基于配電網接地降阻材料特性的優化配置應用

陳耀君，宣建峰，汪圣羽，張 楊，楊燕華，金蔭洲，郭 曉，蘇 菁

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000）

1 引言

配電網接地系統作為電力系統工作、防雷的需要，是維護電力設備運行可靠性的重要環節[1]。隨著電網改造的不斷升級，系統10 kV 配電線路中容易發生接地故障，尤其在遇到大風雨雪惡劣天氣時，由于接地材料腐蝕、接地電阻不合格、泄流能力弱造成故障發生，嚴重影響配電網運維水平[1]。同時配電網與用戶接觸最為緊密，從電力優質服務出發，配電網接地設備急需尋求耐腐蝕、性能穩定、泄流能力強、易于施工的材料。

接地系統的長久穩定運行重點在于接地材料、降阻材料的優化配置選擇[2]。但是，目前電力系統對接地材料和防腐降阻材料的性能與選擇并沒有統一的規范要求，工程項目設計時若沒有全方位考慮，選擇了不適合的接地、降阻材料，將影響接地裝置的正常運行，甚至引起事故，縮短接地裝置的使用壽命，降低資產全壽命管理效益[3]。

基于接地、降阻材料的性能特性分析，對主流材料進行分析探討，并針對不同電阻土壤率、不同土壤含水量環境下的接地、降阻材料提出了最佳的材料選擇優化方案；確保方案提供的接地、降阻材料能夠長久有效地降低接地電阻、延緩接地材料的腐蝕，保證供電企業接地裝置安全穩定工作，提升配電網資產全壽命管理水平。

2 接地材料應用分析

目前廣泛應用的接地裝置主要由接地引下線和埋入地下的金屬接地體組成，金屬接地體直接與土壤接觸，將異常產生的電流分解傳遞到大地中，減少異常情況（如雷擊、強風）對電力系統線路和電氣設備的影響。

接地裝置作用就是傳遞異常電流，異常電流由兩部分組成，工作電流和接地短路電流，異常電流經由接地引下線、接地體傳遞至大地[4]，如圖1 所示，異常電流I經由接地引下線流入接地網，被接地網中的每一段水平接地體和垂直接地體共同分流，保證設備安全。

圖1 接地裝置示意圖

2.1 熱穩定性分析

異常情況發生時，異常電流I會經由接地體，將異常電流轉化為接地材料的熱能，通常轉化的熱能無法順利散去，大部分都會轉化為接地材料的熱量。如果接地材料不能滿足相應的熱穩定條件，接地短路電流過大則會因材料溫度過高而被熔斷；即使沒有熔斷，熱能聚集產生的高溫會導致接地材料的物理化學性質發生改變，尤其是結合點或焊接處情況更嚴重。

為保證接地裝置良好的泄流效果，需接地線通流能力的熱穩定校驗，按短時發熱的熱穩定要求確定。

熱平衡方程為：

接地線發熱時引起的溫升為：

式（1）（2）中：ρ為接地材料電阻率；Kd為集膚效應系數；Td為接地故障的等效持續時間；Id為流過接地線的最大接地故障不對稱電流有效值；S為接地線的最小截面積；γ為接地導體的比重；l為接地線長度；c為接地材料熱穩定系數；τ接地線溫升。

2.2 均壓分析

為了限制接觸電壓和跨步電壓過高，接地網應采用均壓措施[3]。接地網本身各處的電阻率并不同，勢必產生電勢差，因此不能完全將接地網各處當成等電位。對于電阻率偏高的大地，需要水平接地系統的均壓效果。基于此，具備良好的導電性可防止接地導體電位差。

2.3 資產全壽命要求

資產全壽命周期管理是電力系統發展的趨勢，基于資產全壽命周期管理對于接地系統的運維具有重要指導意義。目前電力系統配電網改造不斷深入，城市基礎建設要求不斷提升，同時考慮到開挖難度大，工程周期較長，改造費用高，接地系統投入應用后通常要求具有較長的運行年限，目前規定使用年限為50 年以上。同時從環境友好型管理理念出發，杜絕使用材料對生態環境產生污染。

2.4 接地材料性能對比

針對目前接地材料市場的不斷更新，本文基于上述應用分析要求，選擇考慮導電性、熱穩定性、耐腐蝕性和資產全壽命特性等要求，對比分析鍍鋅鋼、銅、不銹鋼和銅覆鋼四種配電網接地材料，鍍鋅銅的熔點最高，銅的導電性最好，耐腐蝕性方面不銹鋼，資產全壽命特性方面鍍鋅鋼的價格在每噸5 000 元左右，常使用電弧焊接方式進行鋼接地體之間的連接，焊接點易存在腐蝕隱患。

3 降阻材料的應用分析

接地系統所處的大地本身具備一定的電阻率。接地電阻是電流經接地系統泄流過程中遭受的阻礙效應。接地電阻由引下線自身內阻、接地體內阻、接觸電阻和大地的土壤電阻四部分組成。接地引線和接地體自身內阻非常小，其影響忽略不計，因此在某些特殊情況下（如高土壤電阻率區域）必須配合需輔以一些降阻措施，方可保證其接地電阻達標。因此，實際接地工程中的接地材料，通常輔以降阻材料降阻，保證接地電阻達標，以滿足接地系統的接地電阻要求。

3.1 降阻能力分析

基于高斯定理，接地裝置接地電阻：

當大地的電阻率在各方向性質一致時：

其中，R、C分別為接地裝置的接地電阻和接地電容；ρL、ξ分別為大地的土壤電阻率和介電常數。由公式（3）可看出，接地體的接地電阻R與接地電容C成反比，與介電常數成正比例關系。基于上述關系，降低接地電阻，可通過增大電容或降低土壤的電阻率兩種方入手。具體措施如下。

