基于柔性石墨复合接地模块的配电杆塔接地降阻研究

张 凯，吴晓东，代佰华，毛惠卿，胡元潮

（1.国网山东省电力公司滨州供电公司，山东 滨州 256600；2.山东理工大学，山东 淄博 255000）

0 引言

配电线路中接地装置的性能，对配电线路安全运行有很大影响，实际工程中通常以工频接地电阻作为接地装置接地性能的参考标准［1-4］，所以在实际工程中，降低杆塔工频接地电阻是使线路安全运行的重点，目前降低工频接地电阻的方法有许多种，比如采用降阻剂、接地模块以及垂直接地极等传统接地材料［5］，但传统的接地模块存在降阻效率低、脆性大和容易腐蚀等问题，因此研究高导电性的柔性石墨复合接地模块降低杆塔接地电阻具有实际意义。

为了降低杆塔的接地电阻，使线路可以更好地安全稳定运行，国内外学者做了大量的研究。高竹青等［6］研究了垂直接地极对杆塔冲击接地电阻的影响。李腾［7］针对考虑地形特征的杆塔辅助接地网接地特性，开展了深入研究。于洋等［8］利用仿真软件计算了输电线路杆塔接地网采用接地模块降阻时的影响因素，并分析了土壤结构与土壤电阻率对其降阻效率的影响。唐静等［9］研发了新型的接地装置，通过仿真证实了新型接地装置与常规接地装置相比，明显减小了接地网的工频接地电阻。但对敷设高导电性的柔性石墨复合接地模块的配电线路杆塔降阻的研究较少。

研究基于柔性石墨复合接地模块的配电线路杆塔的接地降阻情况，配电线路杆塔为逐基接地，建立2 种敷设柔性石墨复合接地模块的杆塔接地网降阻模型，研究接地网尺寸、石墨接地模块长度、石墨接地模块数量和土壤电阻率对杆塔降阻的影响，分析石墨接地模块长度、石墨接地模块数量和石墨接地模块敷设方式对杆塔降阻效率的影响。

1 柔性石墨复合接地模块的降阻模型

接地模块是一种很常用的减小接地电阻的方法，通过增大与土壤的接触面积、降低局部介质的电阻率，来实现降低接地电阻的目的［10］。传统接地模块内部多为镀锌钢金属材料，外部包敷石墨粉、金属粉与固化剂等构成的降阻模块，其电阻率可达0.01～10 Ω·m［11］。而柔性石墨复合接地模块与传统接地模块结构形式类似但选材不同，将传统降阻模块的内心替换成柔性石墨复合接地体［12］，外部包敷层替换为石墨线与高纯鳞片石墨组合模块，电阻率约10-5Ω·m，导电性能比传统模块高3～6 个数量级。此外，柔性石墨复合接地模块中无金属电极，其具有良好的防腐性能，由于其自身具有非常好的柔韧性，有效克服了传统接地模块脆性易碎的问题［13］，柔性石墨复合接地模块的实物如图1所示。

图1 柔性石墨复合接地模块Fig.1 Flexible graphite composite earth module

建立在方框型和环形接地网上敷设柔性石墨复合接地模块的降阻模型，研究敷设柔性石墨复合接地模块后对配电线路杆塔的降阻效果。

1.1 方框型接地网降阻模型

鉴于石墨材料化学性质稳定，与钢、镀锌钢等金属材料相比耐腐蚀性好，复合接地材料的“骨架”又由结构稳定的无机纤维或合成纤维构成。因此，石墨复合接地材料具有可靠的耐腐蚀性能，在配电杆塔接地网上连接柔性石墨复合接地体，可以长效地降低杆塔接地电阻，在方框型接地网敷设柔性石墨复合接地模块降阻模型，如图2所示。

图2 方框型接地网敷设柔性石墨复合接地模块降阻模型Fig.2 The resistance reduction model of flexible graphite composite grounding module laid in box grounding network

