輸電線路自然接地體應用探討

中國葛洲壩集團電力有限責任公司 黃學明

輸電線路桿塔接地裝置是輸電線路的重要組成部分，是接地體和接地引下線的總稱，接地電阻是指接地體散流電阻、接地引下線電阻和接觸電阻的總和。其作用是確保雷電流可靠泄入大地，保護線路設備絕緣，減少線路雷擊跳閘率，提高運行可靠性和避免跨步電壓產(chǎn)生的人身傷害[1]。對輸電線路桿塔接地裝置進行規(guī)范管理和維護，確保接地裝置完整性是降低輸電線路雷擊跳閘率的有效措施，降低接地裝置接地電阻是提高線路耐雷水平的主要措施。

接地裝置由接地體和接地引下線組成，接地體也稱接地網(wǎng)。輸電線路遭受的雷擊電流是通過桿塔的接地裝置泄入大地的，是泄導雷擊電流的主要部分；而接地引下線是指從桿塔接地孔至地下接地射線之間的那段連接線，它的作用是通過桿塔自身（或安裝的桿塔接地外引裝置）連接避雷線以及下地轉地網(wǎng)，使雷擊電流能通過桿塔自身（或安裝的桿塔接地外引裝置）、接地引下線流入到接地網(wǎng)中，以便泄放雷擊電流[2-3]。

1 自然接地體降阻策略

目前工程中常用的降阻措施有擴大接地網(wǎng)尺寸、深埋接地體、添加降阻材料、換土等方法，具有一定的降阻效果。然而國內工程通常將接地裝置引下線從塔腳引接，竣工驗收的時候需斷開接地裝置與鐵塔（基礎）的電氣連接，接地驗收測量的接地電阻不包含桿塔基礎的自然接地，因此設計上很難充分考慮鐵塔基礎的自然接地，沒有充分發(fā)揮自然接地的效果，使得接地裝置的設計裕度過大，造成材料浪費，增加工程成本。

輸電線路桿塔基礎主要由混凝土及其包裹的基礎鋼筋構成，由于基礎鋼材導電性良好，加之外層有混凝土保護，安全可靠、不易損壞、使用時間長、不易被腐蝕，只需要將其相互連通構成電氣通路即可具有良好的散流作用，自身就可作為良好的自然接地體[4]。此外，基礎混凝土也具有一定的導電散流作用，且電阻率會隨著環(huán)境發(fā)生變化，潮濕環(huán)境下效果更明顯。由此可見，通過改善基礎混凝土的導電性，甚至采用導電性更好的導電混凝土或在基礎外層包覆導電材料，可以更好地發(fā)揮桿塔基礎作為自然接地體的效用。

2 自然接地體工頻接地電阻計算方法

目前國內對于采用桿塔基礎作為自然接地體的計算尚沒有明確的方法，針對此類問題的研究主要是采用軟件平臺搭建接地系統(tǒng)模型進行仿真計算。國際工程項目對自然接地體工頻接地電阻的計算大多遵循IEEEstd80-2013標準，具體計算公式為式（1）：{ρ[ln(8Lr/DC)-1]+ρc[ln(8Lr/d)-1]-ρc[ln(8Lr/DC)-1]}，其中RCE-rod為混凝土基礎接地電阻、單位Ω，Lr為基礎內接地體長度、單位m，ρ為土壤電阻率、單位Ωm，DC為基礎混凝土等效直徑、單位m，ρc為基礎混凝土電阻率、單位Ωm，d為基礎內接地體等效直徑、單位m。

以輸電線路中常用的基礎型式為例，桿塔基礎可等效成埋在地里的一個電極，基礎尺寸如圖1所示，Lr取3000mm，即3m；Dc取最小值800mm，即0.8m。基礎中的插入角鋼可以等效為包裹在基礎中的一根金屬桿，取常用規(guī)格的插入角鋼（200mm×200mm×20mm）進行計算，其等效直徑d=0.84×200=168mm=0.168m。參照IEEEst d80標準，ρc取60Ωm。

圖1 基礎外形尺寸圖

3 自然接地體在輸電線路中的應用

由于自然接地體具有制作方便、穩(wěn)定性高、使用壽命長等優(yōu)點，在實際工程中應用逐步增多。將接地引下線的位置從傳統(tǒng)的與桿塔塔腿底部連接調整為和桿塔基礎底部相連接，將桿塔基礎作為自然接地體，使自然接地體與人工敷設的垂直接地極和水平接地系統(tǒng)相連，充分發(fā)揮了基礎混凝土和基礎鋼材的散流作用，有效降低桿塔接地電阻，減少接地材料的用量，同時避免接地裝置遭受認為的盜竊和破壞。具體形式詳見圖2。

圖2 桿塔基礎圖1

在山區(qū)等運輸困難、難以施工的塔位，采用碳纖維導電混凝土取代常規(guī)混凝土，利用桿塔基礎作為自然接地體，可以減少人工接地體的開挖量，降低工程造價。碳纖維導電混凝土一般由膠凝材料、導電材料、介電骨料和水等成分組成，按照一定配比并加入碳纖維材料混合凝結而成的復合材料，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。在人工接地體數(shù)量不變的情況下，桿塔基礎采用碳纖維導電混凝土可使降阻、散流效果更優(yōu)。具體形式詳見圖3。

圖3 桿塔基礎圖2

近年來出現(xiàn)的非金屬石墨復合接地材料具有導電散流性、抗腐蝕性好，安裝敷設簡單便捷等優(yōu)點，將其作為自然接地的輔助材料可起到更好的降阻效果。根據(jù)土壤和地下水位情況，利用非金屬石墨復合接地材料采取上段、中段、下段外敷以及基礎外表完全敷設等不同形式，增強自然接地體的散流作用，具體形式詳見圖4。接地電阻受外敷半徑和塔基埋設深度影響很大，隨著外敷半徑和塔基埋設深度的增加，接地電阻逐漸降低。

圖4 桿塔基礎外敷圖

4 結語

將輸電線路桿塔基礎作為自然接地體，與桿塔人工敷設的接地裝置或其他輔助降阻材料相連接，利用基礎混凝土以及基礎鋼材的導電作用，相當于擴大了接地裝置范圍，不僅有利于減少人工接地裝置的敷設量，節(jié)省材料、降低工程造價，還可以降低接地裝置受外力損壞的幾率。經(jīng)過模擬計算分析以及國內外工程的應用，表明將桿塔基礎作為接地裝置的一部分可以有效降低桿塔的接地電阻，證明桿塔基礎作為自然接地體是可行的，也為輸電線路接地裝置的改進優(yōu)化提供了一個研究的方向。