輸配電線路自接地式電桿技術分析

國雪健,張正凱,柳 勇,余榮華,趙唯粟

(國網國際發展有限公司,北京 100031)

1 自接地式電桿研究現狀

接地系統是架空電纜輸電網絡安全運行的重要設施之一。在國家電力行業標準DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接地》和相關的電力安全操作規程中,要求有防雷設施的水泥桿及桿上設備必須有可靠的接地。架空線路傳統的混凝土電桿要求鐵橫擔和橫擔線路上的避雷器支架、導線橫擔與絕緣子固定部分或瓷橫擔固定部分之間,必須有可靠的電氣接地連接。傳統配網接地系統通常使用銅或鋼導體,與電氣設備接地端子或外殼及避雷針引線相連,穿過內部中空的電線桿或PVC管向下牽引,與埋入土壤中的一個或多個接地棒連接。傳統電桿安裝時極易出現差錯,導致大量對地電纜接觸不良甚至未連接;在農村等偏僻路段,地埋件易遭到人為損壞或偷竊,接地導體易腐蝕斷裂。由于水泥電桿沒有定期維護標準,埋在土壤內部的接地部分接地隱患較難發現,通常只有在事故發生后或地區配變更換率較高的情況下,才會引起暴露出來。

近年來,對具有接地一體化功能的混凝土電桿在國內外都有了一定程度的研究和應用。國際方面,傳統混凝土基礎很早就被作為接地極使用。早在1925年,德國發電廠導則中,已經將建筑基礎的內部金屬作為接地極使用;在1979年德國發布的標準中,已將居民建筑基礎列入接地系統。第二次世界大戰期間,美國Helbert Ufer發明了將接地極放入混凝土技術(被稱為“UFER接地”),并被證明是行之有效的;七十年代末期,美國開始推薦使用混凝土內導體作為接地系統;在1982年發布的ANSI/IEEE標準中,專門提到了使用鋼筋混凝土作為接地極的優點。新西蘭研制了自接地電桿,電工人員在作業時可免受殘余電壓危害。1998年,巴西國家標準(NBR)將鋼筋混凝土內金屬件優先作為設備接地極;在隨后的三項國家標準修訂條款中,提出了使用鋼筋混凝土內部導體作為接地極。近年在國內,關于鋼筋混凝土電桿的防雷接地和保護接地一體化設計有了初步的研究[1-3]:國網上海市電力公司物資供應公司和國網上海市電力工程有限公司聯合對傳統混凝土電桿進行技術集成和創新,在電桿底部,加焊一個十字架和一根0.6 m的接地管;在電桿內置一根專用的內接地鋼筋與接地螺母作為接地引下線。中國電力科學研究院結合國內10 k V配電網電桿接地實際情況,選擇高、低2種土壤電阻率試驗場地,分別對電桿自然接地、設置小接地體接地和設置長接地體接地多種接地形式下的接地參數進行測試,得到大量工頻接地電阻、考慮火花放電效應和電感效應的沖擊接地電阻實測值,并分析試驗結果給出配電線路接地設置建議。一體化自接地式電桿技術在我國一直缺乏深入研究,在我國電網輸電網絡系統中的實際應用并不廣泛。

2010年,巴西當地一家公司在內部檢查時發現,配電桿接地部分有松動和金屬老化現象。統計結果發現約有40%埋在土壤中的配網接地點(包括農村和城市配網)存在問題,并在系統過電壓時可能引發事故。同時發現在圣保羅州運行區內,77%的故障變壓器安裝地存在接地電阻值過高問題。

本文通過對某自接地式電桿關鍵技術的設計、試驗應用、經濟及社會效益進行分析和闡述,為我國輸配電網絡降低成本及采用自接地式電桿技術的價值和社會意義提供指導。

2 自接地式電桿關鍵技術

a.鋼筋。作為主接地極的縱向鋼筋與金屬連接件相連,為一條無焊縫鋼筋。在距離頂部接地端口下方,需焊接一條與所有縱向鋼筋相連的橫向箍筋,目的是將事故發生時產生的高短路電流,經橫向安全環向各縱向鋼筋分流。圓形和雙T形自接地電桿內部結構見圖1。

b.金屬接地端口。自接地電桿共設置3個金屬連接件作為接地端口,其作用分別為:頂部端口用于連接設備中性點/接地線;中間端口位于地表面上方,用于日常測量接地電阻和臨時接地;底部接口位于地表面下方,用于連接金屬環(為圍繞柱體的裸銅線,可選)及必要時作為其它接地系統的輔助接地棒使用。接地端口為雙金屬元件,內部金屬件由不銹鋼或帶有鎳錫涂層的鋁材制成,經4個螺栓固定在主鋼筋上;外部金屬件為銅合金制成的可拆分螺栓。

c.導電混凝土。導電混凝土是使用低電阻率原料,如焦炭、硫酸銅CuSO4和石墨等,來替代傳統混凝土原料(礫石和砂)。考慮成本原因,導電混凝土原料是由水泥、細沙、冶金焦炭 和添加劑構成。經試驗論證,導電混凝土的電阻率遠低于普通混凝土。傳統普通混凝土原料為礫石和砂,平均接地電阻阻抗＞10 000Ω·cm,導電混凝土采用水泥、細沙、冶金焦炭 和添加劑,平均接地電阻阻抗＜3 000Ω·cm。

