柔性石墨接地体典型杆塔接地应用研究

詹清华，阮江军，唐 科，黄道春，肖 微，李恒真

（1.广东电网公司佛山供电局，广东佛山528000；2.武汉大学电气工程学院，武汉430072）

柔性石墨接地体典型杆塔接地应用研究

詹清华1,2，阮江军2，唐 科2，黄道春2，肖 微1,2，李恒真1

（1.广东电网公司佛山供电局，广东佛山528000；2.武汉大学电气工程学院，武汉430072）

利用CDEGS仿真计算了典型杆塔接地网的接地电阻，首先对比了柔性石墨接地体与圆钢、锰铜在工频接地及冲击接地性能的区别，结果表明，柔性石墨接地体的工频接地电阻略高于圆钢，但由于其非磁性，较弱的趋肤效应使其冲击接地电阻低于圆钢，因此，柔性石墨接地体具有良好的防雷接地特性。然后，以广东佛山典型输电线路中柔性石墨接地体示范应用工程为例，介绍了有关柔性石墨接地体的实际工程施工工艺及技术，为其他类似的工程及试验提供参考依据。

柔性石墨接地体；杆塔接地应用；接地电阻；示范工程

0 引言

杆塔接地电阻偏大是引起线路反击跳闸的主要原因，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、减少线路雷击跳闸率的主要措施[1-5]。

长期以来，金属接地材料作为输电线路接地网中使用的主要材料，除运输及施工难度大、易发生偷盗现象以外，由于金属接地材料的自身特性，不可避免的会发生腐蚀问题，实际运行经验表明，扁钢以及镀锌钢接地材料腐蚀较快，一般运行3～7年即发生严重腐蚀[6-9]。并且在非理想地形下（山脊、悬崖等），由于金属接地材料硬度大，不易顺地形合理敷设，且易与软质土壤胶体因外力形变形成空气间隙，不仅增大两者的接触电阻而且造成接地体易腐蚀，进一步减少了接地装置的使用寿命[10]。

针对上述问题，一些非金属接地材料开始应用到杆塔接地网中。石墨以其优良的特性，成为各国学者的主要研究对象。柔性石墨复合接地体具有耐腐蚀、可弯曲、价格低、便安装以及防盗等优点，在高压输电线路接地网的研究及应用上具有可观的推广价值。

在我国，输电杆塔的接地装置按照《交流电气装置的接地》（DL/T621—1997）和《交流电气装置的接地设计规范》（GB 50065—2011）的规定进行设计，标准对不同土壤电阻率地区，线路杆塔工频接地电阻应达到的相应标准做出了规定[11-12]。但是，在雷电冲击作用下，反映杆塔接地装置性能的是冲击接地电阻，线路防雷设计中采用的杆塔接地装置的冲击接地电阻有的是根据现场经验用工频接地电阻得到的估计值；有的直接用工频接地电阻的大小来判断和确定线路的防雷效果[13]-14]，但其并不能很好反映雷电冲击下，杆塔接地装置的冲击性能。

因此笔者分别从工频接地电阻及冲击接地电阻的角度对柔性石墨接地体在典型输电线路杆塔接地系统中的应用进行了研究。首先利用CDEGS软件计算了柔性石墨接地体和常用的金属接地体在不同土壤电阻率、不同接地网射线长度和不同土壤分层和，工频及冲击接地电阻的差异。然后结合柔性石墨接地体在输电线路杆塔接地网改造示范工程，介绍了柔性石墨接地体的施工技术，为其他类似的工程及试验提供参考依据。

1 柔性石墨接地体接地性能对比研究

输电线路杆塔接地网的接地情况与很多因素有关，包括土壤电阻率、土壤分层、接地网射线长度等。利用CDEGS对比了不同接地条件下柔性石墨接地体与常用的金属材料铜和钢的工频接地性能和冲击接地性能。

1.1 不同土壤电阻率

采用的典型输电线路杆塔接地网为500 kV输电线路杆塔接地网，接地网为方框带射线，方框长度为15 m，四角射线延伸长度为50 m（简记为F15Y50），接地体埋深为0.8 m，在边框四角注流。

