基于经济合理性输电线路接地型式选择研究

基于经济合理性输电线路接地型式选择研究

贾永兵

（湖南送变电勘察设计咨询有限公司（国网湖南经研院设计中心）湖南长沙410000）

摘要：随着社会经济迅速发展，对于输电线路接地型选择的要求也越来越高，为了确保雷电流可靠泄入大地、保护线路设备绝缘、减少线路雷击跳闸率和提高线路运行可靠性的作用，输电线路选择就很重要。本文笔者根据多年的工作经验，结合实例阐述了自己的观点，仅供同行参考。

关键词：输电线路；接地型；合理性；经济

1输电线路杆塔接地电阻的要求

1.1进、出线段杆塔接地要求

进、出线段杆塔由于距离变电站的距离较近，因此进、出线段前几基杆塔通常是电力系统防雷保护的重点区域。对频繁发生雷击事故的进线段杆塔进行调研研究发现，“反击”事故发生的杆塔大多存在接地电阻过高的问题，特别是位于地形、地势复杂、土壤电阻率高的山区变电站的进出线段杆塔，由于受山区地形的影响，前几基杆塔往往有大跨越、大档距存在，接地电阻连续偏高的问题较为常见。因此，对于进、出线段的输电线路杆塔的接地，除了应极力避免出现接地电阻连续偏高的情况，还需对降低输电线路杆塔接地装置、避雷器、避雷线的接地引下线处局部冲击接地电阻采取应有的措施。

1.2水田等地区杆塔接地要求

水田等地区输电线路杆塔基础的建设受占地面积的影响较大。例如地形相对平缓地区的输电线路，由于线路所经区域大多为地势开阔地带，周围没有高耸建筑物、丘陵及高山等，较之于山区线路，地质通常以粘土、沙土为主，土壤没有明显断层，且该地区是主要耕作区域，输电线路接地设计通常涉及到青赔问题，因此水田等地区输电线路的接地通常要求建设面积较小。

对于本工程而言，部分线路区段路经水田、旱地等经济作物用地，土壤电阻率不大于1000。如何在占地面积有限的情况下进行有效的降阻设计，是本部分接地装置设计的重点。

1.3岩石地区输电线路杆塔接地要求

岩石地区地形地貌条件复杂，土质多为岩石，土壤较少，交通不便。因此岩石地区输电线路杆塔接地通常具备以下两个特点：一是由于土壤以岩石为主，因此杆塔周围土壤的电阻率高，通常在1000Ω•m以上；二是由于岩石地区地貌条件对输电线路杆塔建设带来较大的施工难度，可铺设接地射线的面积有限，采用常见水平接地结构的接地型式较为困难，因此，如何对高土壤电阻率条件下进行接地降阻是山岩地区杆塔接地设计的最大难题。

1.4土质山区输电线路杆塔接地要求

土质山区输电线路的杆塔接地电阻受接地装置结构、土壤结构的影响较大。与岩石地区输电线路的杆塔接地装置不同，这类地区的土质结构多变，土壤类别包含砂土，土夹石，下层砾石等，土壤分层明显。因此，为了便于施工，土质山区的输电线路杆塔接地通常采用水平接地极，然而由于土壤电阻率的不同，接地装置对周围土壤的散流能力也大相庭径。

2输电线路杆塔的接地方式

2.1常用接地方式

1）普通接地装置型式推荐采用接地框加水平接地射线的型式，接地体及接地引下线采用热镀锌Φ12圆钢；

2）对岩石裸露等高土壤电阻率地区，接地型式采用接地框加水平射线，土壤电阻率高于2000Ωm地区加垂直接地体，垂直接地体周围填充降阻剂；

3）采用镀锌圆钢接地装置时，土壤电阻率高（ρ≥2000Ω•m）的杆塔，推荐采用加装降阻接地模块；

4）塔位附近有路、地下电缆、光缆等障碍物时，接地装置射线需朝远离障碍物的方向敷设；

5）对基础露出高度超过1.5米的塔位，对接地引下线应采取固定措施；

6）接地放射线的埋设深度在平地及耕种地区不小于0.8m（并应保证在耕作深度以下），山地不小于0.6m，岩石地区不小于0.3m，接地线下垫0.1m厚素土；

7）在必要且有条件的地方，将杆塔的接地装置互连起来，以提高其防雷性能。若在杆塔附近有土壤电阻率较低地带，可采用引伸接地方式。

3降低水田杆塔接地电阻方法

3.1立体环状均压接地装置的设计

本工程接地方案可选择的接地装置为四个塔基接地装置构成的内环和外围均压接地装置共同构成，实现降低杆塔接地电阻以及均压的效果；塔基接地装置由上层中空立体圆环状接地装置、中层垂直连接体、下层底部圆环以及圆环结构外周焊接水平放射极构成；上层中空立体圆环状接地装置由圆钢构成立体圆柱状，中间填充回填土，圆柱直径一般取0.4m；中层垂直连接体，一般使用圆钢材质，高度约0.8m；下层圆环水平放射式结构由底部圆环外围焊接六个等长等间距的水平放射极；为了扩大接地体的有效长度，增加散流性能，在立体环状装置的底部四个侧面以及钢筋笼与基础之间的剩余空隙根据周围土壤电阻率大小选择使用细土回填。

3.2立体环状均压接地装置的特点

1）增大接地装置的导电截面

利用杆塔基础作为自然接地方法中采用立体均压接地装置包裹于基础周围的方法，相当于增大了杆塔基础的横截面积，扩大了接地导体与土壤的接触面，形成更大的有效导电截面，从而起到降低接地电阻的目的。