圖1 圓形和雙T型自接地電桿內部結構

經高壓試驗證明,在電壓、電流和頻率的要求條件下,試驗用自接地電桿均顯示出對高頻沖擊電壓的低阻抗,內部硬件和用于接地的金屬帶之間可觀察到破壞性放電,未出現電介質斷裂(鉆孔)的情況,各種表現優于傳統普通混凝土電桿,見圖2。

圖2 自接地式電桿與傳統電桿電阻性能對比

3 自接地式電桿技術優勢

a.降低電桿接地電阻,提高耐沖擊性能,減少設備損壞及停電損失。自接地電桿導電混凝土大大提高了導電性能,并解決了傳統電桿接地導線接觸不良因素,使接地電阻得到有效降低,從而減少變壓器事故率及停電損失,提高配網可靠性。經測試,導電混凝土的電阻率較常規混凝土降低了5～9倍。在40 k V和60 k V脈沖試驗中,傳統水泥桿放電點出現損壞,而自接地電桿未發生損傷。

b.桿內金屬不與土壤直接接觸,提高了抗腐蝕性,延長電桿壽命。由于自接地電桿內部金屬不與土壤層直接接觸,有效減少了鋼筋腐蝕,提高抗腐蝕性能,同時減少接地系統人為盜竊和破壞行為,提高系統的耐用性。按照土壤酸堿性質不同,原來使用銅或鍍鋅角鋼接地棒的傳統桿預期壽命為5～15 a,而實現框架一體的自接地電桿預期壽命至少為30 a。

c.無需使用接地棒和電纜,簡化安裝流程,提高工作效率。相對于傳統電桿,自接地電桿安裝流程減少了挖接地溝、埋入接地棒、多個接地線和電纜連接(耗時且容易出錯),無需再進行電纜和接地棒之間的多頭連接工作,安全可靠性顯著增加,提升了電桿安裝效率,降低運維成本。

d.接地系統牢固,端口使用便捷,保障運維人員作業安全。在傳統電桿停電作業時,操作人員時常會受到殘余電壓電擊的危害,如果需要測量接地電阻,只能人工爬至電桿頂部進行。自接地電桿使臨時接地更為簡便,無需在作業點的相鄰電桿插入接地釬,只需將頂部導線和其它金屬部件與中間接地端口相連,即可實現接地,并形成電桿等電位區,最大程度保障了人身安全,接地方式對比見圖3。

圖3 傳統電桿與自接地式電桿的檢修接地方式對比

通過自接地電桿的應用,不僅在技術方面有所提升,而且在保障供電電網安全可靠運行、節省電力人工成本和工程費用等方面也有明顯優勢。自接地電桿技術利用混凝土預埋鋼筋、3個金屬接地端口和底部導電混凝土形成接地系統。常規混凝土和導電混凝土均為電桿基礎設施,接地端口使用較厚的鋁板或不銹鋼板,經螺栓固定后澆筑在混凝土中,整體堅實可靠,有效解決了傳統電桿接地線與接地棒接觸不好或未實現連接、易遭到人為破壞或偷竊等弊端,并且極大地降低了接地電阻值。由于自接地電桿內部導體不用直接接觸土壤和空氣,減少金屬腐蝕,將電桿使用壽命提升至30 a。中間接地端口的使用,使臨時接地及電桿接地電阻測量工作更為便捷,并且減少混凝土電桿的接地管和接地引下線的施工和維護工程,極大程度地保障了人員安全。

4 自接地式電桿應用情況及效果

2012-2015年期間,在圣保羅州坎皮納斯、瓦利尼烏斯等雷擊和變壓器燒毀高發地區進行了自接地電桿的掛網應用測試。2015-2017年,經過初步驗證使用性能后,對自接地電桿進行了商業化推廣嘗試。

從經濟性來說,該公司每年用于配電變壓器燒毀支出約1 300萬雷亞爾,用戶停電損失賠償約360萬雷亞爾。在變壓器燒毀事故原因中,至少30%與接地不良有關;保守估計,使用自接地電桿后,此類事故率可降至15%左右。綜上所述,每年因使用自接地電桿共節省資金約200萬雷亞爾,此外,還可向制造商收取專利使用費。

5 結束語

隨著我國電力市場化改革的深入,行業的技術創新可以促進電力行業快速健康的發展,也有益于提高電力監管的效率[4-7]。我國電力網絡系統不僅規模龐大,而且每個區域特點也各不相同。在提高電網輸配電效率及降低成本方面,自接地式電桿的市場應用前景廣闊。在借鑒國際公司研發自接地電桿技術成功的經驗和做法的基礎上,根據我國輸配電網絡特點及各地域環境及土壤等不同特性,相關電力企業可以加大在導電混凝土電桿接地一體化領域的設計、研發測試和技術創新。建議電力監管相關機構也要加強相關方向的指導性意見和技術領域的引導。