柔性石墨垂直接地体在杆塔中的应用研究

张 昌，甘 艳，邹建明，黄道春，李铁成

（1.华中电网有限公司，武汉430000；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

柔性石墨垂直接地体在杆塔中的应用研究

张 昌1，甘 艳1，邹建明1，黄道春2，李铁成2

（1.华中电网有限公司，武汉430000；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

针对部分因施工场地受到限制而无法按常规设计方案敷设的杆塔接地网，提出了在水平接地网基础上使用石墨垂直接地体的思路以占用尽可能小的空间来降低接地电阻。在此基础上选取典型水平接地网，利用CDEGS仿真软件，对在不同土壤电阻率条件下进行加装石墨垂直接地体后的工频接地电阻的仿真计算，并由此确定不同土壤电阻率类型的合理设计方案。同时，考虑到石墨接地材料的物理性质与传统金属接地材料的不同，提出了柔性石墨垂直接地体的回填施工技术方案以供参考。

柔性石墨垂直接地体；分层土壤；接地电阻；敷设方案；回填技术

0 引言

对于输电线路杆塔而言，接地方式一般采用方框加射线敷设于地表之下，但是由于该方法占地面积大，可能导致部分施工场地无法满足敷设要求，并且会增加运行人员检查接地网时的工作量[1]，所以会采取在水平接地网上加装垂直接地体的方法进行方案设计。传统的接地材料通常为金属材料，容易引发腐蚀、偷盗问题，而且由于密度相对较大，对施工也会造成一定难度。而柔性石墨接地材料具有抗腐蚀、密度小、质地柔韧的效果，能够有效解决上述问题[2]。

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但是由于柔性石墨接地体是一种新型材料，目前还没有针对该材料的设计规范和设计标准，笔者对柔性石墨接地材料作为垂直接地体时的效果进行了计算研究，在此基础上提出了在均匀土壤和分层土壤情况下的设计方案，并结合柔性石墨接地体的自身性质和传统接地体的施工情况，提出了柔性石墨接地材料的现场施工技术[3-4]。

1 均匀土壤下柔性石墨垂直接地体的应用研究

1.1 均匀土壤下石墨垂直接地体布置位置

如图1所示，选取根开20 m，射线长40 m的水平接地网，水平网深度0.8 m，土壤电阻率取500 Ω·m，分别在每根射线上布置一根长度为4 m的垂直接地体，每次布置在距离射线首端不同距离的位置上，分别用CDEGS软件计算工频接地电阻，其结果如表1所示。

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图1 水平接地网模型Fig.1 The model of horizontal grounding grid

表1 不同安装位置下的工频接地电阻和冲击接地阻抗Table1 The power frequency grounding resistances and impulse grounding impedances in different install positions

两类三层土壤的结构分别如表9和表10所示，其中第三层土壤电阻率都小于第二层，但表9所示土壤的第三层土壤和第二层土壤的电阻率更接近，比第一层小很多；表10所示土壤的第三层土壤和第一层土壤的电阻率较为接近，比第二层大很多。

在图1水平接地网的基础上增加总长度为80 m的垂直接地体，每条射线上分配20 m长，土壤电阻率设为3000 Ω·m，采取不同方案敷设，其具体方案和对应的工频接地电阻如表3所示。

1.2 不同电阻率下均匀土壤下石墨垂直接地体的效果

对于柔性石墨垂直接地体而言，由于其质地柔软，在放入事先挖好的深井中之后，与土壤间必定有着较大空隙，若不处理这些空隙，则会导致接地体与土壤间的接触电阻大大增加，会严重降低接地体的散流效果。因此需要采取措施进行回填，具体措施如下：

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表2 不同电阻率下的垂直接地体效果Table 2 The effects of the vertical grounding material in different soil resistivity conditions

观察表2可知，随着土壤电阻率的增加，加装垂直接地体后的降阻效果越好。原因是土壤电阻率较小时，电流往往在注流点处或附近流入土壤，此时远处的接地体中电流小，利用率低，相对地，土壤电阻率较高的情况下，接地体的利用率高，因此加装垂直接地体后降阻效果越好。

1.3 均匀土壤电阻率条件下，用料总长度一定时接地网的布置方案

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表3 均匀土壤同耗材不同方案下的垂直接地体效果Table 3 The effects of different schemes of constant amounts of the vertical grounding material in homogeneous soil

