命周期內(nèi)投資對比

由表5 可看出，在土壤電阻率為200 Ω·m 和300 Ω·m 時，雖然一次施工費石墨纜柔性接地極費用是鍍鋅鋼接地極的2 倍左右，但如果從全壽命周期內(nèi)的總投資角度對比能明顯發(fā)現(xiàn)：

1）在無腐蝕地段，接地情況良好且無須改造的情況下，鍍鋅鋼接地極的總投資費用是石墨纜柔性接地極的45.6%～50.3%。

2）如果地處易腐蝕地區(qū)，30 年內(nèi)D12 mm 鍍鋅鋼接地極所須改造的次數(shù)很可能增加到3 次，情況嚴(yán)重者甚至更多，從這個角度看，鍍鋅鋼接地極的總投資費用是石墨纜柔性接地極的182%～197%，甚至更多。

3）但如果適當(dāng)增加鍍鋅鋼截面積，使用D16 mm的圓鋼替換傳統(tǒng)的D12 mm 的圓鋼，假設(shè)30 年更換一次接地極，費用與石墨纜柔性接地極費用相近。

經(jīng)對比，在一次施工上，鍍鋅鋼接地極投資費用要明顯低于石墨纜柔性接地極，有極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。以30 年為周期，且地處易腐蝕地區(qū)來對比，石墨纜柔性接地極具有很高的性價比，且免維護(hù)，避免重復(fù)更換接地極的工作。在特殊的酸性土壤地區(qū)，石墨纜接地極存在優(yōu)勢；在一般或不腐蝕地區(qū)常規(guī)的D12 mm 鍍鋅鋼接地極更適合；在易腐蝕地區(qū)，D16 mm 鍍鋅鋼更經(jīng)濟(jì)。

3 工程實例

蘇州市110 kV 1314 陽墩線、1332 越庭線、1174金陽線等都經(jīng)過蘇州西部山區(qū)，以1314 陽墩線為例，該線路全長14.5 km，于1999 年2 月投運，共有桿塔53 基，其中12—21 號、37—42 號連續(xù)桿塔位于蘇州西部海拔較高的山區(qū)中，經(jīng)過10 年的運行，發(fā)現(xiàn)部分桿塔接地電阻值近年來明顯升高，猜測極有可能是接地極出現(xiàn)了銹蝕。前期對其接地極電阻進(jìn)行測試，結(jié)果如表6 所示。

根據(jù)土質(zhì)、環(huán)境、鐵塔類別，在表6 所示桿塔中選擇了5 基典型鐵塔，分別為1332 越庭線111 號、1314 陽墩線41 號、1315 陽胥線15 號、1314 陽墩線12 號、1174 金陽線23 號塔，對其接地極基礎(chǔ)開挖，發(fā)現(xiàn)原鐵塔鍍鋅鋼接地極腐蝕嚴(yán)重，對其接地極進(jìn)行更換改造，如圖2 所示。在改造完成之后，經(jīng)過多次測量，接地電阻的結(jié)果如表7 所示。

表6 鐵塔接地電阻值

圖2 石墨纜柔性接地極改造前后

表7 接地電阻值復(fù)測表 Ω

根據(jù)蘇州西部地區(qū)鐵塔接地改造的應(yīng)用實例數(shù)據(jù)，表明石墨纜柔性接地極在降低接地電阻方面是切實可行的。

4 結(jié)語

石墨材料與金屬類材料相比，耐腐蝕能力強，具有柔性可彎曲的特點，與土壤貼合度高，不存在二次經(jīng)濟(jì)價值，大大降低了偷盜和破壞的風(fēng)險。且其能在山區(qū)這一特殊地形環(huán)境下，克服運輸難、施工難的問題，用作接地極是切實可行的。

在土壤電阻率200 Ω·m 和300 Ω·m 時，石墨纜柔性接地極和鍍鋅鋼接地極相比，在兩者的工頻接地電阻上電阻值相近，差異性不大。在設(shè)備全壽命周期下，石墨纜柔性接地極投資只在特殊強酸、易腐蝕地區(qū)適用，不具有多地區(qū)的推廣意義；在不腐蝕、一般和易腐蝕地區(qū)，傳統(tǒng)的鍍鋅鋼接地極更加經(jīng)濟(jì)適用，利用范圍廣。

但在美觀性方面，石墨纜接地極缺點比較明顯，不能和標(biāo)準(zhǔn)工藝的傳統(tǒng)鍍鋅鋼接地極一樣，顏色、彎曲角度的、與桿塔基礎(chǔ)貼合度都有較大差距。可以考慮地面外露部分使用鍍鋅鋼、地下部分使用石墨纜接地極，兩者接觸部位可采用焊接、螺栓連接或用其他的連接方法，做到既美觀，又不懼強酸地區(qū)的腐蝕。