輸電線路自然接地體應用探討

董元杰 張子一

摘要：接地裝置設計的合理性對輸電線路的正常運行至關重要。輸電線路遭受的雷擊電流是通過桿塔的接地裝置泄入大地的，是泄導雷擊電流的主要部分;而接地引下線是指從桿塔接地孔至地下接地射線之間的那段連接線，它的作用是通過桿塔自身（或安裝的桿塔接地外引裝置）連接避雷線以及下地轉地網，使雷擊電流能通過桿塔自身（或安裝的桿塔接地外引裝置）、接地引下線流入到接地網中，以便泄放雷擊電流。

關鍵詞：輸電線路;自然接地體;探討

引言

輸電線路接地裝置（以下簡稱“接地裝置”）對電力系統的安全穩定運行至關重要，其接地的目的是將雷電導人大地，以避免傷害人類、破壞設備等。接地裝置的設計通常會面臨諸多問題，如：在高土壤電阻率地區，若設計時未充分利用桿塔基礎自然接地，接地電阻會偏高，從而造成建設成本高;在低土壤電阻率地區，若接地裝置設計裕度過大，會造成材料浪費;受氣候、土壤環境復雜性影響，降阻效果達不到預期目標，導致驗收時不得不對接地裝置進行變更修改。為了解決上述問題，本文提出一種接地裝置優化設計方法，以期為工程設計提供參考。

1概述

接地裝置是輸電線路的童要組成部分，主要由接地體和接地引下線兩部分組成。接地體也稱接地網，是泄導雷擊電流的主要部分，當輸電線路遭受雷擊時，雷擊電流通過接地體分散泄入大地。接地體主要由人工接地體和自然接地體兩部分組成：人工接地體主要包含水平放射型接地裝置、垂直放射塑接地裝置、閉合環形接地裝鷥等，為有效降低土壤電阻率，通常會使用接地模塊。、緩釋型離子接地體等降阻材料;自然接地體是指利用基礎混凝土作為天然接地體來分擔部分蕾擊電流。接地引下線是指從桿塔接地孔至地下接地射線之間的連接線，其作用是連接桿塔自身或桿塔接地外引裝置和接地體，使雷擊電流能流人到接地網中。

2接地電阻研究的重要意義

當電力系統或電氣設備發生接地短路故障或遭受雷擊時，接地是重要的保護措施之一。無論是短路故障造成的瞬間大電流，還是直接雷擊或者雷電感應產生的雷電流，最終都需要通過接地體將其傳導泄散到大地中去。當電力系統或電氣設備發生接地短路故障或其他大電流入地時，如果接地電阻值比較大，就會造成地網電位異常升高。這樣，除給運行人員安全帶來威脅外，還很有可能因反擊或電纜皮環流使得電氣設備的絕緣遭到破壞，高壓串入設備，輕則導致電氣設備的拒動或誤動，重則破壞電氣設備。因此，如何盡可能地降低接地電阻阻值是接地系統研究中的一個重要課題。

3自然接地體降阻策略

目前工程中常用的降阻措施有擴大接地網尺寸、深埋接地體、添加降阻材料、換土等方法，具有一定的降阻效果。然而國內工程通常將接地裝置引下線從塔腳引接，竣工驗收的時候需斷開接地裝置與鐵塔（基礎）的電氣連接，接地驗收測量的接地電阻不包含桿塔基礎的自然接地，因此設計上很難充分考慮鐵塔基礎的自然接地，沒有充分發揮自然接地的效果，使得接地裝置的設計裕度過大，造成材料浪費，增加工程成本。輸電線路桿塔基礎主要由混凝土及其包裹的基礎鋼筋構成，由于基礎鋼材導電性良好，加之外層有混凝土保護，安全可靠、不易損壞、使用時間長、不易被腐蝕，只需要將其相互連通構成電氣通路即可具有良好的散流作用，自身就可作為良好的自然接地體。此外，基礎混凝土也具有一定的導電散流作用，且電阻率會隨著環境發生變化，潮濕環境下效果更明顯。由此可見，通過改善基礎混凝土的導電性，甚至采用導電性更好的導電混凝土或在基礎外層包覆導電材料，可以更好地發揮桿塔基礎作為自然接地體的效用。

4接地裝置沖擊降阻優化措施研究

4.1接地裝置射線最優角度

方框帶射線接地極是工程上廣泛采用的一種接地裝置，其射線的布置角度對接地裝置的沖擊阻抗有一定的影響。下面分別計算不同角度下的方框帶一組/兩組射線接地裝置接地阻抗，以便為工程設計提供參考。

4.2接地裝置射線長度選取

隨著接地裝置射線長度增加，其降阻效果具有明顯飽和效應，繼續增加射線長度效果不明顯，反而加大了工程投資。導體的有效長度與散流能力密切相關，散流能力又取決于土壤電阻率參數，因此接地裝置射線的最佳長度必然是土壤電阻率的函數。仿真中土壤參數取均勻土壤，土壤電阻率ρ分別取100Ω·m，500Ω·m，射線分別取1組與2組，帶一組射線情況下，射線角度取45°，兩組射線情況下取0°，其它仿真參數保持不變。

4.3接地裝置射線有效長度

由上述仿真可知，接地裝置的型式及射線導體長度的選擇均與導體的有效長度l0有關。為了進一步明確射線有效長度隨土壤電阻率變化關系，以方框帶一組射線接地裝置為例，方框邊長取10m，射線角度取45°，分別改變接地裝置射線長度，其它仿真參數保持不變，研究不同電阻率下其沖擊接地電阻變化規律。

5自然接地體在輸電線路中的應用

由于自然接地體具有制作方便、穩定性高、使用壽命長等優點，在實際工程中應用逐步增多。將接地引下線的位置從傳統的與桿塔塔腿底部連接調整為和桿塔基礎底部相連接，將桿塔基礎作為自然接地體，使自然接地體與人工敷設的垂直接地極和水平接地系統相連，充分發揮了基礎混凝土和基礎鋼材的散流作用，有效降低桿塔接地電阻，減少接地材料的用量，同時避免接地裝置遭受認為的盜竊和破壞。

在山區等運輸困難、難以施工的塔位，采用碳纖維導電混凝土取代常規混凝土，利用桿塔基礎作為自然接地體，可以減少人工接地體的開挖量，降低工程造價。碳纖維導電混凝土一般由膠凝材料、導電材料、介電骨料和水等成分組成，按照一定配比并加入碳纖維材料混合凝結而成的復合材料，既保持了結構材料的性能，又具有導電材料的特性，將其作為自然接地的輔助材料可起到更好的降阻效果。根據土壤和地下水位情況，利用非金屬石墨復合接地材料采取上段、中段、下段外敷以及基礎外表完全敷設等不同形式，增強自然接地體的散流作用，接地電阻受外敷半徑和塔基埋設深度影響很大，隨著外敷半徑和塔基埋設深度的增加，接地電阻逐漸降低。

結語

將輸電線路桿塔基礎作為自然接地體，與桿塔人工敷設的接地裝置或其他輔助降阻材料相連接，利用基礎混凝土以及基礎鋼材的導電作用，相當于擴大了接地裝置范圍，不僅有利于減少人工接地裝置的敷設量，節省材料、降低工程造價，還可以降低接地裝置受外力損壞的幾率。經過模擬計算分析以及國內外工程的應用，表明將桿塔基礎作為接地裝置的一部分可以有效降低桿塔的接地電阻，證明桿塔基礎作為自然接地體是可行的，也為輸電線路接地裝置的改進優化提供了一個研究的方向。

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