水源区杆塔外敷电极条件下的基础接地特性

2021-01-08安韵竹胡元潮吕启深

科学技术与工程 2020年34期

方潇，安韵竹*，胡元潮，向真，黄涛，吕启深

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，淄博 255000； 2.深圳供电局有限公司，深圳 518000；3.国网江苏省电力工程咨询有限公司，南京210000)

输电线路杆塔作为输电系统的主要组成部分，其接地性能良好是确保雷电流顺利泄放、避免产生高电位差危及人身和电力设备安全的重要保障[1-3]。水源区杆塔所在地区降水充足，导致线路受天气原因易遭受雷击出现跳闸现象，因此部分输电线路杆塔需要降阻。输电杆塔降阻需要增设人工接地体，当雷电流流经钢筋与接地装置时，受不同因素影响导致其散流不均匀。而实际运维经验表明：降低杆塔接地网的接地电阻和分析接地装置的散流规律是水源区杆塔接地优化设计的重要基础[4-7]。

针对改善水源区输电线路杆塔接地特性这一课题，中外学者为此展开了深入细致的研究工作。传统的降阻方法通常采用外接接地极、接地网等，此类方法目的是增加接地极的长度、优化接地极的布置方式[8]。由于水源区土壤潮湿，传统金属接地材料更易腐蚀。而近年来涌现出的柔性石墨复合接地材料[9-11]是一种由高导电率鳞片石墨、合成纤维作为主要材料的新型非金属材料，可有效解决水源区传统金属接地材料易腐蚀、电感作用大等问题。同时为优化输电线路杆塔的散流特性，文献[12-14]在未考虑使用柔性石墨复合接地材料外敷塔基的基础上，采用有限元和边界元的方法研究了杆塔塔基的散流特性。

现采用COMSOL Multiphysics软件，采用仿真模拟的方法，分别计算水源区杆塔桩基在柔性电极不同外敷面积、不同外敷半径和不同连接位置条件下的杆塔基础接地电阻，分析对比不同因素下钢筋内芯电流密度以及外层柔性电极的电流密度，确定不同因素下的最优方案，为水源区输电线路杆塔的设计和施工提供依据。

1 水源区塔基外敷仿真模型建立

水源区输电线路杆塔基础尺寸较大，内含钢筋数量众多，多采用混凝土浇筑而成。钢筋作为杆塔桩基的骨架，大多数被包裹在混凝土中。当雷电流流过钢筋时，由于混凝土的电阻率一般可达数千欧甚至在干燥环境中可达兆欧，这使得杆塔桩基内钢筋电流向大地散流变得十分困难。因此，将采用一种桩基外敷柔性电极的接地方式，来达到提高杆塔桩基内部钢筋散流效率，降低接地电阻的目的。水源区的杆塔基坑与桩基仿真模型如图1所示。

为了充分利用水源区新建线路杆塔回填之前的降阻时间间隙，采用新型非金属导电材料对混凝土桩基进行外敷，该非金属复合材料以高导电率的鳞片石墨为主要导电材料，其厚度为3～4 mm，外形为平面布状，可实现任意卷曲和塑形，材料实测电阻率为3.5×10-5Ω·m。该接地装置外敷施工方法是在混凝土桩基被浇注完成后，将接地装置均匀外敷在混凝土桩基外，最后采用细软土进行回填。外敷柔性面状电极结构以及桩基外敷仿真模型如图2所示。

通过COMSOL Multiphysics软件对输电线路杆塔桩基构建等值模型。杆塔4个基坑中均为单桩基，取一个基坑中的单桩基进行建模。单根混凝土桩基是高为9 m，半径为0.6 m的圆柱体，桩基内部由23根直径为22 mm的垂直钢筋沿着半径为0.45 m的圆环均匀排布而成。为简化建模过程，将钢筋模型等效为外半径为0.45 m，内半径为0.43 m的圆筒模型，圆筒顶端高出土壤0.2 m，混凝土厚度为0.02 m。仿真计算模型中土壤模块为边长300 m的正方体，注入电流为5 kA，选取混凝土电阻率为8 000 Ω·m。

