杆塔接地网用新型接地材料降阻效率的影响因素优化分析

张国锋， 胡松江， 张明磊， 吕坤阳， 李素娟

(1. 河南四达电力设备股份有限公司， 河南 许昌 461500；2. 鹤壁职业技术学院 电子信息工程学院， 河南 鹤壁 458030)

0 引言

输电线路中接地装置良好的接地性能，直接关系到输电线路的安全运行，实际工程中接地装置又以工频接地电阻为考核指标[1-4]，故在实际工程设计时，如何降低杆塔工频接地电阻成为设计者考虑的重中之重，目前降低工频接地电阻的方式很多，诸如降阻剂、接地模块、导电水泥以及垂直接地极等传统接地材料，这些产品的降阻效果毋庸置疑，部分降阻产品的降阻效率或多或少已有研究[5-6]。

石墨基柔性接地材料以柔性石墨为主要材质，与无碱玻璃纤维复合制备成石墨、玻璃纤维复合箔，然后在经过剪裁、绕线、旋转编织成不同型号的石墨接地产品，诸如石墨基柔性接地缆、石墨基柔性接地带产品在不同频率、不同土壤条件下的电气、机械、散流特性、接地特性及其影响因素等已有人研究，并作为水平接地体大量应用在输电线路工程[7-9]，相同工艺生产的编织型石墨基柔性石墨接地模块、快装式石墨离子接地极、缓释型膏状石墨降阻材料及其作为辅助降阻材料也已有大量应用案例，其降阻性能方面的研究鲜有报导。

本文针对输电线路杆塔接地网采用镀锌圆钢作为主材，编织型石墨基柔性石墨接地模块、快装式石墨离子接地极、缓释型膏状石墨降阻材料作为辅助降阻材料，基于CDEGS仿真平台对降阻材料的降阻效率、敷设位置、敷设厚度、土壤电阻率等因素对杆塔接地网工频接地电阻的影响进行分析比对，为工程设计与施工提供参考。

1 新型接地网降阻效率仿真模型

1.1 材料

编织型石墨基柔性石墨接地模块(简称：编织型接地模块)，规格尺寸为700 mm×300 mm×5 mm，快装式石墨离子接地极(简称：快装式接地极)，内径为Φ12镀锌圆钢，外层为柔性石墨编织层，缓释型膏状石墨降阻材料(简称：缓释型膏状降阻材料)，石墨基柔性接地带，河南四达电力设备股份有限公司。

1.2 仿真参数

接地网为新型水平接地网，工频电流的频率为50 Hz，接地网埋深取0.7 m，均匀土壤电阻率设定为42 Ω·m，水平接地体为镀锌圆钢，直径为12 mm，长度为10 m，镀锌圆钢的电阻率ρ为1.92×10-6Ω·m，镀锌圆钢的相对磁导率为636；传统石墨接地模块的极芯为Φ12的镀锌圆钢，仿真时等效为总厚度146 mm的涂层，涂层电阻率设置为0.5 Ω·m，编织型石墨基柔性接地模块的电极芯为石墨基柔性接地带，与电极芯连接的外层编织填料仿真时等效为总厚度100 mm的导电涂层，石墨基柔性接地带和涂层的电阻率为3×10-5Ω·m，缓释型膏状石墨降阻材料等效厚度为150 mm的导电涂层，电阻率为0.1 Ω·m，降阻剂等效厚度为150 mm的导电涂层，电阻率为0.5 Ω·m，快装式石墨离子接地极外层柔性石墨编织层厚度为5 mm，柔性石墨编织层的电阻率为3×10-5Ω·m，上述石墨材料的相对磁导率皆为1。仿真时，分别将接地材料敷设在镀锌圆钢接地体的单侧单排，新型接地。

1.3 不同接地降阻材料降阻效率对比

在CDEGS仿真软件中将编织型石墨基柔性接地模块敷设在镀锌圆钢接地体的单侧单排，缓释型石墨膏状降阻材料以导电涂层建模，快装式石墨离子接地极与水平接地体垂直向下设置，并采取端点注入激励的方式进行仿真计算，如式(1)。

(1)

式中，η为接地降阻材料的降阻效率；Rt为镀锌圆钢接地网的接地电阻，Ω；Rc为使用降阻材料后接地网的接地电阻。

按照式(1)计算不同接地材料的降阻效率，其仿真结果如表1所示。

表1 不同接地降阻材料降阻效率对比

由表1可知，编织型接地模块、快装式接地极、缓释型降阻膏为辅助接地网降阻的新产品，其降阻效率明显，可显著降低新型接地网的工频接地电阻。编织型石墨基柔性接地模块和快装石墨离子接地极因其为石墨基新材料其降阻效率相比于传统硬质石墨接地模块和镀锌圆钢接地极降底20%左右。缓释型膏状降阻材料的降阻效果优异，其降阻效率远大于柔性接地模块和快装石墨离子接地极，根据文献所述相同条件下降阻剂的降阻效率为24.97%[10]，降阻剂和缓释型膏状降阻材料辅助降阻效率更优异，这是因为缓释型膏状降阻材料由导电性更好的柔性石墨材料组成的，其电流分布较为均匀，趋肤效应小，有效载流面积大，且石墨导体的交流电阻小[11]，与土壤的接触更好，故其工频接地电阻较低。由表1可知，缓释型膏状降阻材料和降阻剂在仿真时的降阻原理是一样的，提高降阻材料自身的导电性能并不能显著降低接地网的工频接地电阻的大小。