由表3可知同等耗材下，所用垂直接地体越少、敷设密度越小的方案效果越好。其原因是敷设密度大会导致电流的屏蔽作用加剧，从而不利于电流的散流。因此，对于均匀土壤而言，垂直接地体总长度一定时，以每根分配的长度尽可能多、总根数较少、均匀敷设的方案，效果越好[6]。

2 不均匀土壤下柔性石墨垂直接地体的应用研究

2.1 两层土壤下柔性石墨垂直接地体的应用研究

冻土地区的表层土壤因冻结原因导致表层土壤电阻率大于下层土壤电阻率，使用垂直接地体能使接地网在下层电阻率较小的土壤中散流，故选取典型冻土环境下的分层土壤作为仿真环境[7～10]，其具体情况如表4所示。

表4 土壤的分层情况Table 4 The soil stratification

2.1.1 两层土壤条件下用料长度一定时的接地网布置方案

在图1水平接地网的基础上增加总长度为80 m的垂直接地体，每条射线上分配20 m长，采取不同方案敷设，其具体方案和对应的工频接地电阻如表5所示。

表5 不均匀土壤同耗材不同方案下的垂直接地体效果Table 5 The effects of different schemes of constant amounts of the vertical grounding material in inhomogeneous soil

图2 不同方案对应的接地电阻Fig.2 The power frequency grounding resistances of different schemes

由图2趋势可知，每根设置的垂直接地体少于5根时，接地电阻相差不大，考虑到经济因素和施工难度，可以在每根射线上只加装1到2根垂直接地体。

2.1.2 两层土壤条件下垂直接地体的布置方式

根据图1接地网模型，分别在每根射线上布置一根长度为4m的垂直接地体，每次布置在距离射线首端不同距离的位置上，分别用CDEGS软件计算工频接地电阻，其结果如表6所示。

表6 双层土壤不同安装位置下的工频接地电阻Table 6 The power frequency grounding resistances in different install positions in double-deck soil

由表6可知，分层土壤中单根接地体的布置规律和均匀土壤相同，都是在射线最末端处工频接地电阻最小。

根据图1接地网模型，分别在每根射线末端布置一根长为4 m的垂直接地体，然后再在射线不同位置加装一根同为4 m的垂直接地体，分别用CDEGS软件计算工频接地电阻，其结果如表7图、3所示。

表7 第二根垂直接地体不同位置的工频接地电阻Table 7 The power frequency grounding resistances of the second vertical grounding material in the different positions

图3 第二根垂直接地体位置对应的接地电阻Fig.3 The power frequency grounding resistances of the second vertical grounding material

根据图3可得知，对于该接地网而言，第二根垂直接地体安装在距离第一根（即距射线末端）33 m左右处，效果最佳。该位置造成的电流屏蔽效果对散流能量造成的影响最小，该位置的与土壤的分层情况和水平地网的射线长度相关。

2.1.3 两层土壤条件下垂直接地体长度的降阻效果和利用率

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表8 不同长度垂直接地体的作用效果Table 8 the effects of different length of the vertical grounding material

由表8可知，接地电阻随着垂直接地体的长度增长而下降，但是与此同时，接地材料平均每米的降阻效果也在逐渐减弱。因此，在工程实际中要结合降阻要求、施工难度、材料利用效果进行设计方案的规划。

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2.2 三层土壤条件下柔性石墨垂直接地体的应用研究

以图1中水平接地网为基础，分别在两种土壤类型中进行平均每米降阻材料的工频接地电阻降阻效果的计算，垂直接地体安装在端部，且长度依次递增。

由表1可知，单根垂直接地体敷设在水平射线末端时工频接地电阻最小，其原因是入地电流通过接地体向大地深处散流时，会受到其他接地体散流的影响，导致不能充分散流，即电流的屏蔽作用。当垂直接地体设在射线末端时，其与其他接地体的距离相对更远，产生的电流屏蔽作用更弱，因此散流效果相对更好。而单根垂直接地体敷设在水平射线首端时冲击接地电阻最小，因为雷电流进入注流点开始散流时，存在比较严重的电感效应，距离注流点越远的部分散流效果越弱，故垂直接地体设置在射线首端时冲击接地阻抗最小。分别对比工频接地电阻和冲击接地阻抗的最优和最差方案，对于工频接地电阻而言电阻减少了3.58%，对于冲击接地阻抗而言减小了15.79%，可见相对来说垂直接地体的位置对于冲击接地阻抗的影响远大于工频接地电阻，因此位置设置在射线首端更好[5]。