在方框型接地网上敷设柔性石墨复合接地模块构成组合式接地网，接地模块采用水平和垂直敷设两种方式。方框型接地网为边长5 m 的田字形接地网，埋深0.8 m，采用的柔性石墨复合接地体长度为1 m，直径为30 mm。柔性石墨复合接地模块长度为0.3 m，外径为20 cm，通过接续件与水平接地体连接。仿真计算是在工频电流下，所取的土壤为均匀土壤层，电阻率为100 Ω·m。

1.2 环形接地网降阻模型

在环形杆塔接地网上水平敷设和垂直敷设柔性石墨复合接地模块来降低杆塔接地电阻，在环形接地网敷设柔性石墨复合接地模块降阻模型，如图3所示。

图3 环形接地网敷设柔性石墨复合接地模块降阻模型Fig.3 Resistance reduction model of flexible graphite composite grounding module laid in ring grounding network

采用仿真软件建立环形接地网，与柔性石墨复合接地模块组成组合式接地网，接地模块采用水平和垂直两种敷设方式。环形接地网的半径为3 m，埋深0.8 m，采用的柔性石墨复合接地体长度为1 m，直径为30 mm。柔性石墨复合接地模块长度为0.3 m，外径为0.2 m，通过连接件与水平接地体连接。仿真计算是在工频电流下，所取的土壤为均匀土壤层，电阻率为100 Ω·m。

2 方框型和环形配电杆塔接地网降阻影响分析

2.1 接地网尺寸的影响

接地网尺寸的不同对降低杆塔接地电阻有影响。方框型杆塔接地网分别取边长为1 m、3 m、5 m、7 m、9 m，研究杆塔接地电阻的变化，方框型接地网不同尺寸时杆塔接地电阻如表1所示。

表1 方框型接地网不同尺寸时杆塔接地电阻Table 1 Ground resistance of tower with different size of box type grounding network

由表1 可知，随着方框型接地网尺寸的增加，杆塔接地电阻逐渐变小。接地网边长为1 m和3 m时杆塔接地电阻没有达到杆塔工频接地电阻规程［14］。当接地网尺寸增大到5 m×5 m 以后，杆塔接地电阻满足杆塔工频接地电阻规程，再增大接地网尺寸，杆塔接地电阻降低的速率变小。

环形杆塔接地网分别取半径为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，研究随着环形接地网半径的变化杆塔接地电阻的变化情况，方框型接地网不同尺寸时杆塔接地电阻如表2所示。

由表2 可知，随着环形接地网半径的增加，杆塔接地电阻逐渐变小。接地网半径为1 m和2 m时杆塔接地网接地电阻没有达到杆塔工频接地电阻规程。当接地网半径增大到3 m 以后，杆塔接地电阻满足杆塔工频接地电阻规程，再增大接地网半径，杆塔接地电阻降低的速率变小。

2.2 石墨接地模块长度的影响

敷设柔性石墨复合接地模块长度的不同对降低杆塔接地电阻有影响。分别取石墨接地模块长度为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，方框型接地网敷设不同长度石墨接地模块时杆塔接地电阻如图4所示。

图4 方框型接地网敷设不同长度石墨接地模块时接地电阻Fig.4 Ground resistance when graphite grounding modules of different lengths are laid in the box-type grounding network

由图4可知，随着敷设的石墨接地模块长度的增加，方框型接地网杆塔接地电阻逐渐减小。从未敷设石墨接地模块到敷设长度为0.5 m 的石墨接地模块这个过程，杆塔接地电阻降低的速率很快，但从石墨接地模块长度从0.5 m 增加时，杆塔接地电阻降低的速率减缓，大致呈线性降低的趋势。

环形接地网也是分别取石墨接地模块长度为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，研究石墨接地模块长度对杆塔接地电阻的影响，环形接地网敷设不同长度石墨接地模块时杆塔接地电阻如图5所示。

图5 环形接地网敷设不同长度石墨接地模块时的接地电阻Fig.5 Grounding resistance of graphite grounding modules of different lengths in ring grounding network