计算中接地材料为柔性石墨（ρ1=3.25×10-5Ω·m,μr1=1），锰铜（ρ2=2.40×10-7Ω·m,μr2=1）和圆钢（ρ3=1.92×10-6Ω·m,μr3=636），它们的直径均为12 mm。假设接地网为单层均匀土壤，土壤电阻率ρ为100 Ω·m～3 000 Ω·m。

利用CDEGS计算3种不同材料在不同土壤电阻率下的工频接地电阻和冲击接地电阻，雷电流波形为2.6/50 μs、幅值20 kA，计算结果如表1所示。为了更直观地反映各材料间的差异，以锰铜的接地电阻作为基准值，作出3种接地材料接地电阻相对值的对比图如图1所示。

表1 不同接地材料的接地电阻随土壤电阻率的变化Table 1 Grounding resistance of several grounding materials under different soil resistivity

图1 不同接地材料的接地电阻随土壤电阻率的变化Fig.1 Grounding resistance of several grounding materials under different soil resistivity

可以发现，由于柔性石墨接地体本体电阻率较高，其工频接地电阻要高于圆钢与锰铜，特别是在土壤电阻率较低时，三者差异较大。随着土壤电阻率的升高，柔性石墨接地体与其余两种材料之间的差异性逐渐减小。这是由于土壤电阻率较高时，接地材料的电阻率影响减弱，此时主要由土壤电阻率与接地网面积来决定接地网的接地电阻；

但对于冲击接地电阻，在相同直径下，锰铜、圆钢和石墨的冲击接地电阻是锰铜＜石墨＜圆钢，石墨接地体在冲击电流下表现一定的优势。这是由于圆钢磁导率为636，远高于铜与石墨，这就导致圆钢在高频电流作用下产生明显的趋肤效应，限制了电流向接地体末端流动，降低了接地体利用率，因此柔性石墨接地体的冲击接地电阻反而低于圆钢而接近于锰铜，所以在高频电流下柔性石墨接地体的利用率要高于圆钢。由此可见，对于杆塔防雷接地而言，非磁性的柔性石墨接地体表现出优于钢的接地性能，特别是在土壤电阻率较低时，差别更加明显。

1.2 不同接地网射线长度

对于输电线路杆塔，降低其接地网接地电阻一个最常用的方法就是增加接地网射线长度，因为水平敷设接地体施工费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以有效降低冲击接地电阻[15]。选取不同射线长度的杆塔接地网，接地网仍为方框带射线，方框长度为15 m，土壤电阻率取500 Ω·m，计算得到三种接地材料在不同接地网射线长度下的接地电阻如图2所示。

由图2可以看出，增加输电线路杆塔接地网射线长度能够有效降低接地网的接地电阻，但是当接地网射线长度达到一定值后，继续增加接地网射线长度，其接地电阻值保持不变，说明接地体在某一土壤电阻率下存在一个有效长度，无限增大接地体长度，并不能取得较好的降阻效果；对比工频情况和冲击情况可以发现，增加接地网射线长度对于降低工频接地电阻效果比降低冲击接地电阻效果明显，杆塔接地网的冲击接地电阻比工频接地电阻先达到稳定值，但是工程上一般以工频接地电阻来反映杆塔接地网防雷情况，在一定程度上造成接地材料的浪费；同样可以发现，由于圆钢的趋肤效应比其他两种接地材料明显，锰铜和石墨的冲击降阻性能要优于圆钢。

1.3 不同土壤分层

反映泄流能力的接地阻抗与土壤结构和地网拓扑结构密切相关，而土壤分层结构反映了土壤状况，因此接地网特性参数与土壤分层结构有极其密切的关系[16]。为了反映柔性石墨接地体作为垂直接地极的性能，仍以F15Y50为例，接地网埋深为0.8 m，在方框的四个角处增加四根长度为2.5 m的垂直接地极，如图3所示。土壤分为两层，上/下层土壤电阻率为 100 Ω·m/1 000 Ω·m 和 1 000 Ω·m/100 Ω·m。保持垂直接地极长度不变，改变土壤分层的厚度，分析垂直接地极穿过土壤分层，未穿过土壤分层接地网的接地电阻。上层土壤厚度为0～50 m，下层土壤厚度为∞，得到石墨接地体接地电阻值如表2所示。