2）改善接地体对故障电流的散流效果

该接地装置采用具有较好散流性能的直径为16圆钢在杆塔基础四周焊接而成。接地装置所采用的钢筋笼与混凝土基础相比，由于是金属良导体与土壤直接接触，其接触电阻和散流电阻比混凝土与土壤的接出电阻和散流电阻小得多，在立体环状接地装置四周施加低电阻率、高防腐性、较强吸水性和保水性、以及很好的扩散渗透性等性能的降阻剂后，会改善基础周围的土壤电阻率。另外，由于装置底层使用水平放射极，可进一步扩大接地装置的有效散流半径以及散流通道。因此，利用杆塔基础作为自然接地体能有效改善雷电流等故障的散流效果。

3）占用空间少，便于施工

利用杆塔基础作为自然接地体的降阻装置，在常用的水平放射形接地极铺设困难或者无法铺设的场合，该接地装置的降阻效果明显。施工时只需在原有基坑基础周围开挖部分土方，对于新建线路的杆塔基础，则可与基础同时施工，不需要重新开挖土方，即可在较小空间的情况下，达到规程要求的降阻效果，提高了施工效率，也减少了接地基础的开挖量。

图1立体环状接地体效果图

3.3立体环状均压接地装置的技术经济分析

通过实际工程算例对比分析在相同土壤条件下需达到同样降阻效果的水平放射接地极与土方开挖量及占地面积。

设一输电线路铁塔周围土壤电阻率ρ=500Ωm，现按照规程要求要将其接地电阻设计为，对其进行分情况设计。

情况一：采用放射形接地装置

图2放射形接地装置意图

图2为放射形接地装置示意图，接地导体采用圆钢，埋设深度m。按照规程取单根射线长度，接地体边长，取形状系数，经计算得：

整个工程需要用到材料用量见表5.3-2。

表5.3-2水平接地极主要材料用量表

按照规程取单根射线长度，接地体边长，埋深为0.6m时，该工程中架设一级杆塔除杆塔基础的开挖量以外，水平接地极的土方开挖量为：

情况二：采用立体均压接地装置

在相同条件下分析立体均压接地装置的材料用量情况。设杆塔基础接地装置的高度l=1.2m，圆环半径r=2m，埋设深度h=0.6m。代入上式，则有R=27.13Ω。各塔腿间的相互屏蔽系数取η=1.2，则杆塔的总接地电阻为

每基杆塔使用四个立体均压接地装置时：

每基杆塔使用2个立体均压接地装置时：

整个工程需要的材料见表5.3-3。

表1.3-3采用杆塔基础接地装置主要材料用量表

由以上分析可知，在材料用量方面，利用杆塔基础接地装置中立体环状半径需根据实际情况而定当与水平放射接地装置相比较而言，达到相同降阻效果的前提下，两者在主材使用方面相差不多，但是利用杆塔基础接地装置每级杆塔可减少约55.2m3的开挖量，大大减小了工程量，另外减小了占地面积，当杆塔处于农田内时，节省了青苗补偿费用。因此利用立体均压接地装置的经济性价比较高。

4降低岩石地区杆塔接地电阻的方法

岩石山区线路杆塔的接地通常具有土壤的电阻率高和水平外延接地体难以铺设的特点。因此，对于杆塔周围土壤电阻率居高不下的岩石山区的输电线路，本工程建议岩石山区等高电阻率地区推荐使用立体环状均压接地装置配合石墨柔性接地电极的方法降低杆塔接地电阻。

4.1石墨柔性电极特点

石墨基柔性接地材料具有天然的抗腐蚀性能，适应所有恶劣土壤环境，可彻底解决各类接地设施由于接地体腐蚀、偷盗等引起的接地不稳定问题，技术经济性能优良，实现接地工程长效免维护。石墨基柔性接地体具有以下特点：

1）抗腐蚀

接地体材料组成成分具有长久耐腐性。石墨具有良好导电性，能耐受酸、碱、盐溶液和海水的长期腐蚀，可在-200℃～800℃温度范围内安全使用。碳纳米管及高强纤维具有耐腐、耐热和阻燃性，在杂散电流作用下不发生电解反应。

2）土壤结合性强

金属类接地体截面小，表面光滑，有韧性，难以和土壤结合紧密。石墨基柔性接地体截面打，表面粗糙且有柔性，和土壤结合紧密，随土壤一起蠕变不脱离。

3）非磁性材料大大延长有效接地长度

石墨基柔性接地体为非导磁材料，在工频及雷击电流冲击下其有效散流长度远

4.2石墨柔性电极经济性分析

经济效益高，一次投入，长期稳定，避免接地改造的重复性投入，节约人力物力，全寿命周期成本（LCC）最低。

4.3石墨柔性电极社会效益分析

每制造一吨钢材等同于消耗240kg标准煤及3.5吨新水，同时排放600kg左右的CO2，30kg左右的SO2和NOX及160kg左右的炭灰，环境污染较重。而石墨基柔性接地体制造耗能低，排放少，且使用不造成土壤污染。因此本工程岩石山区土壤电阻率较高区段推荐使用石墨柔性电极加立体环状均压接地装置的方法进行降阻。

5结论

一般情况及土壤电阻率不高（ρ≤2000Ωm）接地装置型式宜采用接地框加水平接地射线的型式，接地体及接地引下线采用热镀锌Φ12圆钢；

水田、旱地等经济作物用地，为改善冲击电流散流效果及要求建筑占地面积较小等，宜采用用立体环状接地均压装置；

在土壤腐蚀较严重的区域地区宜采用铜覆钢接地装置时，土壤电阻率高（ρ≥2000Ωm）的杆塔，宜加装降阻接地模块；

对岩石裸露等高土壤电阻率（ρ≥2000Ωm）地区，宜使用立体环状接地均压装置配合使用石墨基柔性接地材料；

参考文献：

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