由图5可知，随着敷设的石墨接地模块长度的增加，环形接地网杆塔接地电阻逐渐减小。在敷设相同长度的石墨接地模块时，水平敷设方式比垂直敷设方式杆塔接地电阻小，当敷设长度为1 m 的石墨接地模块时，水平敷设方式的杆塔接地电阻达到了杆塔工频接地电阻规程，而垂直敷设方式的未满足杆塔工频接地电阻规程，需要再增加石墨接地模块长度才能满足规程要求。

2.3 石墨接地模块数量的影响

敷设柔性石墨复合接地模块数量的不同对降低杆塔接地电阻有影响。分别取石墨接地模块数量为4 个、8 个、12 个、16 个，均匀敷设在接地网上。方框型接地网敷设不同数量石墨接地模块时杆塔接地电阻如图6所示。

图6 方框型接地网敷设不同数量石墨接地模块时的接地电阻Fig.6 Ground resistance of different number of graphite grounding modules in box grounding network

由图6 可知，随着敷设的石墨接地模块数量的增加，方框型接地网杆塔接地电阻逐渐减小，杆塔接地电阻降低的速率减缓。在敷设相同数量石墨接地模块的情况下，水平敷设方式下的接地电阻比垂直敷设下的接地电阻小，随着石墨接地模块数量的增加，水平敷设和垂直敷设下的杆塔接地电阻相差变大。

环形接地网也分别取石墨接地模块数量为4个、8个、12个、16个，均匀敷设在接地网上。环形接地网敷设不同数量石墨接地模块时杆塔接地电阻如图7所示。

图7 环形接地网敷设不同数量石墨接地模块时的接地电阻Fig.7 Grounding resistance of different graphite grounding modules in ring grounding network

由图7可知，随着敷设的石墨接地模块数量的增加，环形接地网杆塔接地电阻逐渐减小。当敷设4个石墨接地模块时，水平敷设方式下的杆塔接地电阻达到了杆塔工频接地电阻规程，而垂直敷设方式下没有满足要求，需要增加更多石墨接地模块来达到降阻的目的。

2.4 土壤电阻率的影响

土壤电阻率的不同对降低杆塔接地电阻有影响。土壤电阻率分别取50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、800 Ω·m，方框型接地网和环形接地网不同土壤电阻率下杆塔接地电阻分别如图8和图9所示。

图8 方框型接地网不同土壤电阻率时的接地电阻Fig.8 Ground resistance of box type grounding network with different soil resistivity

图9 环形接地网不同土壤电阻率时的接地电阻Fig.9 Ground resistance of ring grounding network with different soil resistivity

由图8 和图9 可知，随着土壤电阻率的增大，杆塔接地电阻也逐渐变大，大致呈线性增大的趋势。在相同土壤电阻率的情况下，水平敷设方式下的接地电阻比垂直敷设下的接地电阻小，但相差不大。

3 方框型和环形配电杆塔接地网降阻效率分析

为进一步研究敷设柔性石墨复合接地模块后的降阻效果，定义杆塔接地网敷设石墨复合接地模块前后的接地电阻差ΔR与未敷设石墨复合接地模块的接地电阻的比为降阻效率η。通过降阻效率来表征敷设石墨接地模块后对杆塔接地电阻的降阻能力，如式（1）所示。

式中：R0为未敷设石墨接地模块时杆塔接地电阻；R为敷设石墨接地模块后的杆塔接地电阻。

3.1 石墨接地模块长度的影响

通过仿真计算，方框型和环形接地网水平敷设下不同长度石墨接地模块时的降阻效率分别如表3和表4所示。

表3 方框型接地网水平敷设下不同长度石墨接地模块时的降阻效率Table 3 Resistance reduction efficiency of graphite grounding modules of different lengths under horizontal laying of box type grounding network

表4 环形接地网水平敷设下不同长度石墨接地模块时的降阻效率Table 4 Resistance reduction efficiency of graphite grounding modules of different lengths laid horizontally in ring grounding network