图2 不同接地材料的接地电阻随接地网射线长度的变化Fig.2 Grounding resistance of several grounding materials under different length of radial lines

图3 接地网敷设情况Fig.3 Laying of grounding network

表2 不同土壤分层下柔性石墨接地体的接地电阻Table 2 Grounding resistance of flexible graphite grounding Electrode under different soil layers

由表2可以发现，在分层土壤中，分层土壤的厚度对地网的接地电阻存在影响，对于上层土壤厚度为4 m、10 m和50 m，垂直接地都没有穿透上层土壤，但接地网的接地电阻却有较大差异；在下层土壤电阻率低于上层土壤电阻率的情况下，在接地网加垂直接地极，能够有效减小接地网的接地电阻，特别是垂直接地极穿过分层，进入低土壤电阻率区，这时，流过接地极的电流主要通过下层土壤泄放入地；在上层土壤厚度为0，即均匀土壤情况下，与表1（土壤电阻率为100 Ω·m和1 000 Ω·m）对比，可以发现，在垂直接地极较短的情况下，接地网降阻效果不明显，这与传统钢材的结论是一致的，因此，柔性石墨接地体在进行接地降阻时，传统的水平接地体与垂直接地体相结合的方式仍然适用。

2 柔性石墨接地体杆塔接地示范应用技术研究

2.1 工程概况

本节以实际工程为背景，介绍了柔性石墨接地体的施工及连接技术。示范工程在广东佛山选取存在较大腐蚀风险或已经存在严重腐蚀问题的杆塔进行接地网改造，经过实际考察，选取位于直流接地极附近的220 kV旗康甲线212号杆塔作为示范改造杆塔。在杆塔接地网中同沟平行敷设柔性石墨接地体和普通圆钢接地体，对比研究柔性石墨接地体与圆钢接地体的接地性能。

2.2 方案设计

经过实际调研，该杆塔的根开为5 m，土壤电阻率在220 Ω·m左右，根据当地要求，需要将杆塔接地电阻降低到10 Ω以下，设计方案接地网接地电阻为7 Ω。根据现场的地理环境及可开挖的条件，设计的方案为：采用ϕ28柔性石墨接地体和ϕ12圆钢接地体，敷设深度0.8 m，铁塔四周敷设长12 m、宽9 m的矩形接地网，矩形接地网一角选为注流点，沿矩形接地网某侧敷设长25 m两根放射线，如图4所示，工频接地电阻计算值柔性石墨接地网为5.98 Ω，圆钢接地网为6.18 Ω，现场施工如图5所示。需要说明的是，石墨接地体由于其柔性，与土壤接触良好，因此实际工程中反映的工频接地电阻更小。

图4 旗康甲线212号杆塔接地网改造方案Fig.4 Tower grounding reconstruction scheme of qikang line(212)

2.3 施工技术

2.3.1 沟槽开挖、回填技术

由于柔性石墨接地体本身具有柔性，能够大幅降低沟槽开挖的要求。一般情况下，需要按图6所示的截面形状及相应尺寸开挖沟槽，在开挖过程中如遇石头或树木可适当绕开，只要保证沟槽深度与总长度基本不变，即可满足接地要求。因此，工程施工难度大大降低。回填时用细土将沟槽填满，并加水夯实，将引下线与铁塔连接。图6中，为了进行对比，在沟槽底部平行敷设用于对比试验的石墨接地体与圆钢接地体。

图5 旗康甲线212号杆塔现场施工图Fig.5 Site construction of qikang line(212)

图6 接地沟槽开挖示意图Fig.6 Sketch map of grounding trench excavation

2.3.2 柔性石墨接地体的连接技术

由于柔性石墨接地体不能采用常规焊接方式进行连接，因此，实现石墨复合接地材料可靠地电连接，是决定接地装置寿命周期的关键所在。

对于本示范工程，铁塔塔脚与柔性石墨接地体的连接采用压接的方式，如图7（a）所示，经测试压接方法的接触电阻为2 mΩ。而对于石墨之间的相互连接则采用锁扣连接，如图7（b）所示，经过测量锁扣连接方式接触电阻为5 mΩ。