表9 类型一的三层土壤Table 9 The 3-layers soil of type 1

表10 类型二的三层土壤Table 10 The 3-layers soil of type 2

对于三层土壤而言，垂直接地体的布置位置和两层土壤一样，但是在垂直接地体的长度方面和两层土壤存在差异。

由图4和图5可观察到，不同类型土壤中，平均每米效果的变化趋势也有所不同。类型一的变化趋势与两层土壤类似，都是随着垂直接地体的长度变长而变小；类型二的变化趋势为先上升后下降，在垂直接地体长度为3～4m时，材料的利用效果最佳。因此，对于类型一而言，可按照两层土壤的设计方案来进行规划；对于类型二而言，可以在施工满足需求的前提下将垂直接地体的长度设为利用率最高时的长度。

图4 类型一中平均每米降阻效果随垂直接地体长度变化趋势Fig.4 The trend of reducing resistance per meter in different length in the type.1

图5 类型二中均降阻效果随垂直接地体长度变化趋势Fig.5 The trend of reducing resistance per meter in different length in the type.2

3 柔性石墨垂直接地体施工回填技术

在实际工程施工中，由于柔性石墨接地材料与传统接地材料性质差异较大，故在实际工程中采取的施工技术也会有所不同，该不同主要体现在埋入垂直接地体后土壤的回填技术上。

针对图1水平地网模型，选取不同土壤电阻率，计算不加垂直接地体和分别在4根射线末端加装长度为4m的垂直接地体的工频接地电阻，其结果如表2所示。

以图1水平接地网为基础，在射线末端分别加装不同长度的垂直接地体，分别计算接地电阻和均降阻效果，即平均每米材料的降阻效果。

1）用水泵向已加入垂直接地体的深井中注入盐水，直到水面接近井口。由于接地体由石墨构成，不会因盐水的注入而腐蚀；

2）向该深井中继续注入泥浆，以此将深井填满。

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一开始不直接注入泥浆而注入盐水的原因是防止出现因深井内存在孔隙而导致回填泥浆的浪费的现象，而且盐水也利于土壤的降阻。

4 结论

1）对于均匀土壤而言，垂直接地体从水平地网射线首端开始敷设效果最佳，可有效降低冲击接地阻抗，且在总用料相同的情况下，垂直接地体的布置密度越小越利于散流；

2）对于不均匀两层土壤而言，一般可在水平地网的每条射线上安置1～2根垂直接地体，首根接地体应从射线末端开始安装，第二根接地体从安装在射线首端附近（但不到射线首端），具体位置视地网规格和土壤情况而定（定在电流屏蔽效应相对最小的点）。垂直接地体的长度在不造成施工难度和满足考虑经济效益的前提下越长越好。

3）对于不均匀三层土壤而言，中层和下层电阻率远小于表层时，按两层土壤的情况设计；中层电阻率较小，表层和下层电阻率远大于中层时，可以在满足施工需求的前提下，将垂直接地体的长度设为利用率最高时的长度。

4）在回填过程中，采用先注盐水再注泥浆的方法，能有效降低石墨接地材料与土壤间的接触电阻，而且可以避免泥浆的浪费。

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Study on the Application of Flexible Graphite Composite Electrical Vertical Grounding Material in Tower

ZHANG Chang1，GAN Yan1，ZOU Jianming1，HUANG Daochun2，LI Tiecheng2
（1.Central China Grid Company Limited，Wuhan 430000，China;2.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

For some place in restricted conditions，conventional design scheme cannot be access to the tower grounding grid.It is proposed that the flexible graphite composite electrical vertical grounding material should be utilized on the base of horizontal ground grids to occupy as little space as possible to reduce the ground resistance.On this basis，the typical horizontal grounding network is selected，and the simulation calculation of the power grounding resistance of flexible graphite composite electrical vertical grounding material under different soil resistivity conditions are carried out by using CDEGS simulation software，and thus determine the reasonable design for different types of soil resistivity.At the same time，taking into account the different physical properties of graphite grounding material and the tradi⁃tional metal grounding material，the backfill construction technology proposal of flexible graphite compos⁃ite electrical vertical grounding material is put forward for reference.

flexible graphite composite electrical vertical grounding material；stratified soil；grounding resistance；laying plan；backfill technology

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.010

2016-04-11

张昌（1962—），男，高级工程师，现从事高电压绝缘等相关的方面工作。