2 柔性电极外敷面积的影响

2.1 外敷面积对接地电阻的影响

为分析不同柔性电极外敷面积对杆塔接地特性的影响，通过COMSOL Multiphysics建立仿真模型。设置对照组，其桩基采用自然接地方式。另设置3组降阻方案，分别为方案Ⅰ采用外敷1/3面积柔性电极形式，方案Ⅱ采用外敷2/3面积柔性电极形式，方案Ⅲ采用全外敷柔性电极形式。三种方案的外敷柔性电极总体呈“筒”式结构，内芯钢筋与柔性电极之间通过引下线连接，紧密外敷在杆塔桩基外，不同方案下的杆塔桩基仿真模型如图3所示。

图3 不同外敷面积杆塔桩基Fig.3 Pile foundations for towers with different applied areas

改变“筒”式柔性电极外敷面积，杆塔基础接地电阻计算结果如表1所示。

由表1计算数据可知：相比自然接地，采用降阻方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之后，杆塔接地电阻大幅度降低，而降阻效率随土壤电阻率的增大而减小。其原因在于同一土壤电阻率情况下，电流“泄流”路径与这两部分导体所处的介质电阻率有关。当混凝土电阻率较高时，与外界介质电阻率形成巨大反差，电流更倾向于朝外部柔性电极构成的导电回路散流。而随着土壤电阻率的升高，介质之间的电阻率差值减小，外敷柔性电极的分流作用减弱。因此，电流在高土壤电阻率情况下泄散困难，桩基外敷柔性电极的降阻效率逐渐降低。

表1 不同外敷面积条件下的接地电阻

对比三种桩基外敷柔性电极降阻方案的接地电阻可知，相同土壤电阻率条件下，方案Ⅲ的降阻效率最高。如当在土壤电阻率为50 Ω·m时，桩基自然接地的接地电阻为44.167 Ω，采用方案Ⅰ后接地电阻为5.053 4 Ω，降阻效率为88.6%。采用方案Ⅲ后降至2.701 9 Ω，方案Ⅲ的降阻效率达到93.9%。而当土壤电阻率为500 Ω·m时，方案Ⅲ的降阻效率是方案Ⅰ的1.5倍，降阻效果显著。

2.2 钢筋与外敷导体的分流

为分析外敷柔性电极的覆盖面积对接地体电流密度分布的影响规律，分别对不同仿真模型进行计算，给出了土壤电阻率为400 Ω·m，混凝土电阻率为8 000 Ω·m时接地体的电流密度如图4所示。

图4 不同外敷面积下接地体的电流密度Fig.4 Current density of grounding electrode under different external application areas

由图4可以看出：当桩基自然接地时，由于混凝土电阻率远大于土壤电阻率，导致钢筋电流无法实现有效泄散。采用方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ后，桩基内钢筋的电流密度逐渐降低，外敷柔性电极的电流密度升高，而随着柔性电极外敷面积的增加，混凝土桩基内绝大部分电流沿着柔性电极向土壤四周散流，只有一小部分电流通过钢筋散流，说明电流更多地通过外敷电极排散至土壤，配合桩基内钢筋，使杆塔桩基的散流能力得到提高。

3 柔性电极外敷位置的影响

分析计算在无外敷条件下以及柔性电极在不同外敷位置条件下接地体的接地电阻和钢筋电流密度分布的规律，计算模型如图5所示。

图5 不同外敷位置杆塔桩基Fig.5 Different external application position tower pile foundation

3.1 外敷位置对接地电阻的影响

改变柔性电极外敷位置，顶端、中部、底端外敷位置分别为：地下0.2～3.07 m、地下3.07～5.94 m、地下5.94～8.81 m，柔性电极高度均为2.87 m，杆塔桩基接地电阻计算结果如表2所示。

