石墨基柔性接地裝置在輸電線路中的適用性研究

張國鋒 惠 康 務孔永 郭 潔

石墨基柔性接地裝置在輸電線路中的適用性研究

張國鋒1惠 康2務孔永1郭 潔2

（1. 河南四達電力設備股份有限公司，河南 許昌 461503； 2. 西安交通大學，西安 710049）

石墨基柔性接地材料因具有化學性質穩定、耐腐蝕性優異、與土壤相容性較好等優點被應用在輸電線路桿塔接地體中，但是其在應用時的適應性必須依據輸電線路的輸送能量、桿塔位置和運行環境確定。本文通過建立不同輸電線路桿塔接地裝置的有限元仿真模型，計算相應的接地電阻；根據接地電阻值，采用ATP-EMTP軟件，計算接地短路及雷電沖擊大電流下流過接地裝置的電流和溫升，從接地電阻和工頻短路電流，以及雷電沖擊大電流下的溫升兩個方面，研究石墨基柔性接地裝置在輸電線路中的適用性。研究結果表明，規程要求的工頻接地電阻滿足輸電線路桿塔接地電阻的要求，但是特高壓輸電線路發生單相接地短路故障時，保護拒動會使接地裝置的溫升超過限值。

輸電線路；石墨基柔性接地裝置；工頻接地電阻；溫升特性

0 引言

桿塔接地體是輸電線路防雷中的重要一環，接地體接地電阻過高或者接地不良會降低線路耐雷水平，影響電力系統安全穩定運行[1-3]。傳統接地材料諸如鍍鋅鋼、銅覆鋼等在電力系統接地中已經廣泛應用，但在實際運行中發現，傳統接地體存在耐腐蝕性差、與土壤接觸性差且易被人為破壞等問題[4-7]。

針對傳統材料接地體在實際應用中的不足，非金屬導電材料特別是柔性石墨材料逐步在輸電線路桿塔接地體中應用。石墨材料具有化學性質穩定、不易腐蝕[8-9]、與土壤接觸性好等特點，但其在輸電線路中的應用仍存在問題：首先，其電阻率較傳統接地材料大，本體電阻較高，必須考慮工頻接地電阻及沖擊接地電阻是否滿足防雷要求；其次，輸電線路電壓等級高、輸送容量大，發生單相經桿塔接地短路時，通過接地體流入土壤的電流較大，且輸電線路架設在野外易遭受雷擊，會由接地體泄放雷電流，石墨基柔性接地裝置內含化學纖維、膠粘劑等物質，工作溫度不能過高，因此必須考慮其通過大電流時的溫升。

本文根據不同電壓等級輸電線路采用的石墨基柔性接地裝置型式，利用Solidworks構建三維模型，采用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件計算工頻接地電阻；調研不同電壓等級輸電線路的典型參數，在ATP-EMTP中搭建線路仿真模型，根據接地電阻值計算注入接地體的電流；以注入接地體的電流作為終端電流邊界條件，驗證石墨基柔性接地裝置在大電流下的熱穩定性，為石墨基柔性接地裝置在輸電線路中的應用提供參考。

1 石墨基柔性接地裝置的接地型式

針對不同電壓等級輸電線路、不同土壤電阻率，石墨基柔性接地裝置有不同的型式。基本型式為：桿塔四個塔腳通過鎧裝石墨引下線，接至石墨基柔性水平接地體，并在水平接地體下鋪設寬度為300mm的石墨基柔性降阻布。

根據國標[10]要求，變電站進線段桿塔工頻接地電阻不宜高于10W，遠區土壤電阻率較高的區域，工頻接地電阻不宜超過30W。因此，本文中主要研究近區及土壤電阻率較高的遠區桿塔接地裝置。220kV及以下電壓等級、500kV及以上電壓等級輸電線路桿塔接地裝置型式示意圖分別如圖1和圖2所示。不同型式的接地裝置尺寸參數見表1。

圖1 220kV及以下輸電線路桿塔接地裝置型式示意圖

圖2 500kV及以上輸電線路桿塔接地裝置型式示意圖

表1 不同型式的接地裝置尺寸參數

在電壓等級較高的輸電線路中，增加石墨接地體的截面面積及長度，以提高接地裝置的散流能力。在土壤電阻率較大的區域，通過延長射線長度、射線末端裝設柔性等離子接地極或者接地模塊來滿足接地電阻的要求。其中，柔性等離子體內填充環保型離子，在應用中，離子擴散開可降低周圍土壤電阻率；接地模塊通過火花刺增大土壤局部的火花效應，降低接地電阻。

2 石墨基柔性接地裝置工頻接地電阻仿真

電流通過接地體時，以石墨基柔性接地裝置為中心，向四周土壤均勻散流，土壤域設置為半球體形狀。工程實踐表明，當計算區域的尺寸大于接地極尺寸的四倍時，截斷誤差可忽略不計[11-12]，因此本文中土壤域設置為接地裝置尺寸的10倍以保證計算結果的準確性。按規程，接地裝置一般不小于下列埋深：農耕地0.8m且在耕作深度以下；一般地區0.6m；開挖困難且土壤電阻率大于2 000W·m的巖石地區0.3m。在本文中，取一般埋深0.6m。根據這些條件及石墨基柔性接地裝置的不同型式，構建石墨基柔性接地裝置接地電阻仿真模型如圖3所示。