图7 柔性石墨接地体的连接方法Fig.7 Connection method of flexible graphite grounding electrode

2.3.3 引下线施工技术

接地引下线一端连接埋入地下的主网，一端连接地面上的输电杆塔，当发生雷雨天气时，雷击电流先经过杆塔再经过接地引下线接地，接地引下线提供了雷电流泄流通道，避免了因雷击而发生线路跳闸事故[17-18]。实际工程表明，接地网腐蚀最严重的部位是接地引下线上空气/土壤交界处，部分杆塔接地引下线甚至锈蚀断裂，不得不重新敷设地网，因此对接地引下需要有特殊的保护措施。由于柔性石墨接地体接头部分仍为金属，因此需要对引下线进行特殊保护。本工程对接地引下线连接方法为：先将柔性石墨接地体套于热缩管内，然后进行地下及铁塔连接，然后用热风枪或火把烘烤热缩管，使其收紧，如图8所示。为防止因气候条件或人为原因导致热缩管老化加速，可在引下线热缩管收缩后再套于PVC管内。

图8 接地引下线处理示意图Fig.8 Sketch map of grounding down lead

2.4 示范工程测量结果

接地网改造完成后，分别对柔性石墨接地网和圆钢接地网进行接地电阻测量，多次测量结果显示柔性石墨接地网的接地电阻为2.8Ω，圆钢接地网的接地电阻为3.6Ω，均满足了接地电阻小于10Ω的要求。接地电阻实测值比设计值偏小的原因是柔性的石墨接地体与土壤接触更为良好。两种材料的施工难度在现场施工过程中对比明显，由于柔性石墨接地材料柔软性的特点，在施工时相比于圆钢接地材料要简单很多。两种材料的腐蚀问题等待进一步开挖验证。

3 结论

以典型输电线路杆塔为例，分析了不同土壤电阻率、不同接地网射线长度和不同土壤分层情况下，柔性石墨接地体在输电线路杆塔中的应用情况，并与常用的金属接地材料进行了对比。得到结论如下：

1）柔性石墨接地体在高频电流作用下的利用率更大，且在地网射线长度越长、土壤电阻率越小，柔性石墨接地体冲击接地电阻与圆钢的差异越大，柔性石墨接地体对于杆塔防雷而言，相比圆钢体现出优势；

2）增加接地网射线长度对降低杆塔工频接地电阻效果比冲击接地电阻明显，接地体降阻效果存在一个有效长度；

3）柔性石墨接地体在进行接地降阻时，传统的水平接地体与垂直接地体相结合的方式仍然适用；

4）以实际工程为背景，介绍了柔性石墨接地体的施工及连接技术，为实际工程及试验提供了经验和依据。

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Application Study of Flexible Graphite Grounding Electrode in Typical Tower Grounding Grid

ZHAN Qinghua1,2,RUAN Jiangjun2,TANG Ke2,HUANG Daochun2,XIAO Wei1,2,LI Hengzhen1
（1.Foshan Power Supply Bureau,Guangdong Power Grid Company,Foshan 528000,China;2.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China）

The article simulates the typical tower grounding resistance using CDEGS.First of all,it compares the difference between the flexible graphite grounding electrode,round steel and manganin,in power frequency grounding performance and impulse grounding performance.The results show that the power frequency grounding resistance of the flexible graphite grounding electrode is slightly higher than that of the round steel.But due to its non-magnetism and weaker skin effect,the impulse grounding resis⁃tance is lower than that of the round steel.Thus,the flexible graphite grounding electrode has good light⁃ning protection grounding characteristics.Taking an application of flexible graphite grounding electrode in typical transmission lines in Foshan demonstration project as example,the practical engineering con⁃struction process and technology of the flexible graphite grounding electrode is introduced,which can pro⁃vide references for other similar engineering and test.

flexible graphite grounding electrode；application in tower grounding grid；grounding resistance；demonstration project

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.016

2016-06-16

詹清华（1977—），男，博士，高级工程师，研究方向为高压输电技术及管理工作。