2 影响因素分析

2.1 土壤电阻率

不同土壤电阻率下工频接地电阻降阻效率，如图1所示。

图1 不同土壤电阻率下新型接地材料的降阻效率

由图1可知，不同类型的接地降阻材料的降阻效率大小有明显差异，如果将编织型石墨基柔性接地模块和快装式石墨离子接地极看作是柔性石墨类降阻材料的话，那么柔性石墨类降阻材料的降阻效率明显比硬质接地材料好一些。从整体来看，不同类型降阻材料的降阻效率的大小与土壤电阻率呈线性关系，仅在土壤电阻率为100 Ω·m时降阻效率略有提升，之后又迅速稳定下来，即随着土壤电阻率的增大接地网的工频接地电阻逐渐增大，这说明不同土壤电阻率降阻材料的降阻效率是近似恒定的，相同长度接地体和辅助降阻材料降低工频接地电阻的大小是恒定的，反应出接地网工频接地电阻的大小主要取决于土壤电阻率的变化。

2.2 接地材料敷设位置

不同敷设位置的新型接地材料降阻效率结果，如图2所示。

图2 不同敷设位置的新型接地材料降阻效率

由图2降阻材料敷设在新型接地网不同位置的降阻效率可知，随着添加单一降阻材料的距离注流极的增加，其降阻效率逐渐下降，降阻材料在注流极位置的散流效果也很好，降阻效果优，而远离注流点的接地体和降阻材料起到的散流作用越来越小，降阻效果不明显[12]。当降阻材料敷设在接地体尾部时，降阻材料的降阻效率显著提升，使得接地体呈现明显的端部效应。

2.3 方框带水平延长线敷设位置

采用方框引脚四点同时注流的方式，不同方框带水平延长线敷设位置的新型接地材料降阻效率结果，如图3所示。

图3 不同方框带水平延长线敷设位置的新型接地材料降阻效率

由图3方框带水平延长线形式接地网中降阻材料不同敷设位置的降阻效率可知，降阻材料在围框上的降阻效率没有在外延长线上降阻效率高，同时在外延线端部的降阻效率最高，这是因为方框的散流小于外延线的散流导致的，这种接地型式的端部效应比新型接地网的更显著。这提示我们新型接地网和方框带水平延长线型式接地网降阻材料敷设时应区别对待。

编织型柔性接地模块和快装式离子接地极的降阻效率近似一致，不同的是接地模块是二维平面接地装置降阻，接地极是三维面降阻。同时，我们可以看到，降阻膏的降阻效率明显高于接地模块和接地极，这是因为降阻膏的有效截面积比接地模块和接地极的大，颗粒状的降阻膏也更容易与土壤接触良好，接触电阻更低，故降阻膏的降阻效果更优异。

2.4 方框带水平延长线形式接地网长度

在方框上分别埋设编织型接地模块、快装式接地极、降阻膏，按照4个不同方向将边框以及边框上的降阻材料依次延长10米，延长一次仿真计算一次接地网的工频接地电阻，不同方框带水平延长线接地网长度的新型接地材料降阻效率结果，如图4所示。

图4 不同方框带水平延长线接地网长度的新型接地材料降阻效率

由图4方框带水平延长线形式接地网长度对降阻材料降阻效率可知，随着降阻材料与接地网外延线的延长，缓释型膏状降阻材料的降阻效率呈先降低后增长又缓慢降低的趋势，这说明缓释型降阻膏的降阻效率随着长度的延长之间的屏蔽效应显著，这也再次说明，随着接地体长度的延长，接地网的面积增大，接地电阻越来越小，相对于接地网面积对接地电阻的影响，缓释型降阻膏对降低接地电阻的作用越来越弱，这使得缓释型降阻膏的降阻效率呈逐渐降低的趋势，同时说明，有限的增加缓释型降阻膏的敷设长度并不能显著降低接地电阻。

在距离注流极10 m后，随着外延线和接地模块的延长，编织型接地模块的降阻效率逐渐降低，编织型接地模块向土壤让散流接近于0，接地阻抗变大，导致降阻效率降低，接地材料的利用率越来越低。与编织型接地模块的降阻效率不同的是快装式接地极的降阻效率，随着外延线的延长，其降阻效率呈先增大，然后缓慢降低再逐渐上升的趋势，这说明在小型接地网中，快装式接地极的降阻效率优异，方框上敷设快装式接地极没有在外延线上敷设接地极效果好。

3 总结

(1) 编织型接地模块、快装式接地极、缓释型降阻膏为辅助接地网降阻的新产品，其降阻效率明显，相比于传统硬质石墨接地模块和镀锌圆钢接地极降阻效率降低20%左右。

(2) 不同土壤电阻率下一维或多维降阻材料的降阻效率是近似恒定的。

(3) 新型接地网和方框加外延线接地网在敷设降阻材料后都存在端部效应，方框加外延线接地网中降阻材料的降阻效率距离注流极越远降阻效率越高，外延线上降阻材料的降阻效率高于方框上。

(4) 粉体状的缓释型降阻膏的降阻效率远高于编织型接地模块和快装式接地极的，方框上敷设快装式接地极没有在外延线上敷设接地极效果好。