基于柔性石墨復合接地模塊的配電桿塔接地降阻研究

張 凱，吳曉東，代佰華，毛惠卿，胡元潮

（1.國網山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600；2.山東理工大學，山東 淄博 255000）

0 引言

配電線路中接地裝置的性能，對配電線路安全運行有很大影響，實際工程中通常以工頻接地電阻作為接地裝置接地性能的參考標準［1-4］，所以在實際工程中，降低桿塔工頻接地電阻是使線路安全運行的重點，目前降低工頻接地電阻的方法有許多種，比如采用降阻劑、接地模塊以及垂直接地極等傳統接地材料［5］，但傳統的接地模塊存在降阻效率低、脆性大和容易腐蝕等問題，因此研究高導電性的柔性石墨復合接地模塊降低桿塔接地電阻具有實際意義。

為了降低桿塔的接地電阻，使線路可以更好地安全穩定運行，國內外學者做了大量的研究。高竹青等［6］研究了垂直接地極對桿塔沖擊接地電阻的影響。李騰［7］針對考慮地形特征的桿塔輔助接地網接地特性，開展了深入研究。于洋等［8］利用仿真軟件計算了輸電線路桿塔接地網采用接地模塊降阻時的影響因素，并分析了土壤結構與土壤電阻率對其降阻效率的影響。唐靜等［9］研發了新型的接地裝置，通過仿真證實了新型接地裝置與常規接地裝置相比，明顯減小了接地網的工頻接地電阻。但對敷設高導電性的柔性石墨復合接地模塊的配電線路桿塔降阻的研究較少。

研究基于柔性石墨復合接地模塊的配電線路桿塔的接地降阻情況，配電線路桿塔為逐基接地，建立2 種敷設柔性石墨復合接地模塊的桿塔接地網降阻模型，研究接地網尺寸、石墨接地模塊長度、石墨接地模塊數量和土壤電阻率對桿塔降阻的影響，分析石墨接地模塊長度、石墨接地模塊數量和石墨接地模塊敷設方式對桿塔降阻效率的影響。

1 柔性石墨復合接地模塊的降阻模型

接地模塊是一種很常用的減小接地電阻的方法，通過增大與土壤的接觸面積、降低局部介質的電阻率，來實現降低接地電阻的目的［10］。傳統接地模塊內部多為鍍鋅鋼金屬材料，外部包敷石墨粉、金屬粉與固化劑等構成的降阻模塊，其電阻率可達0.01～10 Ω·m［11］。而柔性石墨復合接地模塊與傳統接地模塊結構形式類似但選材不同，將傳統降阻模塊的內心替換成柔性石墨復合接地體［12］，外部包敷層替換為石墨線與高純鱗片石墨組合模塊，電阻率約10-5Ω·m，導電性能比傳統模塊高3～6 個數量級。此外，柔性石墨復合接地模塊中無金屬電極，其具有良好的防腐性能，由于其自身具有非常好的柔韌性，有效克服了傳統接地模塊脆性易碎的問題［13］，柔性石墨復合接地模塊的實物如圖1所示。

圖1 柔性石墨復合接地模塊Fig.1 Flexible graphite composite earth module

建立在方框型和環形接地網上敷設柔性石墨復合接地模塊的降阻模型，研究敷設柔性石墨復合接地模塊后對配電線路桿塔的降阻效果。

1.1 方框型接地網降阻模型

鑒于石墨材料化學性質穩定，與鋼、鍍鋅鋼等金屬材料相比耐腐蝕性好，復合接地材料的“骨架”又由結構穩定的無機纖維或合成纖維構成。因此，石墨復合接地材料具有可靠的耐腐蝕性能，在配電桿塔接地網上連接柔性石墨復合接地體，可以長效地降低桿塔接地電阻，在方框型接地網敷設柔性石墨復合接地模塊降阻模型，如圖2所示。

圖2 方框型接地網敷設柔性石墨復合接地模塊降阻模型Fig.2 The resistance reduction model of flexible graphite composite grounding module laid in box grounding network