圖3 石墨基柔性接地裝置接地電阻仿真模型

因為工頻頻率較低且是單一頻率，同時石墨屬于弱磁材料，電感效應不明顯[13-14]，所以仿真計算工頻接地電阻時可以采用電流場在頻域求解。

計算工頻接地電阻時，從接地裝置的4根引下線上端注入幅值為1A的電流，220kV輸電線路桿塔石墨基柔性接地裝置的電位分布如圖4所示，500kV及以上輸電線路桿塔石墨基柔性接地裝置的電位分布如圖5所示。由終端電壓可以計算得到不同型式接地裝置的工頻接地電阻見表2。

圖5 500kV及以上輸電線路桿塔石墨基柔性接地裝置電位分布

表2 不同型式接地裝置的工頻接地電阻

3 單相工頻短路及雷擊時的入地電流計算

220kV及以下電壓等級輸電線路同一土壤電阻率下采用同一型式的石墨基柔性接地裝置，500kV及以上電壓等級輸電線路同一土壤電阻率下采用同一型式的接地裝置。因此，根據220kV及1 000kV交流輸電線路計算單相工頻短路及雷擊桿塔時注入接地裝置的電流，將其作為大電流下溫升計算的終端邊界條件。

根據實際運行中輸電線路的典型參數，在ATP- EMTP中搭建仿真模型，以等值電阻等效接地裝置。220kV輸電線路電站近區桿塔的接地電阻設置為9.256W，遠區桿塔的接地電阻設置為21.161W；1 000kV輸電線路電站近區桿塔的接地電阻設置為3.361W，遠區桿塔的接地電阻設置為27.634W。雷擊桿塔的原始雷采用2.6/50ms的標準雷電流波形，幅值根據40年一遇的概率計算。每年40個雷暴日，且地閃密度取為0.28次/(km2·年)。

沿線均勻選取11個桿塔位置作為故障點，分別在不同位置設置單相工頻接地短路和雷擊塔頂。近區及遠區注入接地裝置的工頻電流幅值見表3，兩種電壓等級接地裝置可能通過的最大雷電流見表4，根據雷電流幅值和波形采用雙指數函數來模擬。

表3 注入接地裝置的工頻電流幅值

表4 注入接地裝置的最大雷電流

4 大電流下石墨基柔性接地裝置的溫升特性

工頻短路電流及雷電流持續時間較短，與不同介質之間的傳熱時間相比可以忽略。因此在計算大電流下接地裝置的溫升時，不考慮不同材料之間的傳熱過程，只考慮材料自身吸收工頻電流能量引起的溫升。經試驗表明，石墨材料溫度達到300℃左右時開始冒煙，性能發生變化，因此大電流下石墨基柔性接地裝置的溫升不能超過280℃（工作在常溫20℃）。

分別以表3中工頻接地短路入地電流幅值作為不同型式接地裝置有限元仿真模型的終端電流邊界條件，在COMSOL中計算接地裝置的體積損耗密度分布。220kV輸電線路近區桿塔石墨基柔性接地裝置在單相工頻短路電流下的體積損耗密度分布如圖6所示，石墨材料的最大電磁體積損耗密度為7.639×107W/m3。同樣，可計算不同型式接地裝置石墨材料的最大電磁體積損耗密度。

圖6 220kV輸電線路近區接地裝置在單相工頻短路電流下的電磁體積損耗密度分布

根據測量可得石墨材料的密度為1 060kg/m3，比熱容為710J/(kg·℃)，且工頻短路電流在前備保護拒動后持續時間約為0.54s，可計算不同型式接地裝置在工頻短路電流下的溫升見表5。

表5 不同型式接地裝置在工頻短路電流下的溫升

計算雷電流下的溫升時，材料的電感效應不能忽略，需要采用電流場及磁場耦合的多物理場在時域進行求解。鎧裝石墨引下線如圖7所示，段①外層帶有絕緣層及不銹鋼鎧裝，段②只有石墨編織層及不銹鋼加強芯板。電流通過段①后，開始向土壤散流，但是由于土壤電阻率比石墨材料大得多，散流極少，因此可以假設電流完全通過引下線而不散流，只需考核引下線段②通過完整雷電流時的溫升。在仿真建模中只需要截取一段引下線，不需要搭建完整的接地裝置。

圖7 鎧裝石墨引下線

雷電流經由塔身四個塔腳的鎧裝石墨引下線注入接地裝置，雷擊塔頂不同位置時四個塔腳的分流可能會有差別。根據桿塔實際尺寸結構，將其等效為電阻、電感組成的網絡，由塔頂不同位置注入幅值為300kA的雷電流，四個塔腳的分流如圖8所示。由圖8可知，四個塔腳的分流差別很小，不超過1%。

