输电线路自然接地体应用探讨

输电线路自然接地体应用探讨

刘洋

中国电建集团吉林省电力勘测设计院有限公司 吉林 长春 130022

摘要：输电线路杆塔接地装置是输电线路的重要组成部分，其作用是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，提高运行可靠性和避免跨步电压产生的人身伤害。对输电线路杆塔接地装置进行规范管理和维护，确保接地装置完整性是降低输电线路雷击跳闸率的有效措施，降低接地装置接地电阻是提高线路耐雷水平的主要措施。接地装置由接地体和接地引下线组成，接地电阻是指接地体散流电阻、接地引下线电阻和接触电阻的总和，接地体也称接地网。输电线路遭受的雷击电流是通过杆塔的接地装置泄入大地的，是泄导雷击电流的主要部分；而接地引下线是指从杆塔接地孔至地下接地射线之间的那段连接线，它的作用是通过杆塔自身（或安装的杆塔接地外引装置）连接避雷线以及下地转地网，使雷击电流能通过杆塔自身（或安装的杆塔接地外引装置）、接地引下线流入到接地网中，以便泄放雷击电流。

关键词：输电线路;自然接地体;应用

引言

输电线路的雷击过电压可以分为两类，第一类是感应过电压，是雷击线路附近的大地时，在输电线路上引起的感应过电压;第二类是直击过电压，由雷电直接击中输电线或者线路杆塔引起。运行研究表明，感应过电压只对35kV等级以下的输电线路运行造成威胁，而直击过电压对于高电压输电线路的安全稳定运行危害最大。为了减小雷击引起的输电线路故障，人们采用了各种防雷措施，如架设避雷线、降低杆塔冲击接地电阻、装设线路自动重合闸装置、安装线路避雷器等。根据国内外对于输电线路的防雷研究，电压等级在110kV及以上的高压输电线路，降低杆塔冲击接地电阻是提高耐雷水平、降低雷击跳闸率最为有效且经济的方案，由此可见，对于输电线路的防雷保护工作主要集中在接地体优化设计和降低冲击接地电阻方面。

1电磁特性分析

在２０℃下铜的电阻率为１．７５×１０^－８Ω·ｍ，钢材质接地材料电阻率一般为铜的８～１０倍，取１．７５×１０^－７Ω·ｍ．在高频电流作用下，铜包钢由于趋肤效应，其导电性接近于纯铜，远高于钢材料．铜是一种铁磁性金属材料，相对磁导率为１；而钢、镀锌钢为铁磁性接地材料，电导率较高，但磁导率较大，相对磁导率通常取为６３６，铜包钢的相对磁导率介于铜材料和钢材料之间，受镀层厚度的影响．石墨是导电性良好的非金属材料，通常取３．２５×１０^－５Ω·ｍ作为石墨复合接地材料的本体电阻率，由于石墨复合接地体是一种抗磁性非金属材料，其相对磁导率近似为１．接地体相对磁导率越大，分布在接地体表层的电流密度就越大，趋肤效应也就越明显．接地体的电导率越高，接地体的趋肤深度越小，从而有效散流面积越小，导体材料的利用率不高．为了更加直观清晰地观看不同接地材料的趋肤效应，采用ＡＮＳＹＳ对比分析不同材料的接地体在排散高频电流时的趋肤效应，取二维接地体模型如下：假设截面半径为０．０１ｍ、长度为１ｍ的接地体，入端电流幅值为１ｋＡ，电流频率ｆ取50HZ．接地材料分别采用铜、４５＃钢以及石墨复合接地材料．计算中取铜材质接地体电阻率为１．７５×１０－８Ω·ｍ，相对磁导率为１，钢材质接地材料电阻率一般为铜的８～１０倍，取１．７５×１０－７Ω·ｍ，相对磁导率为６３６，石墨复合接地材料的电阻率为３．２５×１０－５Ω·ｍ，相对磁导率为１．

