导电混凝土技术对山区输电线路接地降阻作用研究

刘宇彬，周 伟，李兴泽，张 鹏

（1.湖南经研电力设计有限公司，湖南 长沙 410014；2.长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

随着电网建设规模的不断扩大，电力走廊日益紧张，新建输电线路正不断向山区发展。在山区，雷击灾害对线路的运行影响巨大，因此山区线路的接地降阻一直是电力部门重点关注的问题［1］。

输电线路杆塔接地的主要作用是在遭受雷击后，将雷电流在大地中扩散泄导，以保证线路具有一定的耐雷水平。一般来说，降低输电线路接地电阻是提高输电线路耐雷水平、维护电网安全稳定运行的最有效手段［2］。

在山区，杆塔接地工程需要开挖近百米的接地沟。对于山区线路而言，存在交通不便，机械设备不易进出，施工场地受限，人工成本较高，地质条件相对恶劣等问题，导致接地工程施工难度较大。有运行数据表明，山区线路的接地降阻效果不尽如人意。为了保证电网运行安全可靠，采用新技术、新材料，优化杆塔接地设计，降低接地施工难度，保证降阻效果，对提高输电线路安全稳定运行具有重大的意义。

不少学者对利用导电混凝土进行高阻地区的接地降阻做了深入的研究［3-7］，取得了一定成果，但仍有一些不足。文献［3］较早制作出了导电混凝土，提出了应用导电混凝土制备接地模块，但因其制造成本较高，很难有工程实用性；文献［4］研究了混凝土接地棒在通入工频电流和冲击电流时的接地降阻性能，但并未解决高土壤电阻率地区的降阻问题；文献［6］研制了碳纤维导电混凝土，但未对其如何在接地工程中的应用方法进行深入研究。笔者从山区输电线路接地降阻效果不佳、施工困难的问题出发，根据现行技术规范的要求，结合工程实践经验与最新研究成果，提出了一种基于导电混凝土技术的输电线路杆塔接地设计优化方案。

1 导电混凝土在接地工程中的作用

导电混凝土是指由胶凝材料、导电相材料、介电骨料和水等成分组成，按照一定配比混合凝结而成的多相复合材料，是由导电相材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制而成，具有导电性能和常规力学性能的混凝土［6］。

导电混凝土作为一种新型材料，既保持了结构材料的性能，又具有导电材料的特性，耐腐蚀性好，在输电线路杆塔接地工程领域具有广阔的应用前景。目前在国内电力行业对导电混凝土进行过少量的实际探索，2003 年在广东地区变电站地网改造工程使用。文献［3-6］在理论上对导电混凝土的接地特性进行了探究，但对于实际工程而言，其适用范围及技术经济性尚未做较成熟的考虑。

1.1 碳纤维导电混凝土

对导电混凝土技术进行研究，通过大量实验及数据分析，研制一种碳纤维导电混凝土。碳纤维作为一种导电纤维，能显著改善混凝土的导电性能，且当碳纤维含量在1%以内时仍能够提高混凝土的抗压强度。

一般的导电混凝土因原材料特性及工艺限制，往往需要在混凝土搅拌站制备后经商品混凝土运输车运抵施工现场，对于山区线路施工不具有可操作性。碳纤维导电混凝土对施工工艺、施工环境要求不高，可以在现场通过小型搅拌机制作。碳纤维导电混凝土制备方法、拌合工艺、原材料选用等在文献［6］中已有详细介绍，在此不再过多赘述。新研制的碳纤维导电混凝土设计值为碳纤维掺量0.6%、单位用水量233 kg、砂率34%，其28 d 电阻率、抗压强度和抗折强度试验结果分别为0.84 Ω·m、41.3 MPa、5.9 MPa，力学性能和导电性能均满足工程要求［6］。碳纤维导电混凝土在龄期增长过程中的电阻稳定性、升温过程中的电阻稳定性、干湿变化过程中的电阻稳定性均保持良好，说明导电混凝土在复杂土壤环境下电阻率可以视为恒定不变，完全具备充当接地材料的特性。

