石墨缆柔性接地极在输电线路中的应用

邹圣星，席晓强，万晓波

（国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

苏州地区输电线路跳闸基本可以归类为人为破坏和自然因素破坏两类，后者绝大多数是雷击造成的，而雷击一直是架空线路面临的最主要自然灾害［1］。通过架设避雷线、降低杆塔接地电阻、架设耦合地线、采用不平衡绝缘方式、加强绝缘、采用线路型金属氧化物避雷器等措施［2-3］，可以有效提高架空线路耐雷水平。接地系统能否长期有效保持低电阻状态对防雷至关重要，据电网雷击故障分类统计可知，由输电线路杆塔的接地电阻值不合格而引起的跳闸情况约占雷击跳闸总次数的83%，所占比例非常大。

苏州地区输电线路接地材料普遍采用镀锌钢，极少部分地区采用铜包钢。镀锌钢材料埋入地中，每年平均失重约0.5%，略高于铜。水平敷设一般采用圆钢、扁钢，垂直敷设一般采用角钢、圆钢。镀锌钢接地极价格便宜，抗腐蚀性较好，且我国有色金属存储量不足，所以就目前来说是比较理想的接地装置材料。但是镀锌钢表面镀层脱落，会加快钢材的腐蚀，所以为了镀层牢固，须进行热处理［4］。在有强烈腐蚀性的土壤中，接地极要采取特别的防腐措施，否则镀锌钢接地极的全寿命周期会大幅下降，威胁线路的安全运行。铜和钢相比，在耐腐蚀能力方面有明显的优势［5］，但铜造价高，尤其在偏僻无人无监控的地方，容易被窃取［6］，这种人为因素造成的二次伤害应该尽量避免；此外在某工程实际更换不合格接地极的现场发现，铜包钢接地极在几个拐点以及延伸段，表面铜绿存在破损的地方，依然存在锈蚀现象［7］。

苏州西部山区灵岩山、天平山、天池山、大阳山等山脉相连，山区土壤多为酸性土壤，缺乏碱金属而富含铁、铝氧化物，且土质含水量大。架设于该地区的输电线路很大程度上受到山体地形地貌的影响，特别是在梅雨季节，土壤内长时间的空气潮湿会加速接地极的锈蚀速率，接地电阻值往往会偏高。镀锌钢杆塔接地网能保持低电阻稳定状态的周期一般为6～7 年，超过该周期时间后，容易造成铁塔接地极产生锈蚀，严重影响线路安全运行，须进行接地极改造甚至更换接地网，为施工和运行维护工作增加负担。为改善此类地区的输电线路铁塔接地极易腐蚀的特性，选用新型材料替代金属接地极材料，具有实际的工程应用价值。

1 石墨缆柔性接地极

1.1 材料结构分析及主要特性

石墨缆柔性接地极采用纯度在99%以上的鳞片石墨，经过水洗、酸洗、烘干等数道工序，再由高温膨胀后，绞线以及编织而成的柔性石墨编织物［7］，如图1 所示。石墨缆柔性接地极有以下特点。

图1 石墨缆柔性接地极实物

1）质量轻，运输方便，实测0.235 kg／m。

2）导电性能优良，其特殊的网孔结构有吸水保湿的性能，常温固态电阻率平均值为3.977×10-5Ω·m。

3）冲击电流耐受性高，经过试验表明，接地极在150 kA 级别的冲击电流下，冲击一次后，冲击后电阻值与初始电阻值的差值与初始电阻值的比值ΔR≤0.25，结构稳定，满足短路电流和雷电流的排散［8］。

4）工频大电流耐受性高，经过试验表明，在有效值为15 kA 的大电流下，经过0.5 s 试验，电阻值无明显变化。

5）电流反击试验表明，其能通过150 kA 大电流耐受性测试。

6）高温和低温性能优良，实测能在温度-60 ℃和1 000 ℃的温度下，持续1 h 保持接地电阻值稳定，维护工作量小。

7）抗压及抗拉强度高，接地极在受到压力290 MPa 及拉力137 MPa 强度下，结构稳定。

8）缆体表面摩斯硬度：1～2。

9）抗腐蚀性能绝佳，材料本身主要是碳，对环境无污染，埋地表面年平均腐蚀率为0.005 mm／a。

10）呈缆状，易加工成型，柔性可弯曲，在安装中与土壤的间隙小，贴合度高，且无需大型机械设备，无需电气焊，采用搭接法，省时省工，可灵活选择施工方式。

11）虽然初始投资较贵，但是没有二次回收价值，能减少偷盗。

1.2 石墨缆柔性接地极的安装、设计规范

在设计石墨缆柔性接地极时，将土壤电阻率分级进行了对比，共分为ρ≤100 Ω·m、100 Ω·m＜ρ≤500 Ω·m、500 Ω·m ＜ρ≤1 000 Ω·m、1 000 Ω·m＜ρ≤2 000 Ω·m 和ρ＞2 000 Ω·m 5 个级别，按照GB 50065—2011 《交流电气装置的接地设计规范》和DL／T 621—1997《交流电气装置的接地》要求，保证杆塔接地电阻在雷雨季节干燥时的工频接地电阻不得超过表1 规定数值。

表1 有避雷线架空电力线路杆塔的工频接地电阻及参考用量

2 石墨缆柔性接地极与镀锌钢接地极对比分析

2.1 土壤电阻率

苏州西部山区属于酸性红壤范畴，降水量较充足，土质柔软，尤其在梅雨季节，天气湿热，土壤的风化和成土作用均甚强烈，pH 值一般在4.5～6 之间，同时铁铝氧化物有明显积聚。不同土壤电阻率参考值如表2 所示［4］，苏州山区土壤类别黄土，土壤电阻率为100～250 Ω·m。结合表1，石墨缆柔性接地极用量在40 m 以内。

