森林草原火灾高危和高风险区架空输电线路接地装置方案优化研究

梅吉明，张 驰，李 霖，韩 虎

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

架空输电线路常用的杆塔接地体主要有镀锌圆钢、接地模块、铜覆钢(镀锡铜覆钢)、缓释离子棒、柔性石墨等，而连接方式主要有焊接、液压压接、螺栓连接及石墨铠装连接等。镀锌圆钢是架空输电线路工程中最常用、最经济的一种接地材料，其连接根据规范主要采用电弧焊接形式，连接可靠，施工方便。但对于高危、高风险的林区，此种施工工艺带来了新的森林防火问题，需要重点关注解决。考虑到四川攀西地区绝大部分县市均为森林火灾的高危区和高风险区，为满足森林草原防火的要求，避免电弧焊接过程中产生的火花引燃施工区附近的枯枝落叶，有必要对森林草原火灾高危和高风险区架空输电线路接地装置方案进行优化研究，以选择适用森林火灾高危、高风险区的输电线路接地装置。

1 常规接地装置连接方式

根据GB 50169—2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》、DL/T 248—2012《输电线路杆塔不锈钢复合材料耐磨蚀接地装置》要求，常规接地装置的连接主要有焊接、液压连接及螺栓连接。液压连接“一”字型接地压接头如图1所示。液压连接“T”字形接地压接头如图2所示。在图中，L为压接管长度；D为压接管直径；δ为压接管壁厚；H为“T”字形压接头高度。

图1 液压连接“一”字型接地压接头

图2 液压连接“T”字形接地压接头

根据焊接工艺不同，接地装置焊接又可分为电弧焊接和放热焊接。电弧焊接是利用高压电弧在空气中放电燃烧，将电能转换为焊接所需的热能，从而实现工件的导电连接。放热焊接是利用铝和氧化铜的氧化还原反应所产生的热量将被焊接的工件熔化形成分子连接，整个过程持续时间很短，需在特定模具中进行。放热焊接是一种简单、高效、高质量的金属连接工艺。

液压连接具有无明火、无高温等优势，在森林草原火灾高危区接地装置连接方面有较高的适用性。根据GB 50233—2014《110～750 kV架空输电线路施工及验收规范》中规定，液压连接管的连接长度不应小于圆钢直径的20倍，搭接长度不应小于圆钢直径的10倍，连接管壁厚不应小于3 mm，其型号、规格应与接地体匹配。

螺栓连接类似于导地线的并沟线夹连接，施工方便、经济性好，但相关规范中均未推荐采用。参考国外工程规程规范，其应用较多，接地体(线)大多采用镀锌钢绞线或镀锌圆钢，连接采用并沟线夹螺栓连接，但存在连接不可靠、接触电阻较大、安装时镀锌层易被破坏而腐蚀、使用寿命不长等问题。

2 新型接地装置方案

为提高降阻效果及防腐性能、减少接地开挖工程量、保护生态环境和降低全寿命周期成本，需要开展新型接地装置研究，因地制宜地采用经济合理的接地装置。目前，已应用于工程实际的新型接地型式主要有铜覆钢接地、石墨基柔性复合接地等。

2.1 铜覆钢接地装置

铜覆钢是通过连续电镀或连续电铸工艺，将99.9%的电解铜分子均匀覆盖在钢芯上，铜、钢分子紧密结合的新型接地材料[1-2]。铜覆钢具有电阻低、强度大、耐腐蚀性强、使用寿命长等特点，主要用于换流站、变电站、大型建筑物接地网，由于前期投资较大，易被盗，并且由于缺乏输电线路运行经验而较少应用于供配电线路中。

铜覆钢接地装置的连接需要采用放热焊，由于会产生大量的热和火星，因此不建议在森林和草原火灾高危区和高风险区应用，但可以在土壤电阻率不大于2 000 Ω·m的森林和草原火灾一般地区采用。

2.2 石墨基柔性复合接地装置

石墨具有原材料丰富、导电性能好、生产加工成本低、无污染等优点。同时，石墨基柔性复合接地装置因具有降阻效果好、抗腐蚀性强、运输方便、易施工、使用寿命长等特点而逐渐被广泛应用。

石墨基柔性复合接地材料由于自身非金属的特质，不受土壤条件的限制，在酸、碱性腐蚀土壤中的腐蚀程度很小，接地电阻稳定，防腐蚀性能优于现行的钢、不锈钢、铜等金属接地材料。由于石墨属于惰性导电元素，其电位高于很多金属材料，如钢、铜、锌、不锈钢等，如果与地下管网(钢制)埋设距离较近，在含水的土壤中，容易对邻近的地下管网产生电位差腐蚀。为避免这一情况，石墨之间的连接件应采用非金属材质，压接长度不小于接地体直径的6倍。石墨基柔性接地体之间的连接应采用专用夹具，石墨基柔性接地体两两搭接重叠放置，重叠部分不少于180 mm。石墨基柔性接地体始终需要与铁塔的塔腿进行连接，针对不同导电材料连接产生的电化学腐蚀问题，石墨接地引下线采用铠装型式。

3 接地连接方式年费用比较

焊接、螺栓连接、液压连接三种常规接地装置连接方式优缺点对比如表1所示。接地材料比较如表2所示。

表1 接地连接方式优缺点对比

表2 接地材料比较表

由于铜覆钢的连接需采用放热焊，不适用于森林草原火灾高危和高风险区，本文仅选择镀锌圆钢、镀锌圆钢+模块以及石墨三种接地装置进行年费用比较。各种接地材料单基费用如表3所示。

表3 各种接地装置单基一次投资费用 元

假设镀锌圆钢接地使用寿命分别为10年和20年，石墨接地使用寿命为40年。资金折现率取8%。年费用计算结果如表4和表5所示。

从表4和表5可以看出：在土壤电阻率较低的地区，采用镀锌圆钢(压接)或镀锌圆钢+模块(压接)接地型式相对石墨接地仍具有一定的经济优势；在土壤电阻率超过2 000 Ω·m且土壤腐蚀性较强时，镀锌圆钢+模块(压接)更换周期短，镀锌圆钢+模块(压接)的年费用较石墨的年费用高。

表4 各种接地装置年费用对比(镀锌圆钢更换周期10年) 元

表5 各种接地装置年费用对比(镀锌圆钢更换周期20年) 元

4 结语及建议

架空输电线路工程主要依据土壤电阻率、地形地质条件、运输条件及土壤腐蚀性来选择接地装置。

根据以往工程经验及近年来石墨接地材料的推广应用，经技术经济比较，建议：在土壤电阻率较低、腐蚀性强的地区，埋设接地体更换难度较大的塔位时，应根据实际情况选用石墨基柔性复合接地；在森林草原火灾高危和高风险区域，当土壤电阻率小于2 000 Ω·m时，推荐采用镀锌圆钢(压接)或镀锌圆钢+模块(压接)接地型式；当土壤电阻率大于2 000 Ω·m时，推荐采用石墨接地装置。