在方框型接地網上敷設柔性石墨復合接地模塊構成組合式接地網，接地模塊采用水平和垂直敷設兩種方式。方框型接地網為邊長5 m 的田字形接地網，埋深0.8 m，采用的柔性石墨復合接地體長度為1 m，直徑為30 mm。柔性石墨復合接地模塊長度為0.3 m，外徑為20 cm，通過接續件與水平接地體連接。仿真計算是在工頻電流下，所取的土壤為均勻土壤層，電阻率為100 Ω·m。

1.2 環形接地網降阻模型

在環形桿塔接地網上水平敷設和垂直敷設柔性石墨復合接地模塊來降低桿塔接地電阻，在環形接地網敷設柔性石墨復合接地模塊降阻模型，如圖3所示。

圖3 環形接地網敷設柔性石墨復合接地模塊降阻模型Fig.3 Resistance reduction model of flexible graphite composite grounding module laid in ring grounding network

采用仿真軟件建立環形接地網，與柔性石墨復合接地模塊組成組合式接地網，接地模塊采用水平和垂直兩種敷設方式。環形接地網的半徑為3 m，埋深0.8 m，采用的柔性石墨復合接地體長度為1 m，直徑為30 mm。柔性石墨復合接地模塊長度為0.3 m，外徑為0.2 m，通過連接件與水平接地體連接。仿真計算是在工頻電流下，所取的土壤為均勻土壤層，電阻率為100 Ω·m。

2 方框型和環形配電桿塔接地網降阻影響分析

2.1 接地網尺寸的影響

接地網尺寸的不同對降低桿塔接地電阻有影響。方框型桿塔接地網分別取邊長為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m，研究桿塔接地電阻的變化，方框型接地網不同尺寸時桿塔接地電阻如表1所示。

表1 方框型接地網不同尺寸時桿塔接地電阻Table 1 Ground resistance of tower with different size of box type grounding network

由表1 可知，隨著方框型接地網尺寸的增加，桿塔接地電阻逐漸變小。接地網邊長為1 m和3 m時桿塔接地電阻沒有達到桿塔工頻接地電阻規程［14］。當接地網尺寸增大到5 m×5 m 以后，桿塔接地電阻滿足桿塔工頻接地電阻規程，再增大接地網尺寸，桿塔接地電阻降低的速率變小。

環形桿塔接地網分別取半徑為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，研究隨著環形接地網半徑的變化桿塔接地電阻的變化情況，方框型接地網不同尺寸時桿塔接地電阻如表2所示。

由表2 可知，隨著環形接地網半徑的增加，桿塔接地電阻逐漸變小。接地網半徑為1 m和2 m時桿塔接地網接地電阻沒有達到桿塔工頻接地電阻規程。當接地網半徑增大到3 m 以后，桿塔接地電阻滿足桿塔工頻接地電阻規程，再增大接地網半徑，桿塔接地電阻降低的速率變小。

2.2 石墨接地模塊長度的影響

敷設柔性石墨復合接地模塊長度的不同對降低桿塔接地電阻有影響。分別取石墨接地模塊長度為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，方框型接地網敷設不同長度石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖4所示。

圖4 方框型接地網敷設不同長度石墨接地模塊時接地電阻Fig.4 Ground resistance when graphite grounding modules of different lengths are laid in the box-type grounding network

由圖4可知，隨著敷設的石墨接地模塊長度的增加，方框型接地網桿塔接地電阻逐漸減小。從未敷設石墨接地模塊到敷設長度為0.5 m 的石墨接地模塊這個過程，桿塔接地電阻降低的速率很快，但從石墨接地模塊長度從0.5 m 增加時，桿塔接地電阻降低的速率減緩，大致呈線性降低的趨勢。

環形接地網也是分別取石墨接地模塊長度為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，研究石墨接地模塊長度對桿塔接地電阻的影響，環形接地網敷設不同長度石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖5所示。

圖5 環形接地網敷設不同長度石墨接地模塊時的接地電阻Fig.5 Grounding resistance of graphite grounding modules of different lengths in ring grounding network

