雷電沖擊下導電混凝土基礎接地電阻及其安全性研究

方鵬， 賈永兵， 劉宇彬， 馮新軍

(1.國網湖南省電力有限公司， 湖南 長沙410004；2.湖南經研電力設計有限公司， 湖南 長沙410007；3.長沙理工大學， 湖南 長沙410114)

0 引言

大多數輸電線路桿塔位于野外空曠地帶， 容易遭受雷電沖擊造成輸電線路故障。 為了保持輸電線路的安全穩定運行， 對輸電線路采取有效的防雷接地措施非常重要[1-3]。 目前， 我國普遍采用圓鋼、扁鋼、 角鋼等金屬材料作為輸電線路桿塔接地材料， 但是這些金屬材料耐腐蝕性差， 容易年久失效， 導致接地電阻增大， 嚴重降低了接地網的接地性能， 為輸電線路安全穩定地運行埋下了隱患， 并大大增加了后期的維護和改建費用[2-5]。

20 世紀90 年代以來， 各國研究人員對混凝土性能的提升做了大量工作， 創造性研發了導電混凝土。 經過十多年的研究， 導電混凝土的制備技術已經相對成熟， 導電混凝土已經開始應用在輸電線路桿塔的接地工程中[6-10]。 影響輸電線路抗雷電沖擊能力最敏感的因素是桿塔接地電阻， 對輸電線路進行防雷保護的一個重要措施就是降低桿塔接地電阻[11-14]。 因此， 對導電混凝土基礎接地裝置進行優化以降低沖擊接地電阻就顯得非常重要。 另外，當輸電線路遭受雷電沖擊時， 雷電流注入桿塔頂部， 沿著塔身迅速進入導電混凝土基礎和接地體散流入地。 因此， 需要研究雷電流的進入是否會影響導電混凝土基礎的穩定性和安全性。

1 導電混凝土基礎接地建模

參考湖南省110 kV 等級輸電線路桿塔基礎的常用結構， 導電混凝土基礎采用直柱型板式基礎，根開取10 m， 基礎主筋為直徑25 mm 的熱軋帶肋鋼筋； 接地體由方形導體和射線導體組成， 導體為直徑10 mm 的圓鋼， 埋深0.7 m。 在CDEGS 軟件中構建110 kV 輸電線路桿塔導電混凝土基礎接地系統模型， 如圖1 所示。 該模型包括導電混凝土基礎、 基礎中的鋼筋、 靠近基礎的接地體和雷電激勵源四個部分。

圖1 110 kV 輸電線路桿塔導電混凝土基礎接地系統模型

為獲得沖擊接地特性優良的接地方案， 設計兩種導電混凝土基礎接地方案進行對比研究: 第一種方案是接地體與導電混凝土基礎共同采用， 通過連接線連接基礎鋼筋和接地體； 第二種方案是取消接地體， 直接采用導電混凝土基礎自然接地。 在CDEGS 軟件的MALZ 模塊中建立兩種接地方案的模型， 如圖2 所示。 建立模型后， 在CDEGS 軟件的激勵模塊中設定雷電流激勵， 采用(2.6/50) μs波形作為雷電流的標準波形， 雷電流幅值取10 kA，仿真研究桿塔導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響因素， 并分析不同接地方案導電混凝土基礎的熱力學特性。

圖2 導電混凝土基礎自然接地示意圖

2 導電混凝土基礎沖擊接地電阻仿真研究

2.1 土壤電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

目前用于桿塔基礎的接地導電混凝土電阻率一般為1 ～100 Ω·m[1-6]， 分別固定導電混凝土電阻率 為1 Ω·m、 10 Ω·m、 20 Ω·m、 50 Ω·m、100 Ω·m， 依 次 在 200 Ω·m、 500 Ω·m、1 000 Ω·m、 1 500 Ω·m、 2 000 Ω·m、 2 500 Ω·m、3 000 Ω·m土壤電阻率下注入雷電流， 分別計算桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻， 如圖3 所示。

圖3 土壤電阻率對不同導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

如圖3 所示， 隨著土壤電阻率的增加， 兩種方案的導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均快速增大，說明無論是否加水平接地體， 土壤電阻率均對導電混凝土基礎沖擊接地電阻有很大影響。 土壤電阻率越大， 對桿塔導電混凝土基礎的散流越不利。 在相同土壤電阻率的情況下， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均低于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻。 隨著土壤電阻率的增大， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異越來越大。 當土壤電阻率低于1 000 Ω·m 時， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻接近于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻， 兩種方案的沖擊接地電阻之差不超過5 Ω·m， 建議采用導電混凝土基礎自然接地。 當土壤電阻率高于1 000 Ω·m時， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異較大， 建議同時采用接地體和導電混凝土基礎。

2.2 導電混凝土電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

分別固定土壤電阻率為200 Ω·m、 1 000 Ω·m、2 000 Ω·m、 3 000 Ω·m， 依次在1 Ω·m、 10 Ω·m、20 Ω·m、 50 Ω·m、 100 Ω·m 導電混凝土電阻率下注入雷電流， 分別計算桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻， 結果如圖4 所示。

圖4 混凝土電阻率對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

從圖4 可以看出， 隨著導電混凝土電阻率的增加， 兩種方案的導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均緩慢增大， 但是增長的幅度非常小， 最大增長幅度不超過0.2 Ω·m， 說明在導電混凝土正常電阻率范圍內， 導電混凝土的電阻率對兩種方案的桿塔導電混凝土基礎沖擊電阻基本沒有影響。 在相同導電混凝土電阻率的情況下， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻均比導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻更小。

