桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻和熱力學(xué)特性仿真研究

曾軍琴，周 偉，劉宇彬，馮新軍

（1.湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114）

0 引言

大多數(shù)輸電線路桿塔位于野外空曠地帶，容易遭受雷擊造成輸電線路故障。為了保持輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對輸電線路采取有效的防雷接地措施非常重要。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，長時(shí)間使用后易失效，導(dǎo)致接地電阻增大，嚴(yán)重降低了接地網(wǎng)的接地性能，為輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患，并大大增加了后期的維護(hù)和改建費(fèi)用［1-4］。

20 世紀(jì)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(chuàng)造性研發(fā)了導(dǎo)電混凝土。經(jīng)過二十多年的研究，導(dǎo)電混凝土的制備技術(shù)已經(jīng)相對成熟，導(dǎo)電混凝土已經(jīng)開始應(yīng)用在輸電線路桿塔的接地工程中［5-8］。影響輸電線路抗雷擊能力最敏感的因素是桿塔接地電阻，因此輸電線路防雷保護(hù)的一個重要措施就是減小桿塔接地電阻［9-12］。由于雷電流具有幅值大、等效頻率高的特點(diǎn)，導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)在雷電流作用下的沖擊接地電阻與工頻接地電阻有較大差別。因此，不能完全依據(jù)工頻電阻來評估桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的防雷效果，而應(yīng)在雷電沖擊條件下對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地電阻進(jìn)行研究。此外，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷電流注入桿塔頂部，沿著塔身迅速進(jìn)入導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)和接地體散流入地。因此，需要研究雷電流的進(jìn)入是否會對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)造成熱力學(xué)影響。

為此，采用國際通用接地分析軟件CDEGS 仿真分析導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)在雷電流激勵下的沖擊接地電阻和熱力學(xué)特性，對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響因素以及導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行研究，為今后相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地建模

參考湖南省220 kV等級輸電線路桿塔基礎(chǔ)的常用結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)采用直柱型基礎(chǔ)，相鄰兩個基礎(chǔ)中心之間的距離為10 m，基礎(chǔ)主筋為直徑25 mm的熱軋帶肋鋼筋；接地體由直徑10 mm 的圓鋼構(gòu)成，采用閉合環(huán)形和放射形結(jié)合的水平接地形式，埋深0.7 m。在CDEGS 軟件中構(gòu)建220 kV 輸電線路桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地系統(tǒng)模型，如圖1 所示。該模型包括導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)、基礎(chǔ)中的鋼筋、靠近基礎(chǔ)的接地體和雷電激勵源4個部分。

圖1 220 kV輸電線路桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地系統(tǒng)模型

為獲得沖擊接地特性優(yōu)良的接地方案，設(shè)計(jì)兩種導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地方案進(jìn)行對比研究。方案Ⅰ：接地體與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)共同采用，通過連接線連接基礎(chǔ)鋼筋和接地體。方案Ⅱ：取消接地體，直接采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地。在CDEGS 軟件的MALZ 模塊中建立兩種接地方案的模型，分別如圖2 和圖3 所示。建立模型后，在CDEGS 軟件的激勵模塊中設(shè)定雷電流激勵，采用2.6/50 μs 波形作為雷電流的標(biāo)準(zhǔn)波形，雷電流幅值取10 kA，仿真研究桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響因素，并分析不同接地方案導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的熱力學(xué)特性。

圖2 方案Ⅰ模型

圖3 方案Ⅱ模型

2 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻仿真分析

2.1 土壤電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

固定導(dǎo)電混凝土的電阻率為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(jì)算桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖4所示。

圖4 土壤電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

從圖4 可以看出，隨著土壤電阻率的增加，兩種方案的導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)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(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻有很大影響。土壤電阻率越大，對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的散流越不利。在相同土壤電阻率的情況下，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均低于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻。隨著土壤電阻率的增大，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異越來越大。當(dāng)土壤電阻率低于1 500 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻接近于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻。當(dāng)土壤電阻率高于1 500 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求桿塔接地工頻電阻不宜大于25 Ω，因此對土壤電阻率低于1 500 Ω·m 時(shí)導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地時(shí)的工頻接地電阻進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 工頻接地電阻（土壤電阻率低于1 500 Ω·m）

從表1 可以看出，當(dāng)土壤電阻率低于500 Ω·m導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地時(shí)的工頻接地電阻小于25 Ω。因此當(dāng)土壤電阻率低于500 Ω·m 時(shí)，建議采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地。

2.2 導(dǎo)電混凝土電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

固定土壤電阻率為500 Ω·m，依次在1 Ω·m、10 Ω·m、20 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、150 Ω·m、200 Ω·m、300 Ω·m 導(dǎo)電混凝土電阻率下注入雷電流，分別計(jì)算桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖5所示。

圖5 導(dǎo)電混凝土電阻率對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

從圖5 可以看出，隨導(dǎo)電混凝土電阻率的增加，兩種方案的導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均不斷增大，說明導(dǎo)電混凝土電阻率越高對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的散流越不利。在相同導(dǎo)電混凝土電阻率的情況下，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻均比導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻更小。隨著導(dǎo)電混凝土電阻率的增大，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異越來越大。當(dāng)導(dǎo)電混凝土電阻率低于50 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻接近于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻。當(dāng)導(dǎo)電混凝土電阻率高于50 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求桿塔接地工頻電阻不宜大于25 Ω，因此對導(dǎo)電混凝土電阻率等于50 Ω·m 時(shí)導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地時(shí)的工頻接地電阻進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 工頻接地電阻（導(dǎo)電混凝土電阻率50 Ω·m）