由表2计算结果可知：在均一土壤电阻率情况下，相比自然接地，采用外敷柔性电极之后，杆塔接地电阻大幅度降低。随着埋设深度的增加，接地电阻增加具有饱和性，相比之下底端外敷降阻效率最佳。其原因在于同一土壤电阻率情况下，当埋深较小时，接地体向地表面散射的电流线受水平地面的影响不能直线伸展，受到阻碍作用改变方向呈曲线伸展，使接地体上方的电流线密度增大，接地体无法充分散流，因此接地电阻增大。当埋设深度增加时，散流受地面影响减弱，接地体散流充分。不过当埋深达到一定程度后，降阻速率远远低于埋深增加的速率，因此，接地体具有有效埋深。实际施工要在有效埋深处外敷柔性电极，来达到接地体降阻最优化的效果。

3.2 钢筋散流特性分析

为对比分析外敷位置对钢筋电流密度分布的影响规律，将塔基内芯钢筋模型垂直于地表方向自上而下取等距的10个观测点，依次记为1～ 10号。分别计算土壤电阻率(ρ)为50、500 Ω·m条件下的钢筋电流密度，计算结果如图6所示。

由图6可知，有效埋深与土壤电阻率有关。在同一观测点，500 Ω·m的钢筋电流密度数值约为50 Ω·m的6倍，说明有效埋深反映了土壤的导电性能，土壤电阻率越小，导电性能越优异，有效埋深就小。从观测点1～4可知，三种外敷方式中顶端外敷钢筋电流密度下降缓慢，说明埋深较小时，受地面影响对散流有抑制作用。随着埋深的增加，在观测点4～7时中部外敷钢筋电流密度基本保持不变，而底端外敷在观测点7时钢筋电流密度约为0，散流基本完毕，说明在中部外敷与底端外敷之间存在一个有效埋深点，即选择有效埋深可快速充分“泄流”。

4 柔性电极外敷半径的影响

分别研究不同柔性电极外敷半径r条件下接地体的接地电阻和电流密度分布的规律。计算模型如图7所示。外敷柔性电极与混凝土桩基为同心圆柱体结构，半径(r)分别为0.644、1.288、2.576 m。

4.1 降阻效率分析

改变柔性电极外敷半径r，计算自然接地接地电阻以及对比分析不同土壤电阻率下三种外敷半径的降阻效率η，计算结果如表3所示。

根据表3分析可得：均一土壤电阻率情况下，随着柔性电极外敷半径的增大，降阻系数逐渐增大，降阻效果越显著。其中，r=2.576 m时降阻系数受土壤电阻率影响小，即使在500 Ω·m的土壤电阻率条件下，其降阻效率仍然可以达到78.10%。但随着土壤电阻率的升高，降阻效率呈降低趋势。

表3 不同外敷半径接地体的接地电阻

4.2 钢筋与外敷导体的分流

研究不同外敷半径下柔性电极与钢筋电流密度的分布规律。取土壤电阻率为400 Ω·m时，不同外敷半径下接地体三维及背面电流密度分布规律如图8所示。

从左到右接地体的外敷半径分别为0.644、1.288、2.576 m图8 不同外敷半径下的接地体电流密度Fig.8 Current density of grounding electrode with different applied radii

在桩基内柔性电极表面垂直于地表方向取不同的截点，截点范围为地下0～9 m，得到不同半径下柔性电极在垂直地表方向的电流密度分布趋势如图9所示。

图9 不同半径柔性电极电流密度分布趋势Fig.9 Trend of current density distribution of flexible electrodes with different radii

由图8分析可得：采用外敷柔性电极后，桩基内钢筋的电流密度与外敷柔性电极上的电流密度形成明显差异，说明桩基主要通过外敷柔性电极进行散流。且随着柔性电极外敷半径的增加，桩基内钢筋电流密度进一步降低，说明更多的电流通过外敷电极排散至土壤。当r=2.576 m时，柔性电极背面电流密度分布极不均匀，原因是正面柔性电极已经充分散流。根据图9定量分析垂直于地表方向柔性电极的电流密度分布趋势，虽然三种半径条件下桩基外柔性电极电流密度在末端都会衰减至0，但是散流效率不一样。1.288 m与2.576 m散流效率差别不大，但明显高于0.644 m，说明外敷半径存在有效半径，这提示在实际施工时应避免外敷接地体半径过大造成材料浪费。