由表3 和表4 可知，在相同土壤电阻率的情况下，方框型和环形接地网都随着敷设石墨接地模块长度的增加，降阻效率逐渐增大；在敷设相同长度的石墨接地模块的情况下，方框型和环形接地网都随着土壤电阻率的增大，降阻效率几乎没有变化。在相同土壤电阻率和敷设相同长度的石墨接地模块的情况下，环形接地网水平敷设方式下的降阻效率比方框型接地网水平敷设方式下的降阻效率高，当敷设2.5 m 的石墨接地模块时，环形接地网的降阻效率可达到32%左右。

3.2 石墨接地模块数量的影响

通过仿真计算，方框型和环形接地网水平敷设下不同数量石墨接地模块时的降阻效率分别如表5和表6所示。

表5 方框型接地网水平敷设下不同数量石墨接地模块时的降阻效率Table 5 Resistance reduction efficiency of different amount of graphite grounding modules horizontally laid in box grounding network

表6 环形接地网水平敷设下不同数量石墨接地模块时的降阻效率Table 6 Resistance reduction efficiency of different amount of graphite grounding modules horizontally laid in ring grounding network

由表5 和表6 可知，在相同土壤电阻率的情况下，方框型和环形接地网都随着敷设石墨接地模块数量的增加，降阻效率逐渐增大；在敷设相同数量的石墨接地模块的情况下，方框型和环形接地网都随着土壤电阻率的增大，降阻效率几乎没有变化。在相同土壤电阻率和敷设相同数量的石墨接地模块的情况下，环形接地网水平敷设方式下的降阻效率比方框型接地网水平敷设方式下的降阻效率高，当均匀敷设4个石墨接地模块时，环形接地网的降阻效率可达到16%左右，当均匀敷设16个石墨接地模块时，环形接地网的降阻效率可达到34%左右，可以很好地降低杆塔的接地电阻。

3.3 石墨接地模块敷设方式的影响

在杆塔接地网上敷设石墨接地模块能降低杆塔接地电阻，敷设方式的不同对降阻效率产生影响。通过仿真计算，方框型和环形接地网不同敷设方式下的降阻效率分别如图10和图11所示。

图10 方框型接地网不同敷设方式下的降阻效率Fig.10 Drag reduction efficiency of box type grounding grid under different laying modes

图11 环形接地网不同敷设方式下的降阻效率Fig.11 Drag reduction efficiency of ring grounding network under different laying modes

由图10 和图11 可知，水平敷设方式下比垂直敷设方式下的降阻效果更好，方框型接地网水平敷设石墨接地模块的降阻效率在10.2%左右，环形接地网水平敷设石墨接地模块的降阻效率在16%左右。在实际工程中，可优先采用水平敷设石墨接地模块来降低杆塔接地电阻。

4 结论

采用仿真计算软件，建立了2种敷设柔性石墨复合接地模块的杆塔接地网降阻模型，分析了接地网尺寸、石墨接地模块长度、石墨接地模块数量和土壤电阻率对杆塔降阻的影响，研究了不同石墨接地模块长度、不同石墨接地模块数量和不同石墨接地模块敷设方式下的降阻效率，得到以下结论：

1）配电线路杆塔接地电阻随着接地网尺寸的增大而减小，随着土壤电阻率的增大，大致呈线性增大的趋势。

2）在配电杆塔接地网上敷设柔性石墨复合接地模块，杆塔接地电阻明显降低，随着石墨接地模块长度和石墨接地模块数量的增加，杆塔接地电阻逐渐降低。

3）在配电杆塔接地网上敷设柔性石墨复合接地模块后，石墨接地模块长度和数量对杆塔接地网的降阻效率有明显的影响，而土壤电阻率对杆塔接地网的降阻效率的影响很小。

4）在相同条件下，水平敷设柔性石墨复合接地模块比垂直敷设的降阻效果更好，可以更好地降低杆塔接地电阻。