從表1和表2可以看出，當(dāng)導(dǎo)電混凝土電阻率分別取100 Ω·m 和50 Ω·m 時(shí)，在相同土壤電阻率下導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地時(shí)的工頻接地電阻相差非常小，不超過0.1 Ω·m。

2.3 接地體長度對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

方案Ⅰ中，設(shè)定土壤電阻率為500 Ω·m，導(dǎo)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，對桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)接地系統(tǒng)注入雷電流，分別計(jì)算桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖6所示。

圖6 接地體長度對導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)沖擊接地電阻的影響

從圖6 可以看出，當(dāng)同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)時(shí)，隨著接地體長度的增加，桿塔導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻越來越小，散流效果越來越好，并且在接地體長度為40 m 時(shí)逐漸穩(wěn)定，因此建議接地體長度取40 m。

3 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)熱力學(xué)特性仿真分析

3.1 同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)

方案Ⅰ接地模型中，設(shè)定土壤電阻率為500 Ω·m，導(dǎo)電混凝土電阻率為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(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)是對稱分布的，并且在4 個基礎(chǔ)中的雷電流和磁場強(qiáng)度分布也是相同的，所以只須分析其中的一個基礎(chǔ)。桿塔雷電流的大部分通過接地體和基礎(chǔ)鋼筋的連接點(diǎn)進(jìn)入導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)，所以和連接點(diǎn)位于同一個面的基礎(chǔ)鋼筋受力和受熱最大；而在該平面中，雷電流與磁場強(qiáng)度最大的區(qū)域是連接點(diǎn)附近的基礎(chǔ)鋼筋。因此，只須仿真分析連接點(diǎn)附近的基礎(chǔ)鋼筋即可得到導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋的最大受力與受熱。方案Ⅰ雷電流注入面的電流和磁場強(qiáng)度分布如圖7所示。

圖7 方案Ⅰ雷電流注入面的電流和磁場強(qiáng)度分布

從圖7 中提取出雷電流注入面的最大電流和磁場強(qiáng)度，分別是501.670 9 A 和489.632 A/m。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，由基礎(chǔ)鋼筋中的電流和鋼筋所在位置的磁場強(qiáng)度即可計(jì)算鋼筋的受力F=∫Idl×B，其中I為混凝土基礎(chǔ)鋼筋中的電流，l為混凝土基礎(chǔ)鋼筋的長度，B為鋼筋所在位置的磁場強(qiáng)度。由于力的作用是相互的，導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的受力與鋼筋的受力大小相等、方向相反，可以得到對應(yīng)每段鋼筋所在位置的導(dǎo)電混凝土的受力F=0.308 N/m。

設(shè)定鋼筋電阻率ρ=6.58 × 10-7Ω·m，鋼筋截面直徑d=25 mm，單位長度鋼筋的電阻R=ρ×l/s=4ρ×l/（πd2）≈1.454×10-3Ω，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的最大熱量為Q=I2×R=0.365 9 kJ，單位長度橫向鋼筋的重量為m=3.551 kg，鋼筋的比熱容約為c=0.46 kJ/（kg·K），因此單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升Δt=Q/（cm）=0.365 9/（0.46×3.551）=0.224 ℃。雷電流的持續(xù)時(shí)間一般遠(yuǎn)小于1s，導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋實(shí)際溫升要小于0.224 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25 ℃，因此導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)是穩(wěn)定和安全的。

3.2 導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地

方案Ⅱ模型中，設(shè)定土壤電阻率為500 Ω·m，導(dǎo)電混凝土電阻率為100 Ω·m，將幅值為10 kA 的雷電流注入導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)中，仿真分析雷電流注入點(diǎn)附近的電流與磁場強(qiáng)度分布，結(jié)果如圖8所示。

圖8 方案Ⅱ雷電流注入點(diǎn)附近的電流和磁場強(qiáng)度分布

從圖8 中提取出雷擊點(diǎn)附近的最大電流與磁場強(qiáng)度，分別是3 256.257 A 和1 042.474 A/m。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，由最大電流和磁場強(qiáng)度可計(jì)算得到單位長度基礎(chǔ)鋼筋的最大受力F=4.26 N/m，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的最大熱量為Q=I2R=15.46 kJ，單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升Δt=Q/（cm）=9.44 ℃。雷電流持續(xù)時(shí)間一般遠(yuǎn)小于1s。因此導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)鋼筋溫升也遠(yuǎn)小于25 ℃，即方案Ⅱ中的導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)也是安全的。

4 結(jié)語

當(dāng)土壤電阻率低于1 500 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻接近于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻。當(dāng)土壤電阻率高于1 500 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

當(dāng)導(dǎo)電混凝土電阻率低于50 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻接近于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻。當(dāng)導(dǎo)電混凝土電阻率高于50 Ω·m 時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻與導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的沖擊電阻之間的差異較大。

當(dāng)土壤電阻率低于500 Ω·m 時(shí)，建議采用導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地。

當(dāng)同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)時(shí)，隨著接地體長度的增大，導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的沖擊接地電阻越來越小，并且在接地體長度為40 m時(shí)逐漸穩(wěn)定。

在受到雷電流侵襲時(shí)，同時(shí)采用接地體和導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)時(shí)導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)的溫升遠(yuǎn)小于導(dǎo)電混凝土基礎(chǔ)自然接地的溫升，但這兩種接地方案的溫升都遠(yuǎn)小于25 ℃，因此都是安全穩(wěn)定的。