2.3 接地體長度對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

針對方案一(同時采用接地體與導電混凝土基礎的接地模型)， 設定土壤電阻率為500 Ω·m，導電混凝土電阻率為100 Ω·m， 接地體長度分別取20 m、 40 m、 60 m、 80 m， 對桿塔導電混凝土基礎接地系統注入雷電流， 分別計算桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻， 結果如圖5 所示。

圖5 接地體長度對導電混凝土基礎沖擊接地電阻的影響

從圖5 可以看出， 當同時采用接地體和導電混凝土基礎時， 隨著接地體長度的增加， 桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻越來越小， 但在接地體長度超過60 m 后， 沖擊接地電阻降幅明顯減小并逐漸趨于穩定， 因此建議接地體長度取70 m。

3 導電混凝土基礎安全性仿真研究

3.1 同時采用接地體和導電混凝土基礎

在方案一(同時采用接地體與導電混凝土基礎的接地模型) 中， 將土壤電阻率設定為500 Ω·m，導電混凝土電阻率設定為100 Ω·m， 在4 個接地引線處分別加入幅值為10 kA 的雷電流激勵。 由于4 個導電混凝土基礎是對稱分布的， 并且在4 個基礎中的雷電流和磁場強度分布也是相同的， 所以只需分析其中的一個基礎。 桿塔雷電流的大部分通過接地體和基礎鋼筋的連接點進入導電混凝土基礎，所以和連接點位于同一個面的基礎鋼筋受力和受熱最大； 而在該平面中， 雷電流與磁場強度最大的區域是連接點附近的基礎鋼筋[15]。 因此， 只需仿真分析連接點附近的基礎鋼筋即可得到導電混凝土基礎鋼筋的最大受力與受熱。

雷電流注入面的電流和磁場強度分布如圖6 所示， 雷電流注入面的最大電流和磁場強度分別為672.832 A 和453.461 A/m。 根據畢奧-薩伐爾定律， 由基礎鋼筋中的電流和鋼筋所在位置的磁場強度即可計算鋼筋的受力其中I 為混凝土基礎鋼筋中的電流， l 為混凝土基礎鋼筋的長度， B 為鋼筋所在位置的磁場強度。 由于力的作用是相互的， 導電混凝土基礎的受力與鋼筋的受力大小相等、 方向相反， 所以可以得到對應每段鋼筋所在位置的導電混凝土的受力F = 0.383 N/m。

圖6 方案一中雷電流注入面的電流和磁場強度分布

將鋼筋電阻率設定為ρ=6.58 × 10-7Ω·m， 單位長度的鋼筋電阻為R=ρ×l/S=1.454× 10-3Ω·m，單位時間內產生的最大熱量為Q=I2×R=0.658 kJ；單位長度的橫向鋼筋重量M 為3.551 kg； 鋼筋的比熱容C 約為0.46 kJ/ (kg·K)； 因此導電混凝土基礎鋼筋溫升Δt = Q/ (C · M) = 0.658/(0.46×3.551) = 0.403 ℃。 計算導電混凝土基礎鋼筋溫升時采用的時間單位是s， 而雷電流的持續時間一般遠小于1 s， 所以導電混凝土基礎鋼筋實際溫升要小于0.403℃， 遠遠小于25℃， 因此導電混凝土基礎是穩定和安全的。

3.2 導電混凝土基礎自然接地

在方案二(導電混凝土基礎自然接地模型)中， 將土壤電阻率設定為500 Ω·m， 導電混凝土電阻率設定為100 Ω·m， 將幅值為10 kA 的雷電流注入導電混凝土基礎中， 仿真分析雷電流注入點附近的電流與磁場強度分布， 結果如圖7所示。

圖7 方案二中雷電流注入點附近的電流和磁場強度分布

提取出雷擊點附近的最大電流與磁場強度， 分別是3 545.203 A 和1 124.744 A/m。 根據畢奧-薩伐爾定律， 由最大電流和磁場強度可計算得到單位長度基礎鋼筋的最大受力F = 5.008 N/m， 單位時間內產生的最大熱量為Q=I2R=18.27 kJ； 因此導電混凝土基礎鋼筋溫升Δt=Q/ (C·M) =11.19℃。計算導電混凝土基礎鋼筋溫升時采用的時間單位為秒， 而雷電流持續時間一般僅有幾百微秒到幾十毫秒， 而因此導電混凝土基礎鋼筋溫升遠小于25 ℃，即方案二中的導電混凝土基礎也是安全的。

4 結論

1) 當土壤電阻率低于1 000 Ω·m 時， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻接近于導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻， 建議采用導電混凝土基礎自然接地。 當土壤電阻率高于1 000 Ω·m時， 同時采用接地體和導電混凝土基礎的沖擊接地電阻與導電混凝土基礎自然接地的沖擊電阻之間的差異較大， 建議同時采用接地體和導電混凝土基礎。

2) 在導電混凝土正常電阻率范圍內， 導電混凝土的電阻率對桿塔導電混凝土基礎沖擊電阻基本沒有影響。

3) 當同時采用接地體和導電混凝土基礎時，隨著接地體長度的增加， 桿塔導電混凝土基礎的沖擊接地電阻越來越小， 但在接地體長度超過60 m后， 沖擊接地電阻降幅明顯減小并逐漸趨于穩定，因此建議接地體長度取70 m。

4) 在受到雷電流沖擊時， 同時采用接地體和導電混凝土基礎時導電混凝土基礎的溫升遠小于導電混凝土基礎自然接地的溫升， 但這兩種接地方案的溫升都遠小于25 ℃， 因此都是安全穩定的。