表2 不同土壤的电阻率参考值 Ω·m

土壤电阻率也只是相对固定，但在一年的周期内也会随着季节、温度、雨水的变化而变化，所以要采用式（1）进行修正。

式中：ρ0为实测的土壤电阻率数值，Ω·m；Ψ 为季节系数，取值见表3，其中，Ψ1为测量前数天内有过较长时间降雨情况下的季节系数；Ψ2为测量时土壤具有中等含水量情况下的季节系数；Ψ3为测量时土壤干燥情况下的季节系数。

表3 根据土壤性质决定的季节系数

根据表2 和表3 中的数据，结合苏州地区地质条件，以土壤电阻率为200 Ω·m 和300 Ω·m 为例，对比分析镀锌钢接地极与石墨缆柔性接地极的性能。

2.2 导电性对比

镀锌钢接地极导电性好、初次投资少但是不耐腐蚀，在有腐蚀地区使用寿命短，全寿命周期内须多次更换；石墨缆柔性接地极导电性好、耐腐蚀、使用寿命长［9］，全寿命周期内无须更换但初次投资高于镀锌钢接地极。常规镀锌钢接地极直径为12 mm，传统提高防腐年限的措施是将其直径增加至直径16 mm 镀锌钢接地，新设计的石墨缆柔性接地极直径为20 mm，两种接地极的导电性如表4 所示。

表4 镀锌钢接地极和石墨缆柔性接地极导电性对比

由表4 可以看出在相同的土壤电阻率、接地极埋设深度、系数下，镀锌钢接地极直径越粗，工频接地电阻越低，且明显低于石墨缆柔性接地极，单从导电性比较，镀锌钢材质更加优秀，效果好。

2.3 全寿命周期内投资对比

两种接地极在全寿命周期内投资情况如表5所示。

表5 镀锌钢接地极与石墨缆柔性接地极全寿命周期内投资对比

由表5 可看出，在土壤电阻率为200 Ω·m 和300 Ω·m 时，虽然一次施工费石墨缆柔性接地极费用是镀锌钢接地极的2 倍左右，但如果从全寿命周期内的总投资角度对比能明显发现：

1）在无腐蚀地段，接地情况良好且无须改造的情况下，镀锌钢接地极的总投资费用是石墨缆柔性接地极的45.6%～50.3%。

2）如果地处易腐蚀地区，30 年内D12 mm 镀锌钢接地极所须改造的次数很可能增加到3 次，情况严重者甚至更多，从这个角度看，镀锌钢接地极的总投资费用是石墨缆柔性接地极的182%～197%，甚至更多。

3）但如果适当增加镀锌钢截面积，使用D16 mm的圆钢替换传统的D12 mm 的圆钢，假设30 年更换一次接地极，费用与石墨缆柔性接地极费用相近。

经对比，在一次施工上，镀锌钢接地极投资费用要明显低于石墨缆柔性接地极，有极大的经济优势。以30 年为周期，且地处易腐蚀地区来对比，石墨缆柔性接地极具有很高的性价比，且免维护，避免重复更换接地极的工作。在特殊的酸性土壤地区，石墨缆接地极存在优势；在一般或不腐蚀地区常规的D12 mm 镀锌钢接地极更适合；在易腐蚀地区，D16 mm 镀锌钢更经济。

3 工程实例

苏州市110 kV 1314 阳墩线、1332 越庭线、1174金阳线等都经过苏州西部山区，以1314 阳墩线为例，该线路全长14.5 km，于1999 年2 月投运，共有杆塔53 基，其中12—21 号、37—42 号连续杆塔位于苏州西部海拔较高的山区中，经过10 年的运行，发现部分杆塔接地电阻值近年来明显升高，猜测极有可能是接地极出现了锈蚀。前期对其接地极电阻进行测试，结果如表6 所示。

根据土质、环境、铁塔类别，在表6 所示杆塔中选择了5 基典型铁塔，分别为1332 越庭线111 号、1314 阳墩线41 号、1315 阳胥线15 号、1314 阳墩线12 号、1174 金阳线23 号塔，对其接地极基础开挖，发现原铁塔镀锌钢接地极腐蚀严重，对其接地极进行更换改造，如图2 所示。在改造完成之后，经过多次测量，接地电阻的结果如表7 所示。

表6 铁塔接地电阻值

图2 石墨缆柔性接地极改造前后

表7 接地电阻值复测表 Ω

根据苏州西部地区铁塔接地改造的应用实例数据，表明石墨缆柔性接地极在降低接地电阻方面是切实可行的。

4 结语

石墨材料与金属类材料相比，耐腐蚀能力强，具有柔性可弯曲的特点，与土壤贴合度高，不存在二次经济价值，大大降低了偷盗和破坏的风险。且其能在山区这一特殊地形环境下，克服运输难、施工难的问题，用作接地极是切实可行的。

在土壤电阻率200 Ω·m 和300 Ω·m 时，石墨缆柔性接地极和镀锌钢接地极相比，在两者的工频接地电阻上电阻值相近，差异性不大。在设备全寿命周期下，石墨缆柔性接地极投资只在特殊强酸、易腐蚀地区适用，不具有多地区的推广意义；在不腐蚀、一般和易腐蚀地区，传统的镀锌钢接地极更加经济适用，利用范围广。

但在美观性方面，石墨缆接地极缺点比较明显，不能和标准工艺的传统镀锌钢接地极一样，颜色、弯曲角度的、与杆塔基础贴合度都有较大差距。可以考虑地面外露部分使用镀锌钢、地下部分使用石墨缆接地极，两者接触部位可采用焊接、螺栓连接或用其他的连接方法，做到既美观，又不惧强酸地区的腐蚀。