導電混凝土在變電站接地工程中的應用

王繼軍

（湖南送變電勘察設計咨詢有限公司 湖南長沙 410000）

導電混凝土在變電站接地工程中的應用

王繼軍

（湖南送變電勘察設計咨詢有限公司 湖南長沙 410000）

根據《交流電氣裝置的接地》（DL/T621-1997）及《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB50065-2011）要求，依托商丘方平（中心）220kV變電站實際情況，對采用常規接地方式和采用導電混凝土接地方式降阻進行技術經濟對比分析，得出導電混凝土應用在變電站建設工程中的優越性。

導電混凝土；接地；降阻；變電站

1 商丘方平（中心）220kV變電站基本情況

1.1 站址情況說明及土壤電阻率

商丘方平（中心）220kV變電站站址位于商丘市東南市郊，地屬商丘市梁園區，站址位于吳河村以南、張謝莊以西、包河以東的三角范圍內；該站址區域處于黃河中下游沖洪積平原，總體地形平坦，地勢較開闊。變電站圍墻尺寸為72×47.5m，綜合配電樓尺寸為51×25.5m。

根據本次勘測資料，所址區內地基土由第四系沖洪積形成的粉細砂、粉土與粉質黏土組成。勘測期地下水位埋深5.0～6.0m，豐水期3.0～4.0m，枯水期8.0～9.0m，年變幅一般為4.0～5.0m。站址區域內土壤電阻率在40～50Ω·m之間，全站按均勻土壤電阻率考慮取45Ω·m。

1.2 接地允許值分析

其中I為入地短路電流，本站最大單相短路電流220kV側為22.522kA，考慮線路避雷線的分流系數0.5，變壓器中性點對接地短路電流的分流作用，入地短路電流計算得值為I=10245.5A。

1.2.1接觸電位差允許值

式中：ρf為地表土壤電阻率，本站取電阻率ρf=45Ω·m；T為接地短路電流持續時間，按主保護動作時間考慮，取t=0.12s。

1.2.2跨步電位差允許值

式中ρf及t取值同上。

2 導電混凝土的基本特性

2.1 導電混凝土的定義

導電混凝土是指由膠凝材料、導電相、介電骨料和水等組分，按照一定配比混合凝結而成的多相復合材料，是由導電相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制而成，具有規定的導電性能和一定力學性能的混凝土。

2.2 導電材料對混凝土強度的影響

目前常用于制作導電混凝土的導電組分材料主要有石墨粉、碳纖維、鋼纖維及鋼屑等。

石墨潤滑性較好，同時，其親水性較差，摻雜進混凝土中時界面結合力較小，從而降低了導電混凝土的強度。因此，以石墨作為導電相制備導電混凝土時，必須考慮工程應用中對導電混凝土的強度要求和電導率要求，找到二者最佳結合點。

碳纖維主要可分為兩大類：①以聚丙烯腈為原料制成的PAN基碳纖維；②以瀝青為原料制成的瀝青基碳纖維（P-CF）。由于PAN基碳纖維導線性能較好，接地應用工程中一般選用PAN基碳纖維作為混凝土導電材料，但其成本較高。

鋼纖維、鋼屑通常作為碳纖維導電混凝土的摻雜物，碳纖維混凝土中加入鋼渣后，纖維能夠連通鋼渣間的導電相，削弱鋼渣導電相間的屏蔽效應，使導電性能提高并有效減少碳纖維的使用量，降低導電混凝土的生產成本。同時，由于鋼渣中的氧化物顆粒具有較大的比表面積及反應活性，能有效改善混凝土內部空間結構，增強截面粘結力，從而提高混凝土的強度。

2.3 導電混凝土的特性

導電混凝土在普通混凝土中加入石墨、碳纖維、鋼渣等材料，在具有導電性能的同時還具有一定的力學性能。其主要特性如下：

（1）接地體的腐蝕主要發生在電子導電轉向離子導電的界面處。由于導電混凝土采用的是電子導電，不會產生離子導電時的電荷交換界面，可以有效防止接地體的腐蝕。

（2）導電混凝土在生產過程中可以加入膨脹劑，使導電混凝土在水化過程產生一定的體積膨脹和自應力，導電混弄土表面和土壤連接處結合緊密，可以有效的減少二者之間的接觸電阻。