1.2 运用导电混凝土的接地方案

根据文献［8］第7.0.16 条的规定，杆塔接地电阻应满足表1 中的数值要求。

表1 工频接地电阻要求表

一般而言，雷电击中输电线路，雷电流经由杆塔、人工接地装置散入大地。而杆塔基础中配有密集的钢筋，对于泄导雷电流也具有一定的作用。杆塔基础的主要材料是钢筋与混凝土，常规混凝土的电阻率随环境不同变化较大，在水田里一般为几百欧米，在山区干燥土壤中一般可达到上万欧米。由此可以知道，潮湿环境下，基础是具有一定的导电散流效果的。潮湿环境下的杆塔基础配合人工接地装置进行接地，使线路具有较好的耐雷水平［9-10］。

但在山区丘陵地区，土壤环境较为干燥，此时基础混凝土基本呈绝缘状态，泄导雷电流仅依靠人工接地装置，接地效果相对较差。随着人工接地体在运行过程中被腐蚀问题，山区输电线路的耐雷水平将逐渐降低。

新研制的碳纤维导电混凝电阻率复杂土壤环境下基本稳定在1～2 Ω·m 的范围内［6］。从电阻率数值中可以看出，土壤干燥的山区杆塔基础若采用导电混凝土，杆塔接地效果将明显提升。

运用碳纤维导电混凝土基础自然接地，已在湖南常德同心—枫树110 kV 线路工程中试点使用，并通过验收，目前运行效果良好。考虑到平原地区低土壤电阻率并不高，且接地工程施工并不困难，采用导电混凝土将会因为基础方量大而导致经济性不够理想。综合考虑，导电混凝土的适用范围更偏向于山区接地降阻困难的地区。

2 杆塔接地系统仿真分析

2.1 模型搭建

采用CDEGS 软件仿真，对山区导电混凝土基础的接地效果进行数据分析，并与常规接地方案进行比较。

对杆塔接地系统建模，仿真取湖南一般丘陵、山地作为研究对象，土壤电阻率一般为800～1 600 Ω·m。以土壤电阻率为800 Ω·m 为例设置，不考虑土壤水平或垂直分层，如图1 所示。

杆塔基础参考湖南地区典型设计，根开取10 m，基础型式按山区使用较多的掏挖基础［11］，如图2 所示，相应的桩基础建模与之类似。

混凝土基础模型在MALZ 内置的“土壤模块”中搭建，选择“任意非均匀介质有限块”模块，在此模块下可定义基础的形状和大小、混凝土电阻率和土壤电阻率。碳纤维导电混凝土电阻率按2 Ω·m 考虑，常规混凝土电阻率按7 000 Ω·m 考虑［10］，如图3所示。

图1 土壤环境建模过程

基础主筋采用为半径为16 mm 的圆钢，如图4所示。接地射线采用半径为5 mm 的圆钢，埋深取0.6 m，如图5 所示。

根据基础施工图和接地施工图，在CDEGS 的MALZ 模块中建模如图6—图7 所示。

图2 掏挖基础施工

图3 混凝土基础建模过程

图4 基础钢筋配置界面

图5 接地射线配置过程

图6 杆塔接地系统模型正交投影

图7 杆塔接地系统模型俯视图

2.2 仿真结果

根据建模，完成激励与观测线设置后，对采用导电混凝土基础的接地效果进行计算，依次在800 Ω·m、1 000 Ω·m、1 200 Ω·m、1 400 Ω·m、1 600 Ω·m 的土壤电阻率环境下，通过改变接地射线的长度，计算接地电阻，并将结果与常规接地设计的仿真值进行对比。采用导电混凝土技术的接地方案为方案Ⅰ，常规接地设计为方案Ⅱ。接地电阻值计算结果如图8—图12 所示。

