架空输电线路杆塔接地装置的选型原则

杨 巍，朱天浩

（中国电力企业联合会电力建设技术经济咨询中心，北京 100053）

架空输电线路杆塔接地装置的选型原则

杨 巍，朱天浩

（中国电力企业联合会电力建设技术经济咨询中心，北京 100053）

为研究杆塔接地装置的选择原则，本文介绍了工程中各类常见接地装置及其接地电阻计算方法，以单基铁塔接地为例计算出在满足现行规程要求的前提下各类常见接地装置在不同土壤电阻率时的接地方案，进而得到其各自的材料量、土方量和接地总造价。通过多方案技术经济比较，分析了各接地装置的适用范围，并对其进行了归类，给出了同类地区接地装置选择的优先级顺序，以期对输电线路杆塔的接地设计提供一定的参考。

工频接地电阻；接地装置；优先级顺序。

1　概述

架空输电线路杆塔接地装置的主要作用是当线路杆塔遭受雷击时，快速将雷电流引入大地，避免塔顶电位升高，引起导线绝缘子闪络，发生反击放电，导致线路跳闸，影响电力系统的安全稳定运行。降低杆塔接地装置的接地电阻是提高线路耐雷水平，降低线路雷击跳闸率的主要措施之一。

本文主要根据现行技术规范的要求，结合工程实践经验，通过多方案技术经济比较，明确了常见各接地装置的适用范围，总结不同地区的接地装置选型原则，得出同类地区接地装置选型的优先级顺序，以期对输电线路杆塔的接地设计提供一定的参考。

2　自然接地

根据文献［1］ 第5.1.2条和第5.1.5条，对于土壤电阻率ρ≤100的潮湿地区以及有运行经验的地区，可利用铁塔和钢筋混凝土基础自然接地。当杆塔基础采用柔性基础或灌注桩基础时，应充分利用基础钢筋网架作为自然接地体。

在基础钢筋数量和埋深确定后，其工频接地电阻的计算，可以采用钢筋直径代入水平或垂直接地装置的接地电阻计算公式，进行计算。以灌注桩基础为例，考虑到灌注桩属深埋基础，其工频接地电阻按垂直接地极计算，接地电阻计算式为：

式中：RV为垂直接地极的接地电阻（Ω）；ρ为土壤电阻率（Ω·m）；l为单根垂直接地极的长度（m）；d为接地体直径或等效直径，此处为灌注桩主筋直径。

在土壤电阻率较低的地区应优先考虑采用基础自然接地，此时在满足工频接地电阻要求的同时，还应保证基础钢筋和接地连接钢筋满足热效应的要求。大量实践证明，利用基础钢筋作为自然接地体是切实可行的，尤其在规划区、水田河网区、海底腐蚀严重区，敷设和运行维护接地网都存在较大的困难且费用较高，基础钢筋由于受到混凝土的保护不易氧化，基本上不存在钢筋腐蚀的情况。

3　人工接地装置

3.1闭合环形接地装置

居民区、水田中及其他水平接地体敷设受限制的地区，接地装置宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形。其接地电阻Rh采用式（2）计算。

式中：Rh为水平接地极的接地电阻（Ω）；L为水平接地极的总长度（m）；h为水平接地极的埋设深度（m）；A为水平接地极的形状系数，按文献［1］中表A.0.2的规定采用。

当采用闭合环形接地装置接地电阻无法满足要求或接地开挖受限时，可采用闭合环形接地装置+垂直接地极，接地极常采用一定长度的镀锌扁钢、角钢或空心圆钢等材料。

单根垂直接地极的接地电阻RV采用式（1）计算，组合接地电阻Ri采用式（3）计算：

3.2水平放射型接地装置

水平放射型接地装置是目前应用最广、最常见的一种接地装置。该接地装置采用若干根总长度不超过500 m的放射形接地极或采用连续伸长接地极串联或并联。接地电阻采用式（2）计算，其中A取值为1.76。

通过多年的实践经验证明，水平放射型接地装置具有降阻效果好、造价低、施工时简单易操作等多个优势。

采用水平放射型接地装置时，接地体材料的选择至关重要，它直接关系到接地体使用寿命的长短。在地下水或地基土对钢结构无腐蚀地区，常采用Φ12镀锌圆钢；在腐蚀性不严重地区，可采用Φ14～Φ20的大直径镀锌圆钢或钢管；在腐蚀性严重地区，可采用耐腐蚀性能较优的不锈钢复合材料、软体石墨接地缆、铜覆钢或纯铜等材料延长接地体的使用寿命，保证接地系统的可靠性。

