杆塔导电混凝土基础冲击接地电阻和热力学特性仿真研究

曾军琴，周 伟，刘宇彬，冯新军

（1.湖南经研电力设计有限公司，湖南 长沙 410114；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

0 引言

大多数输电线路杆塔位于野外空旷地带，容易遭受雷击造成输电线路故障。为了保持输电线路的安全稳定运行，对输电线路采取有效的防雷接地措施非常重要。目前，我国普遍采用圆钢、扁钢、角钢等金属材料作为输电线路杆塔接地材料，但是这些金属材料耐腐蚀性差，长时间使用后易失效，导致接地电阻增大，严重降低了接地网的接地性能，为输电线路安全稳定运行埋下了隐患，并大大增加了后期的维护和改建费用［1-4］。

20 世纪90年代以来，各国研究人员对混凝土性能的提升做了大量工作，创造性研发了导电混凝土。经过二十多年的研究，导电混凝土的制备技术已经相对成熟，导电混凝土已经开始应用在输电线路杆塔的接地工程中［5-8］。影响输电线路抗雷击能力最敏感的因素是杆塔接地电阻，因此输电线路防雷保护的一个重要措施就是减小杆塔接地电阻［9-12］。由于雷电流具有幅值大、等效频率高的特点，导电混凝土基础在雷电流作用下的冲击接地电阻与工频接地电阻有较大差别。因此，不能完全依据工频电阻来评估杆塔导电混凝土基础的防雷效果，而应在雷电冲击条件下对杆塔导电混凝土基础接地电阻进行研究。此外，当输电线路遭受雷击时，雷电流注入杆塔顶部，沿着塔身迅速进入导电混凝土基础和接地体散流入地。因此，需要研究雷电流的进入是否会对导电混凝土基础造成热力学影响。

为此，采用国际通用接地分析软件CDEGS 仿真分析导电混凝土基础在雷电流激励下的冲击接地电阻和热力学特性，对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响因素以及导电混凝土基础的稳定性和安全性进行研究，为今后相关研究提供理论基础。

1 导电混凝土基础接地建模

参考湖南省220 kV等级输电线路杆塔基础的常用结构，导电混凝土基础采用直柱型基础，相邻两个基础中心之间的距离为10 m，基础主筋为直径25 mm的热轧带肋钢筋；接地体由直径10 mm 的圆钢构成，采用闭合环形和放射形结合的水平接地形式，埋深0.7 m。在CDEGS 软件中构建220 kV 输电线路杆塔导电混凝土基础接地系统模型，如图1 所示。该模型包括导电混凝土基础、基础中的钢筋、靠近基础的接地体和雷电激励源4个部分。

图1 220 kV输电线路杆塔导电混凝土基础接地系统模型

为获得冲击接地特性优良的接地方案，设计两种导电混凝土基础接地方案进行对比研究。方案Ⅰ：接地体与导电混凝土基础共同采用，通过连接线连接基础钢筋和接地体。方案Ⅱ：取消接地体，直接采用导电混凝土基础自然接地。在CDEGS 软件的MALZ 模块中建立两种接地方案的模型，分别如图2 和图3 所示。建立模型后，在CDEGS 软件的激励模块中设定雷电流激励，采用2.6/50 μs 波形作为雷电流的标准波形，雷电流幅值取10 kA，仿真研究杆塔导电混凝土基础冲击接地电阻的影响因素，并分析不同接地方案导电混凝土基础的热力学特性。

图2 方案Ⅰ模型

图3 方案Ⅱ模型

2 导电混凝土基础冲击接地电阻仿真分析

2.1 土壤电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

固定导电混凝土的电阻率为100 Ω·m，依次在200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、2 000 Ω·m、2 500 Ω·m、3 000 Ω·m土壤电阻率下注入雷电流，分别计算杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻，结果如图4所示。

图4 土壤电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

从图4 可以看出，随着土壤电阻率的增加，两种方案的导电混凝土基础的冲击接地电阻均快速增大，说明无论是否加水平接地体，土壤电阻率均对导电混凝土基础冲击接地电阻有很大影响。土壤电阻率越大，对杆塔导电混凝土基础的散流越不利。在相同土壤电阻率的情况下，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻均低于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻。随着土壤电阻率的增大，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异越来越大。当土壤电阻率低于1 500 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻接近于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻。当土壤电阻率高于1 500 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异较大。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》要求杆塔接地工频电阻不宜大于25 Ω，因此对土壤电阻率低于1 500 Ω·m 时导电混凝土基础自然接地时的工频接地电阻进行了仿真计算，结果如表1所示。

表1 工频接地电阻（土壤电阻率低于1 500 Ω·m）

从表1 可以看出，当土壤电阻率低于500 Ω·m导电混凝土基础自然接地时的工频接地电阻小于25 Ω。因此当土壤电阻率低于500 Ω·m 时，建议采用导电混凝土基础自然接地。

2.2 导电混凝土电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

固定土壤电阻率为500 Ω·m，依次在1 Ω·m、10 Ω·m、20 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、150 Ω·m、200 Ω·m、300 Ω·m 导电混凝土电阻率下注入雷电流，分别计算杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻，结果如图5所示。

