森林草原火災高危和高風險區架空輸電線路接地裝置方案優化研究

梅吉明，張 馳，李 霖，韓 虎

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

架空輸電線路常用的桿塔接地體主要有鍍鋅圓鋼、接地模塊、銅覆鋼(鍍錫銅覆鋼)、緩釋離子棒、柔性石墨等，而連接方式主要有焊接、液壓壓接、螺栓連接及石墨鎧裝連接等。鍍鋅圓鋼是架空輸電線路工程中最常用、最經濟的一種接地材料，其連接根據規范主要采用電弧焊接形式，連接可靠，施工方便。但對于高危、高風險的林區，此種施工工藝帶來了新的森林防火問題，需要重點關注解決。考慮到四川攀西地區絕大部分縣市均為森林火災的高危區和高風險區，為滿足森林草原防火的要求，避免電弧焊接過程中產生的火花引燃施工區附近的枯枝落葉，有必要對森林草原火災高危和高風險區架空輸電線路接地裝置方案進行優化研究，以選擇適用森林火災高危、高風險區的輸電線路接地裝置。

1 常規接地裝置連接方式

根據GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》、DL/T 248—2012《輸電線路桿塔不銹鋼復合材料耐磨蝕接地裝置》要求，常規接地裝置的連接主要有焊接、液壓連接及螺栓連接。液壓連接“一”字型接地壓接頭如圖1所示。液壓連接“T”字形接地壓接頭如圖2所示。在圖中，L為壓接管長度；D為壓接管直徑；δ為壓接管壁厚；H為“T”字形壓接頭高度。

圖1 液壓連接“一”字型接地壓接頭

圖2 液壓連接“T”字形接地壓接頭

根據焊接工藝不同，接地裝置焊接又可分為電弧焊接和放熱焊接。電弧焊接是利用高壓電弧在空氣中放電燃燒，將電能轉換為焊接所需的熱能，從而實現工件的導電連接。放熱焊接是利用鋁和氧化銅的氧化還原反應所產生的熱量將被焊接的工件熔化形成分子連接，整個過程持續時間很短，需在特定模具中進行。放熱焊接是一種簡單、高效、高質量的金屬連接工藝。

液壓連接具有無明火、無高溫等優勢，在森林草原火災高危區接地裝置連接方面有較高的適用性。根據GB 50233—2014《110～750 kV架空輸電線路施工及驗收規范》中規定，液壓連接管的連接長度不應小于圓鋼直徑的20倍，搭接長度不應小于圓鋼直徑的10倍，連接管壁厚不應小于3 mm，其型號、規格應與接地體匹配。

螺栓連接類似于導地線的并溝線夾連接，施工方便、經濟性好，但相關規范中均未推薦采用。參考國外工程規程規范，其應用較多，接地體(線)大多采用鍍鋅鋼絞線或鍍鋅圓鋼，連接采用并溝線夾螺栓連接，但存在連接不可靠、接觸電阻較大、安裝時鍍鋅層易被破壞而腐蝕、使用壽命不長等問題。

2 新型接地裝置方案

為提高降阻效果及防腐性能、減少接地開挖工程量、保護生態環境和降低全壽命周期成本，需要開展新型接地裝置研究，因地制宜地采用經濟合理的接地裝置。目前，已應用于工程實際的新型接地型式主要有銅覆鋼接地、石墨基柔性復合接地等。

2.1 銅覆鋼接地裝置

銅覆鋼是通過連續電鍍或連續電鑄工藝，將99.9%的電解銅分子均勻覆蓋在鋼芯上，銅、鋼分子緊密結合的新型接地材料[1-2]。銅覆鋼具有電阻低、強度大、耐腐蝕性強、使用壽命長等特點，主要用于換流站、變電站、大型建筑物接地網，由于前期投資較大，易被盜，并且由于缺乏輸電線路運行經驗而較少應用于供配電線路中。

銅覆鋼接地裝置的連接需要采用放熱焊，由于會產生大量的熱和火星，因此不建議在森林和草原火災高危區和高風險區應用，但可以在土壤電阻率不大于2 000 Ω·m的森林和草原火災一般地區采用。

2.2 石墨基柔性復合接地裝置

石墨具有原材料豐富、導電性能好、生產加工成本低、無污染等優點。同時，石墨基柔性復合接地裝置因具有降阻效果好、抗腐蝕性強、運輸方便、易施工、使用壽命長等特點而逐漸被廣泛應用。

石墨基柔性復合接地材料由于自身非金屬的特質，不受土壤條件的限制，在酸、堿性腐蝕土壤中的腐蝕程度很小，接地電阻穩定，防腐蝕性能優于現行的鋼、不銹鋼、銅等金屬接地材料。由于石墨屬于惰性導電元素，其電位高于很多金屬材料，如鋼、銅、鋅、不銹鋼等，如果與地下管網(鋼制)埋設距離較近，在含水的土壤中，容易對鄰近的地下管網產生電位差腐蝕。為避免這一情況，石墨之間的連接件應采用非金屬材質，壓接長度不小于接地體直徑的6倍。石墨基柔性接地體之間的連接應采用專用夾具，石墨基柔性接地體兩兩搭接重疊放置，重疊部分不少于180 mm。石墨基柔性接地體始終需要與鐵塔的塔腿進行連接，針對不同導電材料連接產生的電化學腐蝕問題，石墨接地引下線采用鎧裝型式。

3 接地連接方式年費用比較

焊接、螺栓連接、液壓連接三種常規接地裝置連接方式優缺點對比如表1所示。接地材料比較如表2所示。

表1 接地連接方式優缺點對比

表2 接地材料比較表

由于銅覆鋼的連接需采用放熱焊，不適用于森林草原火災高危和高風險區，本文僅選擇鍍鋅圓鋼、鍍鋅圓鋼+模塊以及石墨三種接地裝置進行年費用比較。各種接地材料單基費用如表3所示。

表3 各種接地裝置單基一次投資費用 元

假設鍍鋅圓鋼接地使用壽命分別為10年和20年，石墨接地使用壽命為40年。資金折現率取8%。年費用計算結果如表4和表5所示。

從表4和表5可以看出：在土壤電阻率較低的地區，采用鍍鋅圓鋼(壓接)或鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)接地型式相對石墨接地仍具有一定的經濟優勢；在土壤電阻率超過2 000 Ω·m且土壤腐蝕性較強時，鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)更換周期短，鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)的年費用較石墨的年費用高。

表4 各種接地裝置年費用對比(鍍鋅圓鋼更換周期10年) 元

表5 各種接地裝置年費用對比(鍍鋅圓鋼更換周期20年) 元

4 結語及建議

架空輸電線路工程主要依據土壤電阻率、地形地質條件、運輸條件及土壤腐蝕性來選擇接地裝置。

根據以往工程經驗及近年來石墨接地材料的推廣應用，經技術經濟比較，建議：在土壤電阻率較低、腐蝕性強的地區，埋設接地體更換難度較大的塔位時，應根據實際情況選用石墨基柔性復合接地；在森林草原火災高危和高風險區域，當土壤電阻率小于2 000 Ω·m時，推薦采用鍍鋅圓鋼(壓接)或鍍鋅圓鋼+模塊(壓接)接地型式；當土壤電阻率大于2 000 Ω·m時，推薦采用石墨接地裝置。