3.3接地模块

接地模块由非金属导电材料挤压成型（主要有方形、柱型和梅花形），其强度高，材料自身电阻率低，相对于传统的金属接地体扩大了接地体的等效直径，它主要是通过增大与土壤接触面积降低接触电阻，在相同故障电流的情况下能更快地将故障电流导入大地。此外，接地模块安装在接地体上以多通道分散布置，在多雷地区有很好的降低大电流冲击的分流作用。

图1　铁塔水平放射型接地体和接地模块的组合示意图

采用图1水平接地装置+接地模块时，水平接地体的接地电阻采用式（2）计算，单个接地模块接地电阻采用式（4）计算，n个相同尺寸接地模块接地电阻采用式（5）计算。

式中：k为降阻系数，主要取决于接地模块的形状和尺寸，可参考厂家产品手册选取。

对于常规尺寸的接地模块，在ρ≥1000Ω·m时， 通常k取0.2左右；n为接地模块数量；η为屏蔽系数，当相邻模块间距m≥5 m时，η=1；当m＜5 m时，考虑到相邻模块间的屏蔽效应，η应适当增加，参考多个厂家产品手册提出以下η取值仅供设计参考，

m＜1时，η=1.7；

m=1～2时，η=1.5；

m=2～3时，η=1.3；

m=3～4时，η=1.1；

水平接地体与n个接地模块组合后的接地电阻采用式（6）计算：

3.4物理型降阻剂

物理型降阻剂不含腐蚀性的氯离子，施工时将降阻剂与水混合成胶体，均匀地包裹在接地体表面。由于降阻剂电阻率很低，施加的降阻剂可以看成是等同于接地体的导体，等同于增加了接地体尺寸，同时增加接地体与大地的有效接触面积，有利于稳定泄流降阻。

由于影响接地电阻的因素甚多，至今为止还没有一个切实的精确公式可利用。参考多个厂家产品手册，提出以下公式供设计参考。

（1） 垂直接地体

一般2～3 m浅井采用50×50×5 mm的角钢或管材，大于3 m的深井采用Φ50 mm的钢管为金属电极。

式中：dz为外包降阻剂后接地体综合直径（不计金属极和渗透的体积因素），一般为0.1～0.2 m；kjv为降阻系数在以下范围选取：

ρ≤100Ω·m ，kjv=5；

100＜ ρ≤500Ω·m， kjv=10；

500＜ρ ≤1000Ω·m，kjv=15；

ρ＞1000Ω·m，kjv=20；

（2） 水平接地体：

式中：kjh为降阻系数在以下范围选取：

5≤ L＜20 m时，

ρ≤500Ω·m，kjh=10；

ρ ＞500Ω·m，kjh=30；

L≥20m时，

ρ ≤500Ω·m，kjh=50；

ρ ＞500Ω·m，kjh=100；

降阻剂的用量为：

式中：ρj为降阻剂的密度，约为1.35 t/m3。

3.5水平放射型接地装置与缓释型离子接地体的组合

缓释型离子接地体主要有直柱型和L型两种形式，它是靠内管填充料向土壤四周的缓慢扩散而来改变土壤电阻率，延缓地网腐蚀。它与接地模块降阻原理基本相同，通过提高接地体的散流特性降低接地电阻，且自身接地电阻比接地模块低。在高土壤电阻率地区，可采用水平放射型接地装置+缓释型离子接地体。

水平接地体接地电阻计算同式（2），单根离子接地体的接地电阻可参考厂家产品手册，n根同型号离子接地体的接地电阻计算同式（5），水平接地体与n根离子接地体组合后的接地电阻计算同式（6）。

3.6其他接地降阻方式

除以上接地型式外，还有换土（传统的物理型降阻方法）、牺牲阳极接地等，目前在输电线路中极少采用，此处不再累述。

4　杆塔接地多方案技术经济对比

下面以单基铁塔（假设根开为12 m，接地体埋深0.8 m，接地槽宽度0.35 m、无坡度）为例，按以上介绍的接地电阻计算方法计算出在满足现行规程要求的前提下各类常见接地装置在不同土壤电阻率时的接地方案，进而得到其各自的材料量、土方量和接地总造价（取费标准按Ⅱ类地区考虑），见图2～图4。