2输电线路自然接地体应用探讨

2.1接地体连接方式的发展

2005年以前的相关规范只规定了接地体采用焊接连接这一种方式，但2005年以后的规范增加了接地体可采用压接连接的方式，《输变电工程架空导线及地线液压压接工艺规程》：当圆钢采用液压连接时，接续管的壁厚不得小于3mm，对接长度不得小于圆钢直径的20倍，搭接长度不得小于圆钢直径的10倍，接地用圆钢如采用液压方式连接，其接续管的型号与规格应与所压钢筋相匹配。规范已允许接地体采用液压方式连接，并规定了接续管的壁厚和长度要求，但由于推广不足以及相应接续管产品（直通、三通管）尚无相应厂家批量生产，所以在设计、施工时期，输电线路接地体连接方式绝大部分仍然采用焊接方式。但是现场焊接存在运输困难、接地体不易平直敷设等问题，若采用气焊方式需要氧气瓶、乙炔瓶等，采用电焊时需要发电机、电焊机、电缆盘、油桶等设备，作业设备多，运输量大，操作复杂，易烧损焊接处接地体表面，安全风险大等。而液压连接方式具有施工设备少、体积小、重量轻、操作简单、对接地体无破坏、安全风险小等优点，所以接地体采用液压连接方式值得推广。

2.2自然接地体在输电线路中的应用

由于自然接地体具有制作方便、稳定性高、使用寿命长等优点，在实际工程中应用逐步增多。将接地引下线的位置从传统的与杆塔塔腿底部连接调整为和杆塔基础底部相连接，将杆塔基础作为自然接地体，使自然接地体与人工敷设的垂直接地极和水平接地系统相连，充分发挥了基础混凝土和基础钢材的散流作用，有效降低杆塔接地电阻，减少接地材料的用量，同时避免接地装置遭受盗窃和破坏。在山区等运输困难、难以施工的塔位，采用碳纤维导电混凝土取代常规混凝土，利用杆塔基础作为自然接地体，可以减少人工接地体的开挖量，降低工程造价。碳纤维导电混凝土一般由胶凝材料、导电材料、介电骨料和水等成分组成，按照一定配比并加入碳纤维材料混合凝结而成的复合材料，既保持了结构材料的性能，又具有导电材料的特性，耐腐蚀性好。在人工接地体数量不变的情况下，杆塔基础采用碳纤维导电混凝土可使降阻、散流效果更优。近年来出现的非金属石墨复合接地材料具有导电散流性、抗腐蚀性好，安装敷设简单便捷等优点，将其作为自然接地的辅助材料可起到更好的降阻效果。根据土壤和地下水位情况，利用非金属石墨复合接地材料采取上段、中段、下段外敷以及基础外表完全敷设等不同形式，增强自然接地体的散流作用。接地电阻受外敷半径和塔基埋设深度影响很大，随着外敷半径和塔基埋设深度的增加，接地电阻逐渐降低。

2.3接地材料ＬＣＣ分析

实际工程中，输电线路杆塔接地网仍多采用扁铁、圆钢、镀锌钢等易腐蚀金属材料，特别是在酸、碱、盐含量较高以及含水量较大的土质地区，一般５～７年就需要改造甚至更换杆塔接地网，全寿命周期成本大为增加．铜包钢接地材料对铜覆盖层的加工工艺要求较为严格，增加了生产成本．铜包钢接地材料的价格介于镀锌钢和纯铜之间，以镀铜钢接地棒为例，每吨约２万元．另外，铜材作为接地体，会加速接地体周围其它材质金属管道的腐蚀，因此其在地下多金属管道的城区的使用具有局限性．

结语

１） 新型石墨接地材料拥有良好的电磁特性，其耐腐蚀性能优于钢、铜等金属接地材料，能够满足实际工程应用需求．２） 新型石墨接地体冲击接地性能优越，能够承受多次雷电流冲击，具有良好的动热稳定性．３） 新型石墨接地体价格低廉，使用寿命长，基本不需后期维护改造，能大幅降低输电线路接地工程成本．４）鉴于柔性石墨接地材料的优越性能，在今后的实际杆塔接地材料选择当中可以充分考虑应用这一优良接地材料．５）对于柔性石墨接地材料的火花效应和冲击接地性能方面在今后可以有进一步研究．

参考文献

[1]刘宇彬,周伟,等.导电混凝土技术对山区输电线路接地降阻作用研究[J].山东电力技术,2020,4.

[2]程建华.特高压输电线路接地型式研究[J].数字通信世界,2018,10.

[3]尹志强,杨程,杨利伟.架空输电线路接地装置的优化设计[J].广西电力,2020,6.