（3）導電混凝土電子導電鏈的穩定性在干燥狀態時比潮濕狀態時大，其電阻率僅為潮濕狀態時電阻率的1/3，同時其強度能夠達到C40等級要求。

3 主接地網計算

3.1 接地極及接地線的截面選擇

接地裝置由設備接地引線及地網接地體組成，本站擬采用扁銅為接地材料。按照熱穩定條件，未考慮腐蝕時，接地線最小截面應符合以下公式：

式中：Sg——接地線的最小截面mm2；

Ig——流過接地線的最大短路電流穩定值，本站取10245.5A：

te——短路等效持續時間，te=tm+tf+t0，本站取0.6s；

C——接地線材料的熱穩定系數，扁銅取210。

由公式（4）可知，本站接地引線選用-40×4mm扁銅即可。

3.2 接地網工頻接地電阻計算

本站的接地網采用均壓帶等間距布置的形式，水平接地體采用40× 4mm扁銅，均壓帶間隔寬度取8m。根據規范計算方法，復合式接地網的工頻接地電阻值采用以下公式計算：

式中：Rn——任意形狀邊緣閉合接地網的接地電阻，Ω；

Re——等值方形接地網的接地電阻，Ω；

S——接地網的總面積，m2；

d——水平接地極的直徑或等效直徑，m；

h——水平接地極的埋設深度，m；

L0——接地網的外緣邊線總長度，m；

L——水平接地極的總長度，m。

本站接地網面積S=3384m2，等效直徑d＝0.02m，接地極埋深h=0.8m，周長L0=246m，均壓帶總長度L=902m，土壤電阻率ρ=45Ω·m。

將上述數據帶入公式（5）中，得Rn=0.393Ω。

Rn≥R，需校驗跨步電勢及接觸電勢。跨步電勢允許值要求接地電阻R跨步≤0.667Ω，接觸電勢允許值要求R接觸≤0.297Ω，通過上述計算可知，接地網的工頻接地電阻值滿足跨步電勢要求，但不滿足接觸電勢要求。

3.3 接地降阻處理措施

有效的降阻措施包括擴大接地網面積、水平接地體外延、深層接地網、接地井、降阻劑等。

3.3.1 擴大地網面積及水平接地體外延

外引擴網與外延水平接地極的降阻方式一般均需涉及到站外征地，征地費用較高，且政策處理麻煩；若不征地，外擴地網及外延水平接地極容易遭受外力破壞，因此在征地范圍以外采取上述措施降阻存在不確定因素，實施起來相對較困難。

3.3.2 接地井

接地井分為接地深井和接地斜井兩種，其本質分別是在垂直方向和水平方向增加接地網的面積。接地深井適用于變電站下層土壤電阻率較小的情況，其井深應到達低土壤電阻率地層，深入到地下水位層效果更好。

3.3.3 建筑物樁基礎采用導電混凝土

樁基礎采用預制樁，樁基礎深度為20m，直徑0.5m。本工程部分樁基礎混凝土采用導電混凝土，由于樁基礎的導電性能，每個樁基礎可等效為一個接地深井，接地極為預制樁。

4 降阻措施對比分析

根據前文計算，主接地網接地電阻為0.393Ω，需采取降阻措施使接地電阻降到0.297Ω以下。現對常規接地井降阻措施與導電混凝土樁基礎降阻措施進行技術經濟對比分析。

4.1 接地井降阻措施

考慮在變電站地網的邊角位置設置4根深度為15m的接地深井，每個井內埋設一根長約15m，直徑為φ50mm的鍍鋅鋼接地極。根據規范中的計算方法：

式中：Rv——垂直接地極的接地電阻，Ω；

ρ——土壤電阻率，Ω.m；

l——垂直接地極長度，m；

d——接地極的直徑或等效直徑，m。

將接地深井相關參數帶入公式（6），得單個接地深井的電阻為3.24Ω，4個接地深井的并聯電阻為0.81Ω；接地深井與主地網并聯后，變電站接地電阻為0.265Ω，滿足接觸電勢要求值。

4.2 導電混凝土樁基礎降阻措施

4.2.1 導電混凝土樁基礎在本工程中的應用方式

本工程綜合配電樓軸線尺寸為51×25.5m，考慮綜合配電樓四個角點樁采用導電混凝土，與主接地網并聯達到降阻的目的。

4.2.2 樁基礎接地電阻計算

由于樁基礎的導電性能，每個樁基礎可等效為一個接地深井，接地極為導電混凝土。根據土建專業提資，樁基礎長20m，直徑為φ500mm。根據規范中的計算方法：

式中：Rv——垂直接地極的接地電阻，Ω；

ρ——土壤電阻率，Ω·m；

l——垂直接地極長度，m；

d——接地極的直徑或等效直徑，m。

將相關參數帶入公式（7），得單個接地深井的電阻為1.708Ω，考慮樁基礎接地極間的屏蔽系數0.5，樁基礎與主接地網并聯后變電站接地電阻為0.269Ω，滿足接觸電勢要求值。

4.3 技術經濟比較

采用常規接地方式達到降阻目的，需使用15m接地深井4口。費用共計2.66萬元。

采用導電混凝土樁基礎達到降阻目的，需使用20m預制樁基礎4個。增加費用主要為添加進混凝土的石墨粉、碳纖維、鋼屑等導電材料。費用共計2.4萬元。

以上比較可知，商丘方平（中心）220kV變電站在建設過程中采用導電混凝土樁基礎降阻措施，費用比接地井降阻措施費用低。另外，由于樁基礎采用預制安裝方式，可以提前測量混凝土導電率，保障降阻效果，同時也可以減少建設周期。

5 結論

商丘方平（中心）220kV變電站在建設過程中采用導電混凝土，既能夠降低接地成本，達到降阻目的的同時又能夠減少建設周期。

不過在技術經濟比較過程中，不難發現，導電混凝土在本工程應用中的經濟效益并不明顯，造成這種情況的主要原因是本站站址范圍內土壤電阻率較低，導電混凝土的應用范圍受到局限，其在接地降阻應用中的經濟效果并不明顯。但在高電阻率、干燥地區，采用導電混凝土垂直射線敷設、水平射線敷設、或者路面外引敷設方式等，構成立體接地網，能夠顯著的達到降阻目的。隨著碳纖維等導電材料價格的降低，導電混凝土在變電站接地工程中的應用范圍將逐步擴大。

TM242

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1004-7344（2016）29-0057-02

2016-10-5