张家界创远电力勘测设计有限责任公司 湖南张家界 427000
摘要：根据区域水文地质调查资料、现场踏勘及附近工程资料，本工程线经区内低山丘陵段约占线路长度的90%。该段土壤电阻率在1200～2200Ω•m之间；低洼水田、旱地约占线路长度的10%，该段土壤电阻率在100～600Ω•m之间；工程区域内土壤电阻率整体偏高。本工程所处地区雷暴日取值60天，属于多雷区。根据不同地形、不同土壤电阻率、不同接地形式分别使用圆钢、扩径柔性石墨带、复合导电混凝土作为接地材料。针对低山丘陵段的高土壤电阻率区域，设计了少开挖的紧凑的立体接地形式。经理论计算验证，立体式接地形式散流特性好，接地体利用率高，能有效解决高土壤电阻率地区的接地降阻难题。针对不同地形条件、土壤电阻率，分别优选不同的接地材料、接地型式，较大地提高了接地降阻效率。新型接地材料与新接地型式的配合使用，能有效减小接地装置规模、缩短施工工期，整体接地工程费用较常规接地方法减少约7%。
关键词：混凝土；导电混凝土；石墨接地技术；接地技术
1 本工程地质水文情况
1.1 沿线地形地貌
本工程拟建线路位于湖南省怀化市洪江市、中方县境内，经
过区域为低山丘陵地貌单元，全线海拔高度一般在200m～450之间，相对高差变化较大，一般在20～240m之内。
1.2 水文地质条件
根据区域水文地质调查资料、现场踏勘及附近工程资料，对于途经山地、丘陵且杆塔位基岩为粉砂岩、砂岩时，地下水主要以裂隙水的形式赋存，杆塔位基岩为灰岩时，地下水主要以溶蚀裂隙水的形式赋存。
据当地建筑经验，地下水和场地土对混凝土结构具微腐蚀；对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀。
1.3 土壤电阻率参考值
1） 山地丘陵
低山丘陵段约占线路长度的90%，其地层结构为：上覆第四系硬塑粘性土、粉质粘土，厚度一般在0.5～4.0m之间，下伏强～中等风化基岩，局部地段基岩直接出露。该段的电阻率在1200～2200Ω。
2） 低洼水田、旱地
低洼水田、旱地段约占线路长度的10%，其地层结构为：上部为第四系软塑～硬塑粘性土，厚度一般在1.0～5.0m之间，下部多为强～中等风化基岩，局部地段下部为砂卵石层。该段的电阻率在100～600Ω。
1.4 雷暴日
根据沿线气象站气温和雷暴日数的统计资料，并参考附近已建输电线路的设计取值和运行经验，本线路雷暴日数60天，属于多雷区。
2 接地设计原则
为优化接地设计，本接地设计在遵循一般计原则的情况下，还应考虑以下原则：
（1）雷电流是高频电流，有很强的趋肤性，一般沿地表散流，深层土壤散流作用很差。因此垂直接地的设计不宜过深。
（2）雷电流的高频性使接地体出现高电感效应，将阻碍雷电流向末端扩散，因此水平接地体不宜过长。
（3）应尽量减小接地装置占地范围，宜采用非开挖形式、少开挖式的接地设计。
根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010)，有地线的杆塔应接地。送电线路的杆塔接地装置主要是为了导泄雷电流入地，以保持线路有一定的耐雷水平。接地电阻的大小是影响输电线路耐雷水平最敏感的因素。雷电流通过接地装置向大地扩散时，起作用的是接地装置的冲击接地电阻而不是工频接地电阻。因此，如何保证冲击接地电阻合格，相当关键。
2.1 工频接地电阻设计要求