图5 导电混凝土电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

从图5 可以看出，随导电混凝土电阻率的增加，两种方案的导电混凝土基础的冲击接地电阻均不断增大，说明导电混凝土电阻率越高对杆塔导电混凝土基础的散流越不利。在相同导电混凝土电阻率的情况下，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻均比导电混凝土基础自然接地的冲击电阻更小。随着导电混凝土电阻率的增大，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异越来越大。当导电混凝土电阻率低于50 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻接近于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻。当导电混凝土电阻率高于50 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异较大。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》要求杆塔接地工频电阻不宜大于25 Ω，因此对导电混凝土电阻率等于50 Ω·m 时导电混凝土基础自然接地时的工频接地电阻进行了仿真计算，结果如表2所示。

表2 工频接地电阻（导电混凝土电阻率50 Ω·m）

从表1和表2可以看出，当导电混凝土电阻率分别取100 Ω·m 和50 Ω·m 时，在相同土壤电阻率下导电混凝土基础自然接地时的工频接地电阻相差非常小，不超过0.1 Ω·m。

2.3 接地体长度对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

方案Ⅰ中，设定土壤电阻率为500 Ω·m，导电混凝土电阻率为100 Ω·m，接地体长度分别取20 m、40 m、60 m，对杆塔导电混凝土基础接地系统注入雷电流，分别计算杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻，结果如图6所示。

图6 接地体长度对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

从图6 可以看出，当同时采用接地体和导电混凝土基础时，随着接地体长度的增加，杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻越来越小，散流效果越来越好，并且在接地体长度为40 m 时逐渐稳定，因此建议接地体长度取40 m。

3 导电混凝土基础热力学特性仿真分析

3.1 同时采用接地体和导电混凝土基础

方案Ⅰ接地模型中，设定土壤电阻率为500 Ω·m，导电混凝土电阻率为100 Ω·m，在4个接地引线处分别加入幅值为10 kA 的雷电流激励。由于4 个导电混凝土基础是对称分布的，并且在4 个基础中的雷电流和磁场强度分布也是相同的，所以只须分析其中的一个基础。杆塔雷电流的大部分通过接地体和基础钢筋的连接点进入导电混凝土基础，所以和连接点位于同一个面的基础钢筋受力和受热最大；而在该平面中，雷电流与磁场强度最大的区域是连接点附近的基础钢筋。因此，只须仿真分析连接点附近的基础钢筋即可得到导电混凝土基础钢筋的最大受力与受热。方案Ⅰ雷电流注入面的电流和磁场强度分布如图7所示。

图7 方案Ⅰ雷电流注入面的电流和磁场强度分布

从图7 中提取出雷电流注入面的最大电流和磁场强度，分别是501.670 9 A 和489.632 A/m。根据毕奥-萨伐尔定律，由基础钢筋中的电流和钢筋所在位置的磁场强度即可计算钢筋的受力F=∫Idl×B，其中I为混凝土基础钢筋中的电流，l为混凝土基础钢筋的长度，B为钢筋所在位置的磁场强度。由于力的作用是相互的，导电混凝土基础的受力与钢筋的受力大小相等、方向相反，可以得到对应每段钢筋所在位置的导电混凝土的受力F=0.308 N/m。

设定钢筋电阻率ρ=6.58 × 10-7Ω·m，钢筋截面直径d=25 mm，单位长度钢筋的电阻R=ρ×l/s=4ρ×l/（πd2）≈1.454×10-3Ω，单位时间内产生的最大热量为Q=I2×R=0.365 9 kJ，单位长度横向钢筋的重量为m=3.551 kg，钢筋的比热容约为c=0.46 kJ/（kg·K），因此单位时间内导电混凝土基础钢筋温升Δt=Q/（cm）=0.365 9/（0.46×3.551）=0.224 ℃。雷电流的持续时间一般远小于1s，导电混凝土基础钢筋实际温升要小于0.224 ℃，远远小于25 ℃，因此导电混凝土基础是稳定和安全的。

3.2 导电混凝土基础自然接地

方案Ⅱ模型中，设定土壤电阻率为500 Ω·m，导电混凝土电阻率为100 Ω·m，将幅值为10 kA 的雷电流注入导电混凝土基础中，仿真分析雷电流注入点附近的电流与磁场强度分布，结果如图8所示。

图8 方案Ⅱ雷电流注入点附近的电流和磁场强度分布

从图8 中提取出雷击点附近的最大电流与磁场强度，分别是3 256.257 A 和1 042.474 A/m。根据毕奥-萨伐尔定律，由最大电流和磁场强度可计算得到单位长度基础钢筋的最大受力F=4.26 N/m，单位时间内产生的最大热量为Q=I2R=15.46 kJ，单位时间内导电混凝土基础钢筋温升Δt=Q/（cm）=9.44 ℃。雷电流持续时间一般远小于1s。因此导电混凝土基础钢筋温升也远小于25 ℃，即方案Ⅱ中的导电混凝土基础也是安全的。

4 结语

当土壤电阻率低于1 500 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻接近于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻。当土壤电阻率高于1 500 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异较大。

当导电混凝土电阻率低于50 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻接近于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻。当导电混凝土电阻率高于50 Ω·m 时，同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异较大。

当土壤电阻率低于500 Ω·m 时，建议采用导电混凝土基础自然接地。

当同时采用接地体和导电混凝土基础时，随着接地体长度的增大，导电混凝土基础的冲击接地电阻越来越小，并且在接地体长度为40 m时逐渐稳定。

在受到雷电流侵袭时，同时采用接地体和导电混凝土基础时导电混凝土基础的温升远小于导电混凝土基础自然接地的温升，但这两种接地方案的温升都远小于25 ℃，因此都是安全稳定的。