圖8 雷擊塔頂時四個塔腳的分流

因此，取1/4注入接地裝置的雷電流作為單根石墨引下線終端電流邊界條件，石墨材料的溫升為

雷電流持續50ms左右，因此取仿真時間為50ms，時間步長為0.1ms。截面為40mm×6mm的引下線在3.1ms時刻的電磁體積損耗密度分布如圖9所示，兩種截面引下線在雷電流下的最高溫升見表6。

圖9 截面為40mm×6mm的引下線在3.1ms時刻的電磁體積損耗密度分布

表6 兩種截面引下線在雷電流下的最高溫升

5 結論

本文利用COMSOL及ATP-EMTP建立石墨基柔性接地裝置的仿真模型，計算其工頻接地電阻及大電流下的溫升，得到以下結論：

1）相同電壓等級下，應用于高土壤電阻率區域的石墨基柔性接地裝置可通過延長射線長度、鋪設水平降阻布來降低工頻接地電阻，使其達到桿塔接地電阻的設計要求。

2）在特高壓輸電線路中，工頻接地短路引起的接地裝置溫升遠大于雷電流引起的溫升，是考核接地裝置性能的重要指標。

3）應用在特高壓輸電線路中的石墨基柔性接地裝置，需要增大石墨截面積降低電流密度，從而降低大電流下的溫升。

[1] 王春杰, 祝令瑜, 汲勝昌, 等. 高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發展[J]. 電瓷避雷器, 2010(3): 35-46.

[2] 胡元潮, 李光杰, 安韻竹, 等. 基于平面復合降阻材料的桿塔基礎接地降阻研究[J]. 水電能源科學, 2020, 38(2): 176-180.

[3] 程育林, 方鵬, 江雷, 等. 垂直接地極對輸電線路桿塔接地電阻的影響效果[J]. 湖南電力, 2020, 40(1): 6-10, 19.

[4] 李光杰, 胡元潮, 李勛, 等. 基于柔性石墨接地體的塔基外敷降阻研究[J]. 智慧電力, 2020, 48(8): 116- 122.

[5] 李文琦, 胡元潮, 趙文龍, 等. 擴徑石墨復合接地材料的接地體散流特性研究[J]. 電瓷避雷器, 2020(4): 68-74, 79.

[6] 李鳳和. 論金屬和非金屬材料柔性接地的實際應用[J]. 中國金屬通報, 2019(8): 188-189.

[7] 孫長海, 尚京城, 吳鍵, 等. 新型長壽命復合接地系統研究及應用[J]. 電瓷避雷器, 2019(4): 80-86.

[8] 曾挺, 吳哲, 孔祥美, 等. 柔性石墨纜在山區線路桿塔接地中的應用[J]. 電氣技術, 2020, 21(3): 130-132, 136.

[9] 肖微, 胡元潮, 阮江軍, 等. 柔性石墨復合接地材料及其接地特性[J]. 電工技術學報, 2017, 32(2): 85-94.

[10] 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范: GB/T 50064—2014[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2014.

[11] 商志偉. 桿塔接地裝置散流分布與沖擊接地電阻規律的試驗研究與仿真分析[D]. 武漢: 華中科技大學, 2016.

[12] 黃歡, 郭潔, 魏琪, 等. 桿塔沖擊接地阻抗的有限元分析[J]. 高壓電器, 2019, 55(4): 217-222.

[13] 郭軼磊, 趙自威, 張康偉. 高土壤電阻率下的新型石墨接地材料沖擊特性仿真分析[J]. 電力學報, 2019, 34(1): 1-6.

[14] 肖微, 黃道春, 阮江軍, 等. 石墨基柔性接地體與金屬接地體沖擊接地性能對比[J]. 高電壓技術, 2018, 44(12): 3808-3813.

Research on applicability of graphite-based flexible grounding device in transmission line

ZHANG Guofeng1HUI Kang2WU Kongyong1GUO Jie2

(1. He’nan Star Electric Power Equipment Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461503; 2. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Graphite based flexible grounding materials are used in transmission line tower grounding body because of their stable chemical properties, excellent corrosion resistance and good compatibility with soil. However, their adaptability must be determined according to the transmission energy, tower position and operation environment of transmission line. In this paper, the finite element simulation models of different transmission line tower grounding devices are established, and the corresponding grounding resistance is calculated. According to the value of grounding resistance, using ATP-EMTP software, the current flowing through the grounding device under grounding short circuit and lightning impulse current and temperature rise are calculated. The applicability of graphite based flexible grounding device in transmission line is studied from two aspects of grounding resistance, temperature rise under power frequency short circuit current and lightning impulse current. The research results show that the power frequency grounding resistance required by the regulations meets the requirements of transmission line tower grounding resistance, but in case of single-phase grounding short-circuit fault of UHV transmission line, the failure of protection will make the temperature rise of grounding device exceed the limit value.

transmission line; graphite-based flexible grounding device; power frequency grounding resistance; temperature characteristics

2021-03-13

2021-04-15

張國鋒（1987—），男，安徽亳州人，學士，工程師，主要從事石墨接地材料的開發與應用工作。