图8 土壤电阻率为800 Ω·m 时2 种方案的接地电阻

图9 土壤电阻率为1 000 Ω·m 时2 种方案接地电阻

图10 土壤电阻率为1 200 Ω·m 时2 种方案接地电阻

图11 土壤电阻率为1 400 Ω·m 时2 种方案接地电阻

图12 土壤电阻率为1 600 Ω·m 时2 种方案接地电阻

仿真结果表明，采用导电混凝土技术的接地设计因基础具有较好的导电散流作用，在人工接地射线规模相同的情况下，接地电阻值较常规接地低8%～20%，防雷效果明显具有优势。

因湖南地区近年雷击灾害较严重，杆塔接地电阻的运行要求比表1 要求更为严格，在土壤电阻率500～1 000 Ω·m 地区，设计的杆塔接地电阻值应不大于15 Ω；土壤电阻率1 000～2 000 Ω·m，设计的杆塔接地电阻值应不大于20 Ω。为达到此要求，对2种方案的接地射线长度进行计算，结果如表2 所示。

表2 2 种方案接地射线长度对比

3 经济技术分析

导电混凝土成本较普通混凝土昂贵不少，其使用范围与基础型式密切相关，值得进一步分析。下面依托湖南邵阳在建某220 kV 线路工程，有针对性地选取该工程2 个耐张段共计14 基杆塔，比较常规接地方案与所提基于导电混凝土接地方案的技术经济性。选取杆塔的杆塔型式、基础形式、土壤电阻率实测值、地形、人力运距如表3 所示。

表3 P5—P18 杆塔明细表

常规接地材料为圆钢，材料单价约为10 元／m。采用导电混凝土基础的接地方案接地材料包含导电混凝土与圆钢，导电混凝土材料单价约为300 元／m3。为保证相关费用不重复计算，设置导电混凝土材料单价仅包含添加的导电相材料价格，常规混凝土材料费及施工费用计入基础工程。

上述杆塔，常规接地方案与运用了导电混凝土接地方案在施工费用与总费用上的对比如图13 和图14 所示。

图13 各塔位接地施工费用对比

图14 各塔位接地工程总费用对比

由图13 可知，在保证接地电阻满足要求的情况下，运用导电混凝土的接地方案能够明显减小接地射线规模20%～35%，直接降低了施工难度，施工费大幅度下降。

但图14 可知，在接地工程总费用上，由于导电混凝土在材料价格上不占优势，总体来说将增加接地工程造价。导电混凝土的用量与地形、地质、杆塔型式有较大的关系，直接反映在接地材料费用上。

当基础型式采用掏挖且杆塔型式为直线塔时，因导电混凝土方量较小，2 种接地方案的造价十分相近。若考虑人力运距的因素，对于山区交通不便的P10、P13、P17 这3 基直线塔来说，运用导电混凝土的接地方案在总造价上更具有优势。

4 结语

导电混凝土的研制技术已较为成熟。输电线路基础采用导电混凝土取代常规混凝土，充分利用杆塔基础作为自然接地体，敷设同等规模人工接地射线前提下比常规接地设计降阻、散流效果更优。对于交通不便、施工条件恶劣的塔位，采用导电混凝土技术，可以明显减小人工接地射线规模，降低山区接地施工难度。在接地工程造价方面，运用导电混凝土接地受地形地质、杆塔、基础型式的影响。在平原地区，导电混凝土自然接地经济性不高，在山区，对于基础方量较小、人力运距较大的塔位，运用导电混凝土接地不仅能够保证接地降阻，而且造价具有一定优势。

输电线路接地设计应灵活应用相关规程、规范，采取最合理适用的型式。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，提出的基于导电混凝土接地方案在山区接地施工上具有一定的优势，能够保证接地降阻效果，也能降低施工难度。考虑到雷电流冲击特性也是影响接地散流的关键因素，因此采用导电混凝土技术的接地方案在高频雷电流下的冲击接地特性与热稳定性还需要进一步研究。