適當增大接地體面積尺寸。輔以降阻材料后，可增加接地裝置有效接地面積，擴大接地裝置的散流面積，間接提高接地電容C，從而降低接地電阻。

消除接觸電阻。接觸電阻主要取決于接地材料表面的光滑度以及接地材料與周圍土壤的接觸緊密度[3]。土壤孔隙度越小、接地材料越平整、接觸電阻越小；反之，接觸電阻就越大。因此，降阻材料應具備良好的兼容性，能與接地材料完美融合，減小接觸電阻。

降低土壤電阻率。大地有兩種導電方式，一種是電子導電，地下如有導體或半導體，比如金屬礦物等，就會形成電子導電；另一種是離子導電，即土壤中的各種無機鹽類或酸、堿離解成的金屬離子來導電[4]。大地主要以離子導電為主。土壤電阻率的大小主要取決于土壤中導電離子的濃度和土壤中的含水量[1]。土壤中導電離子濃度越高，含水量越多，土壤的導電性就越好，輔以降阻材料后，應具有良好的導電性，增加周圍土壤的離子濃度，并有較好的吸水和保水能力，以降低接地裝置周圍土壤的電阻率。

3.2 資產全壽命要求

同樣，基于資產全壽命周期管控理念，降阻材料的選取應用需具備環境安全性、投資經濟性以施工簡易性，滿足工程前期設計經濟效益最大化。降阻材料為一次性投入應用，若經過一段時間后降阻材料的效果偏離預期，則需要返工處理，返工改造將花費大量投資，并且也很難實現。因此，要求降阻材料應有穩定的降阻效果，并長期有效，保證資產全壽命高效運作。

3.3 降阻材料性能對比

基于上述降阻材料應用分析要求，選擇考慮穩定性、耐腐蝕性和資產全壽命特性等要求，對比分析降阻劑、接地模塊、離子接地棒和導電水泥等四種配電網降阻材料，分析結果發現，接地模塊本身具有較好的防腐效果，加上它所含碳的吸濕和保濕性能，使其有較長的使用壽命和較好的降阻效果；離子接地棒、導電水泥兩種耐腐蝕性較好；導電水泥資產全壽命特性較好。

4 接地降阻材料優化配置

基于接地、降阻材料特性分析對比，結合目前配電網接地系統的實際應用，本文針對不同性質的土壤環境，對接地特性進行全面的技術經濟分析，優化配置選擇最合適的接地材料和降阻材料，以期實現運維效益最大化。

4.1 不同土壤電阻率的接地降阻材料優化選擇

土壤電阻率與土壤的腐蝕速率沒有遵循一定的規律[1]，主要依據所處環境以及接地工程實際要求確定。

高土壤電阻率地區：主要考慮接地電阻很難達到要求，因此接地材料在腐蝕不嚴重的高土壤電阻率地區，為減少初期投資，可采用鍍鋅鋼作為接地材料，有更好的經濟效益。降阻材料選擇配合接地材料選取，對于配合鍍鋅鋼接地材料時不宜采用對接地體無防腐保護的降阻材料，對于配電網中桿塔接地裝置可使用接地模塊作為降阻劑，也可利用導電水泥來做基礎和鋪設路面來減小接地電阻。

低土壤電阻率地區：主要考慮土壤中的水分和電解質會對接地裝置產生腐蝕，因此接地材料使用銅材和不銹鋼在穩定性和經濟性上具有明顯優勢，降阻材料選擇配合接地材料選取，對于銅材和不銹鋼接地材料，可以選用同時具有防腐和降阻性能高效膨潤土防腐降阻劑作為其防腐降阻材料。對比結果如表1 所示。

表1 不同土壤電阻率的接地降阻材料優化選擇結果

4.2 不同土壤含水量的接地降阻材料優化選擇

不同的土壤含水量對接地材料會產生不同程度的腐蝕作用，隨著土壤含水量的增加，金屬腐蝕速率均增加，但會達到一個飽和值，之后隨著含水量的增加，金屬腐蝕率會降低[3]，由此可確定接地降阻材料的優化選擇。

低土壤含水量地區：主要考慮鍍鋅鋼在干旱土壤地區有較好的耐蝕性，同時其價格低廉，因此可作為接地材料。降阻材料選擇配合接地材料選取，高效膨潤土防腐降阻劑最適合在低土壤含水量地區使用，且穩定性和耐腐蝕性效果佳，對于配電網中桿塔接地裝置可使用接地模塊作為降阻劑。

高土壤含水量地區：主要考慮土壤中的水分高，易對接地裝置產生腐蝕，在土壤弱堿性地區，可采用不銹鋼作為接地材料，在土壤弱酸性地區，可采用銅或銅覆鋼作為接地材料。降阻材料選擇配合接地材料選取，可采用納米碳導電防腐涂料或高效膨潤土防腐降阻劑進行防腐保護，兩種材料均能達到良好的防腐效果。對比結果如表2 所示。

表2 不同土壤含水量的接地降阻材料優化選擇結果

5 結論

通過對接地材料和降阻材料特性分析，考慮導電性、熱穩定性、耐腐蝕性和資產全壽命特性要求，對比分析目前主流的接地和降阻材料，為安全生產運維提供一定的指導意義。基于接地、降阻材料特性分析對比，結合目前配電網接地系統的實際應用，針對不同電阻土壤率、不同土壤含水量環境，對接地特性進行全面的技術經濟分析，優化選擇合適的接地材料和降阻材料，實現安全生產效益最大化。