根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065-2011)，有地线的线路杆塔的工频接地电阻，不宜超过下表的规定。
式中： --每根垂直接地极的冲击接地电阻（Ω)；
--水平接地极的冲击接地电阻。
根据冲击接地电阻的计算公式以及冲击接地电阻定义，可以知道对于长度很大的接地体而言，由于高频雷电流会产生电感效应，导致冲击接地电阻大于工频接地电阻。这就是某些线路在工频接地电阻合格的情况下雷击跳闸率却居高不下的原因。
本报告选择的接地材料、设计的接地型式需保证工频接地电阻与冲击接地电阻在任何情况下均合格。
3 接地材料
3.1 接地材料的选择
3.1.1 圆钢
目前国内杆塔接地装置大多采用圆钢，材料价格较其他材料最为便宜。生产及施工经验成熟，可靠。抗腐蚀性较其他材料较差。此材料适用于本工程弱腐蚀、低电阻率地区。
3.1.2导电混凝土
导电混凝土是指由胶凝材料、导电相、骨料和水等组分按照一定配比混合凝结而成的复合材料，是由导电相部分取代混凝土中的普通骨料配制而成，具有规定的导电性能和一定力学性能的混凝土。导电混凝土具有良好的抗裂性和抗渗性，其与大地紧密结合，可以大大降低接地体与土壤间的接触电阻。
根据体积电阻率来进行的材料的分类，做电阻体、电极材料的体积电阻率应在0.1Ω•m～10Ω•m范围内，而试验制成导电混凝土电阻率经测算一般为0.5Ω•cm ～10Ω•m，因此导电混凝土在作为结构工程材料的同时，兼作为一种接地材料是可行的。
混凝土在线路工程基础工程用量大，掺入导电材料拌制的导电混凝土作为接地材料适用于任何电阻率地区。
3.1.3 柔性石墨带
选用高纯鳞片石墨（纯度³95%)，通过石墨的氧化处理和高温膨化过程制备膨胀石墨，并选用无机纤维与合成纤维以及一定配比的水乳型粘合剂，通过辊压、热塑以及绞线成型工艺制备了柔性石墨复合接地材料。石墨基柔性复合接地体既可作为接地引下线，又可作为埋地接地体。柔性石墨带与杆塔连接的连接端头采用不锈合金。
3.2 接地材料优化
3.2.1柔性石墨带
接地体在高频雷电流或者短路电流作用下表现出较强的趋肤效应，从而使得接地体的有效散流面积减小，仅表层导体参与散流，而中心材料的散流作用较小，为进一步提高接地材料的利用率，我公司对实心石墨复合接地材料进行结构改进，提出了低趋肤效应的扩径石墨复合接地材料。
（1）带状柔性石墨/玻纤复合接地材料系列产品，可短距离铺设、高效降阻，耐大冲击电流，能满足雷电流和短路故障电流的排散，有效解决土壤电阻率较高或难以开挖地区的降阻问题。保证电力系统安全可靠运行。
（2）带状柔性石墨/玻纤复合接地材料耐腐蚀性高，寿命长，减少更换次数，运输非常方便，且施工简单，提高了接地施工效率，降低施工成本。
（3）柔性石墨接地体一般采用扩径结构或编带结构，可有效提高石墨导电材料的利用率，这就意味着接地体与土壤的有效接触面积增加，使得接地体与土壤的接触面积增大，接触电阻减小，进而减小接地电阻。
（4）扩径石墨复合接地材料的内芯填充绝缘材料一般具有一定的抗拉强度，且具有柔性可弯曲特性，接地材料的力学性能得到提升。
柔性石墨带作为接地体，其连接方式考虑用螺栓连接。
3.2.2三相复合导电混凝土
导电混凝土采用的导电相材料分为两大类，即导电纤维和导电颗粒，从导电机理分析，纤维状的导电物质在混凝土内部容易相互搭桥，形成导电网络，颗粒状的导电物质，均匀分散于水泥浆体中，改善浆体的导电性能。