由圖5可知，隨著敷設的石墨接地模塊長度的增加，環形接地網桿塔接地電阻逐漸減小。在敷設相同長度的石墨接地模塊時，水平敷設方式比垂直敷設方式桿塔接地電阻小，當敷設長度為1 m 的石墨接地模塊時，水平敷設方式的桿塔接地電阻達到了桿塔工頻接地電阻規程，而垂直敷設方式的未滿足桿塔工頻接地電阻規程，需要再增加石墨接地模塊長度才能滿足規程要求。

2.3 石墨接地模塊數量的影響

敷設柔性石墨復合接地模塊數量的不同對降低桿塔接地電阻有影響。分別取石墨接地模塊數量為4 個、8 個、12 個、16 個，均勻敷設在接地網上。方框型接地網敷設不同數量石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖6所示。

圖6 方框型接地網敷設不同數量石墨接地模塊時的接地電阻Fig.6 Ground resistance of different number of graphite grounding modules in box grounding network

由圖6 可知，隨著敷設的石墨接地模塊數量的增加，方框型接地網桿塔接地電阻逐漸減小，桿塔接地電阻降低的速率減緩。在敷設相同數量石墨接地模塊的情況下，水平敷設方式下的接地電阻比垂直敷設下的接地電阻小，隨著石墨接地模塊數量的增加，水平敷設和垂直敷設下的桿塔接地電阻相差變大。

環形接地網也分別取石墨接地模塊數量為4個、8個、12個、16個，均勻敷設在接地網上。環形接地網敷設不同數量石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖7所示。

圖7 環形接地網敷設不同數量石墨接地模塊時的接地電阻Fig.7 Grounding resistance of different graphite grounding modules in ring grounding network

由圖7可知，隨著敷設的石墨接地模塊數量的增加，環形接地網桿塔接地電阻逐漸減小。當敷設4個石墨接地模塊時，水平敷設方式下的桿塔接地電阻達到了桿塔工頻接地電阻規程，而垂直敷設方式下沒有滿足要求，需要增加更多石墨接地模塊來達到降阻的目的。

2.4 土壤電阻率的影響

土壤電阻率的不同對降低桿塔接地電阻有影響。土壤電阻率分別取50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、800 Ω·m，方框型接地網和環形接地網不同土壤電阻率下桿塔接地電阻分別如圖8和圖9所示。

圖8 方框型接地網不同土壤電阻率時的接地電阻Fig.8 Ground resistance of box type grounding network with different soil resistivity

圖9 環形接地網不同土壤電阻率時的接地電阻Fig.9 Ground resistance of ring grounding network with different soil resistivity

由圖8 和圖9 可知，隨著土壤電阻率的增大，桿塔接地電阻也逐漸變大，大致呈線性增大的趨勢。在相同土壤電阻率的情況下，水平敷設方式下的接地電阻比垂直敷設下的接地電阻小，但相差不大。

3 方框型和環形配電桿塔接地網降阻效率分析

為進一步研究敷設柔性石墨復合接地模塊后的降阻效果，定義桿塔接地網敷設石墨復合接地模塊前后的接地電阻差ΔR與未敷設石墨復合接地模塊的接地電阻的比為降阻效率η。通過降阻效率來表征敷設石墨接地模塊后對桿塔接地電阻的降阻能力，如式（1）所示。

式中：R0為未敷設石墨接地模塊時桿塔接地電阻；R為敷設石墨接地模塊后的桿塔接地電阻。

3.1 石墨接地模塊長度的影響

通過仿真計算，方框型和環形接地網水平敷設下不同長度石墨接地模塊時的降阻效率分別如表3和表4所示。

表3 方框型接地網水平敷設下不同長度石墨接地模塊時的降阻效率Table 3 Resistance reduction efficiency of graphite grounding modules of different lengths under horizontal laying of box type grounding network

表4 環形接地網水平敷設下不同長度石墨接地模塊時的降阻效率Table 4 Resistance reduction efficiency of graphite grounding modules of different lengths laid horizontally in ring grounding network