图2　各类常见接地装置的接地总造价（平地）

图3　各类常见接地装置的接地总造价（平地）

图4　各类常见接地装置的接地土方量

由图2～图3可知，自然接地最经济，不仅可降低工程造价，缩短施工周期，还省去了后期运行维护，因此有条件的地区应充分利用基础自然接地。

由图2可知，方案2～4造价最低，随着土壤电阻率的增加其造价基本呈线性平缓增加，其中方案2主要适用于的土壤电阻率较低地区，方案3和4主要适用于放射线外敷受限制的农田、水塘等地区；方案5在方案2～4基础上略有增加，考虑该方案便于施工，在放射线外敷不受限制的常规地区可优先选用；其余各方案在方案2～5的基础上增加较多，其中方案6、7、8主要用于腐蚀性严重地区，三个方案中方案6经济性较好，方案8经济性较差（约为方案5的7倍），主要原因为目前软体接地缆单价较高，约为φ12镀锌圆钢的14倍。方案9、10、11主要用于土壤电阻率较高的地区（当采用方案3和方案4无法满足要求或者采用方案5放射线总长度超过500 m时），从经济性角度出发应优先采用方案9。

与图2相比，图3中各接地方案单价均有较大幅度提高，尽管图中方案3和4价格最低，但考虑到岩石地区打入垂直接地极施工难度较大，可操作性不强，一般不推荐采用。考虑到岩石地区土壤电阻率一般较高，其余各方案相比方案9和方案11无论是从经济性还是从可实施性来讲优势都较突出，宜优先选用。

图4反映出水平放射型接地装置接地土方量较大，垂直接地极次之，接地模块和缓释型离子接地体较小。

5　结论

（1） 对于放射线敷设不受限的常规无腐蚀地区，从经济性和可操作性角度看，宜优先采用φ12镀锌圆钢水平放射型接地装置，土壤电阻率较低时可取消放射线改为闭合环形接地装置，土壤电阻率较高时若放射线总长度超过500 m，可通过在放射线上并联接地模块来缩减射线长度。

（2） 在水平放射线外敷受限制的农田、河网、水塘、居民区等地区，当土壤电阻率较低（ρ≤100Ω）时，应充分利用灌注桩基础或柔性基础的自然接地作用。当自然接地无法满足要求时，可采用闭合环型接地装置或闭合环型接地装置+垂直接地极。

（3） 在水平接地槽开挖困难和垂直接地体打入地表受限制的山区，当土壤电阻率较高时，宜优先采用水平放射型接地装置+接地模块，必要时也可在干旱少雨地区采用水平放射型接地装置外包降阻剂。

（4） 在地下水或地基土对钢结构腐蚀不严重的地区，可采用大直径（φ14及以上）的镀锌圆钢材料水平放射型接地装置，腐蚀性严重地区宜优先采用不锈钢复合材料水平放射型接地装置，必要时也可采用铜覆钢材料。考虑到软体石墨接地缆连接方式为搭接，施工方便可缩短安装周期，当其材料价格降低至与不锈钢复合材料相当或更低时可优先选用。

（5） 在海拔高、地形起伏较大、气候条件恶劣、施工难度较大的高土壤电阻率（ρ≥3000Ω）地区，当接地开挖可利用面积受限同时需要达到较小接地电阻时，若采用水平放射型接地装置+接地模块无法满足要求，可采用缓释型离子接地体替换接地模块或与接地模块组合。

总之，在进行杆塔接地装置选型时，在接地电阻满足规程要求的前提下，应优先选择可操作性较强且经济性较好的接地装置型式，力求施工程序简单、安装方便、造价低，确保工程投资更加合理。

［1］ GB50065-2011，交流电气装置的接地设计规范［S］ .

［2］ 何金良，孟庆波.降低线路杆塔接地电阻方法的探讨［J］.电力建设，1996，（4）.

［3］ 张文亮，马恒信，张栋.输电线路灌注桩基础自然接地电阻的测试和理论计算［J］.电网技术，2008，（S1）.

［4］ 国电公司，东北电力设计院编.电力工程高压送电线路设计手册第二版［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［5］ 刘丽.缓释型离子接地装置的特性研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

Selection Principles of Overhead Transmission Line Tower Groundring Device

YANG Wei，ZHU Tian-hao
（Technical and Economic Consulting Center of China Electricity Council Construction， Beijing 100053， China）

In order to study the Selection Principles of overhead transmission line tower groundring device，the common types of groundring devices in engineering and its calculation method of grounding resistance are described. Under the premise of meeting the current national specifications and codes，Groundring schemes of various common Groundring devices under different soil resistivities are estimated by taking Groundring of a tower for example，then get the amount of material、earth volume and total cost for each scheme estimated .the applicable area of each groundring device which are classified are analyzed through technical and economic reasoning of several schemes， the priority order of scheme selection in the similar area are proposed in order to provide a reference for grounding design of transmission line tower.

power frequency grounding resistance； grounding device； priority order.

TM75

B

1671-9913（2016）03-0062-05

2016-01-24

杨巍（1984- ），女，河南巩义人，硕士研究生，注册电气工程师，从事输电线路评审工作。