当前使用较多的导电混凝土一般为单掺石墨作为导电相材料。石墨粉末需要掺加较高掺量才能在混凝土基体内形成相互连通的导电网络，需要大幅度增加混凝土拌合物的用水量，导致混凝土的强度不够。考虑到单一导电材料的导电混凝土因其各自的优缺点而得不到有效应用。我公司自主设计并试验了一种石墨为主导电材料，碳纤维作为搭接导电互通网络的桥梁，钢纤维兼顾混凝土强度与搭接导电桥梁的三相复合导电混凝土。
我公司自主试验制作的导电混凝土选择含碳量在 98％的高碳鳞片石墨，混凝土中所含石墨质量分数为1%；选择密度为1800kg/m3，纤维长度6 mm，抗拉强度在3.5～4.5GPa，含碳量≥93%，堆积密度≥300 g/L，含水量<0.3%的聚丙烯腈短切碳纤维，混凝土中所含碳纤维体积分数为0.1%；选择直径0.2mm，长度为6mm，抗拉强度>2800Mpa，密度为7800kg/m3镀铜微丝型钢纤维，混凝土中所含钢纤维体积分数为0.2%。
具体制作工艺操作流程解释如下：
第一步：将粗细集料与钢纤维混合，水泥和石墨混合，再依次加入到搅拌机内，先进行干拌，干拌时间不少于1min，拌合均匀后停止拌合。
第二步：将减水剂、分散剂依次溶入40℃～60℃水中。分散剂的添加过程要边搅拌边缓缓加入，水溶液逐渐呈粘稠状，然后向桶内注入常温下的水（条件允许最好用温水），但不要将桶加满，留有一定的空间方便搅拌分散碳纤维；碳纤维的加入依然是边搅拌边加入，直至碳纤维添加完毕形成碳纤维分散水溶液。
第三步：将碳纤维分散水溶液加入到搅拌机内，为了安全起见，现场加完碳纤维分散水溶液后开启拌合机。膨胀防腐剂可此时加入。拌合站人员根据经验向拌合机里注入一定量的冷水以调整坍落度。碳纤维在拌合机内的理想搅拌时间约90s，而实际的搅拌时间约2min～3min。
完成混凝土制备后，需及时浇注。
注：复合导电混凝土材料单价仅包含导电相材料价格，常规混凝土材料费用计入基础工程。
根据表3.3-1可知，扩径柔性石墨带与复合导电混凝土机械强度与使用寿命都具有优势。
圆钢虽然价格最低，可以在土壤电阻率较低的地区使用。但是它在全寿命周期内需要更换1次，不利于运行维护。
扩径柔性石墨带价格稍高，但是使用寿命长。经验证，其降阻散流效果较好，而且质量轻便，方便运输，能在任意地区均可使用，可以考虑逐步替代圆钢成为主要接地材料。
复合导电混凝土价格偏高在于导电相材料价格偏贵。但是由于其制作方法与常规混凝土差别不大，工艺简单，易于推广。在某些土壤电阻率较低的地区运用导电混凝土基础自然接地后，可以取消人工接地敷设，即做到基础工程与接地工程同步完成。这样不但简化了施工流程，而且减少环境破环与青苗赔偿，尤其是苗圃等经济作物的赔偿。在某些土壤电阻率较高的地区配合其他新接地材料使用，可以做到减小接地设计规模，提高降阻效率的效果。
综上所述，三种接地材料各有优劣。因此，不同的接地材料需要根据不同的环境、不同的土壤电阻率、不同的接地型式分别使用或组合使用。
4 接地型式设计
4.1立体式接地设计
本工程有70%位于高土壤电阻率地区，由于受地理条件的限
制，接地射线水平方向扩展的降阻方法因开挖困难而难以实现。因此本报告提出补充采用垂直接地来降低接地电阻的方法，将接地装置向纵深方向扩展，使入地电流通过垂直接地流向大地深处。
立体式接地设计的关键在设置的垂直接地的数量与长度。在以往的接地设计中，由于对垂直接地极的应用缺乏深入的研究，设置的垂直接地体往往数量众多而长度较长，这样散流效果受限，不仅没有起到理想的降阻效果反而造成浪费。