由表3 和表4 可知，在相同土壤電阻率的情況下，方框型和環形接地網都隨著敷設石墨接地模塊長度的增加，降阻效率逐漸增大；在敷設相同長度的石墨接地模塊的情況下，方框型和環形接地網都隨著土壤電阻率的增大，降阻效率幾乎沒有變化。在相同土壤電阻率和敷設相同長度的石墨接地模塊的情況下，環形接地網水平敷設方式下的降阻效率比方框型接地網水平敷設方式下的降阻效率高，當敷設2.5 m 的石墨接地模塊時，環形接地網的降阻效率可達到32%左右。

3.2 石墨接地模塊數量的影響

通過仿真計算，方框型和環形接地網水平敷設下不同數量石墨接地模塊時的降阻效率分別如表5和表6所示。

表5 方框型接地網水平敷設下不同數量石墨接地模塊時的降阻效率Table 5 Resistance reduction efficiency of different amount of graphite grounding modules horizontally laid in box grounding network

表6 環形接地網水平敷設下不同數量石墨接地模塊時的降阻效率Table 6 Resistance reduction efficiency of different amount of graphite grounding modules horizontally laid in ring grounding network

由表5 和表6 可知，在相同土壤電阻率的情況下，方框型和環形接地網都隨著敷設石墨接地模塊數量的增加，降阻效率逐漸增大；在敷設相同數量的石墨接地模塊的情況下，方框型和環形接地網都隨著土壤電阻率的增大，降阻效率幾乎沒有變化。在相同土壤電阻率和敷設相同數量的石墨接地模塊的情況下，環形接地網水平敷設方式下的降阻效率比方框型接地網水平敷設方式下的降阻效率高，當均勻敷設4個石墨接地模塊時，環形接地網的降阻效率可達到16%左右，當均勻敷設16個石墨接地模塊時，環形接地網的降阻效率可達到34%左右，可以很好地降低桿塔的接地電阻。

3.3 石墨接地模塊敷設方式的影響

在桿塔接地網上敷設石墨接地模塊能降低桿塔接地電阻，敷設方式的不同對降阻效率產生影響。通過仿真計算，方框型和環形接地網不同敷設方式下的降阻效率分別如圖10和圖11所示。

圖10 方框型接地網不同敷設方式下的降阻效率Fig.10 Drag reduction efficiency of box type grounding grid under different laying modes

圖11 環形接地網不同敷設方式下的降阻效率Fig.11 Drag reduction efficiency of ring grounding network under different laying modes

由圖10 和圖11 可知，水平敷設方式下比垂直敷設方式下的降阻效果更好，方框型接地網水平敷設石墨接地模塊的降阻效率在10.2%左右，環形接地網水平敷設石墨接地模塊的降阻效率在16%左右。在實際工程中，可優先采用水平敷設石墨接地模塊來降低桿塔接地電阻。

4 結論

采用仿真計算軟件，建立了2種敷設柔性石墨復合接地模塊的桿塔接地網降阻模型，分析了接地網尺寸、石墨接地模塊長度、石墨接地模塊數量和土壤電阻率對桿塔降阻的影響，研究了不同石墨接地模塊長度、不同石墨接地模塊數量和不同石墨接地模塊敷設方式下的降阻效率，得到以下結論：

1）配電線路桿塔接地電阻隨著接地網尺寸的增大而減小，隨著土壤電阻率的增大，大致呈線性增大的趨勢。

2）在配電桿塔接地網上敷設柔性石墨復合接地模塊，桿塔接地電阻明顯降低，隨著石墨接地模塊長度和石墨接地模塊數量的增加，桿塔接地電阻逐漸降低。

3）在配電桿塔接地網上敷設柔性石墨復合接地模塊后，石墨接地模塊長度和數量對桿塔接地網的降阻效率有明顯的影響，而土壤電阻率對桿塔接地網的降阻效率的影響很小。

4）在相同條件下，水平敷設柔性石墨復合接地模塊比垂直敷設的降阻效果更好，可以更好地降低桿塔接地電阻。