4.1.1无水平射线立体接地型式
本报告针对600Ω•m≤ρ≤1200Ω•m地区，设计了一种无水平射线的立体接地型式，代号C型。该接地型式基础采用导电混凝土，再在水平线框四周等距设置8个直径为150mm的钻孔，钻孔内布置接地体（扩径柔性石墨带），垂直布置的接地体与水平布置的接地体可靠连接，最后在孔内灌注导电混凝土。其示意图如下。
4.1.2紧凑型立体接地
本报告针对1200Ω•m≤ρ≤2200Ω•m地区，设计了一种紧凑型立体接地，代号D型。该接地型式基础采用导电混凝土，再在水平接地的基础上设置12个直径为150mm的钻孔，钻孔内布置垂直接地体，垂直布置的接地体与水平布置的接地体可靠连接，最后在孔内灌注导电混凝土。其示意图如图4.1-4紧凑型立体接地设计剖面图、表4.3-1各接地型式代号
D型紧凑型立体接地设计平面图所示。
通过前述第2节相关接地电阻计算公式进行计算，该接地型式能达到期望的接地电阻。
4.4 推荐的接地装置与常规接地装置的技术经济比较
下面针对一处土壤电阻率为800Ω•m的塔位比较常规接地方法与本报告新设计的接地方法的经济性。考虑该塔位铁塔为2型直线塔，基础型式为掏挖式基础。根据土壤电阻率，选择本报告设计的C型接地型式，垂直接地深度为1.5米。
适用于高土壤电阻率地区的立体接地占地面积较常规接地要小，开挖量小，符合节能环保的要求。在全寿命周期内费用也具有优势。普通圆钢使用寿命按 20 年考虑，新型接地材料耐腐蚀性强，一般可以用到40年，有利于运行。
表4.4-1比较了本报告推荐的C型接地装置与常规接地装置的全寿命周期费用。通过比较可知，本报告推荐的新型接地型式配合新型接地材料较常规接地设计费用降低7%。
综合全寿命周期费用、运行条件、施工难度与环境保护等方面考虑，本报告所设计的新型接地型式配合新型接地材料的接地降阻方案具有一定的优势，建议使用。
5 结论
根据本工程地质条件、沿线土壤电阻率和雷暴日等设计条件，本报告推荐了三种接地材料：圆钢、扩径柔性石墨带、复合导电混凝土，设计了两种新型复合接地型式（C型、D型）。以上三种接地新材料与新接地型式根据不同土壤电阻率配合使用。具体方案如下：
本报告推荐在ρ≤300Ω•m的地区采用导电混凝土基础自然接地，不设人工接地；在300Ω•m≤ρ≤600Ω•m的平地采用圆钢、导电混凝土作为接地体材料；在600Ω•m≤ρ≤2200Ω•m高土壤电阻率的地区采用扩径柔性石墨带、复合导电混凝土作为接地体材料。
本报告推荐在600Ω•m≤ρ≤1200Ω•m的高土壤电阻率地区采用C型无射线立体接地型式，在1200Ω•m≤ρ≤2200Ω•m高土壤电阻率地区采用D型紧凑型立体接地型式。
综合全寿命周期费用、运行条件、施工难度与环境保护等方面考虑，本报告所设计的新型接地型式配合新型接地材料的接地降阻方案具有一定的优势，建议使用。
参考文献：
[1]李景禄，杨廷方，周羽生.接地降阻应用及存在问题分析[J].高电压技术，2004，3.
[2]丁国君，寇晓适，郭磊，等.基于改性石墨材质接地体的应用研究[J].智能电网，2015，6.
论文作者:张定军
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/7
标签：电阻率论文; 混凝土论文; 石墨论文; 材料论文; 土壤论文; 型式论文; 电阻论文; 《基层建设》2017年第13期论文;