杨昊
国网内蒙古东部电力有限公司巴林右旗供电分公司 内蒙古自治区025150
摘要：为提高杆塔的接地性能，传统的方法往往采用设置外接接地极、接地网等，接地网材料通常采用钢、镀锌钢和铜覆钢等材料，易被腐蚀。柔性石墨复合接地材料是近年出现的一种由高导电石墨、合成纤维作为主要材料的新型非金属接地材料，有效解决了传统金属接地材料易腐蚀、电感作用大等缺点，并在电力系统接地工程中得到广泛应用，本文主要分析输电线路杆塔桩基钢筋散流及其优化技术。
关键词：杆塔桩基；自然接地；柔性石墨接地体；接地散流；接地降阻
引言
输电是电力系统中的重要一环，而输电线路杆塔作为输电系统的主要组成部分，其安全稳定是保证电力系统平稳运行的关键。输电线路杆塔桩基大多以钢筋为骨架，用混凝土浇筑而成，钢筋本身具有较为良好的散流性能，所以在进行接地设计时应充分利用塔基内芯钢筋增加桩基散流效率。现行桩基浇筑工艺下，内芯钢筋大多被包裹在混凝土中，混凝土的电阻率一般可达数千欧，在干燥环境中的混凝土电阻率可达兆欧，这使得杆塔基础的内芯钢筋向大地散流变得极为困难。因此，研究一种充分发挥杆塔基础内芯钢筋的散流作用，提高杆塔基础的接地性能的方法，对电力系统安全稳定运行具有重要的意义。
1、电力杆塔桩基接地优化模型
1.1电力杆塔桩基自然接地
输电线路杆塔桩基自然接地是指在无外延接地体的情况下，杆塔通过桩基内部的钢筋实现接地，其主要原理为：杆塔桩基一般为钢筋混凝土结构，混凝土材料多孔，易形成“毛细作用”，混凝土内孔隙“毛细作用”带来的水分使混凝土内部连成电桥。当杆塔遭遇雷击时，雷电流由引下线引入桩基内钢筋，通过这些细密的电桥在混凝土中形成散流通道，导入深层土壤，进行雷电流的泄散。但是，在山地、戈壁、荒漠等高阻地带，“毛细作用”弱，难以形成电桥，导致位于这些地区的电力杆塔桩基自然接地电阻较高，即便在土壤电阻率较低且较为潮湿的地区，常规输电线路杆塔仅依靠自然接地也难以达到接地电阻要求限值。
1.2杆塔桩基接地优化策略
由于浇筑工艺要求，杆塔基础内的钢筋被混凝土包裹，桩基内部的钢筋无法与土壤直接接触，只能寄希望于混凝土的毛细作用。所以要发挥桩基内钢筋的散流作用，就要充分利用好基坑回填这段最佳降阻时间段，减少人工接地体敷设长度，降低2次施工成本。将引下线与柔性石墨接地体通过连接件紧密连接，石墨接地体绕包在桩基外围。绕包桩基的石墨接地体的直径为28mm，电阻率为3.25×10-5Ω·m，相对磁导率取1。由于桩基混凝土电阻率远高于周围土壤的电阻率，高电阻率的混凝土介质形成了桩基内钢筋与外部土壤的“间隔”，使得桩基内钢筋电流无法向土壤中有效“泄放”。本文所采用的桩基外侧绕包柔性石墨接地体的接地方式，使得桩基内外导体有效连接，提高杆塔桩基内部钢筋散流效率，达到降低接地电阻的目的。
2、不同绕包深度对杆塔接地特性的影响
2.1降阻效率对比
为研究不同优化方案对杆塔桩基接地电阻的影响，分别对自然接地方案和3种降阻方案进行有限元仿真分析。将土壤空间视作无穷大，其中土壤电阻率设置为100~1200Ω·m，对比各土壤电阻率条件下不同方案的单桩基接地电阻。此外，对比3种桩基绕包降阻方案的降阻系数η可知，相同土壤条件下，桩基绕包方案Ⅲ的降阻系数η最高。当在土壤电阻率为100Ω·m时，无绕包桩基自然接地的接地电阻为21.937Ω，采用绕包方案Ⅲ后降至4.806Ω，方案Ⅲ的降阻系数达到78.09%。在土壤电阻率较高时（以土壤电阻率为1200Ω·m时为例），方案Ⅲ的降阻系数是方案Ⅰ的3倍，降阻效果显著。此外，不同绕包方案的降阻系数η随土壤电阻率的增加呈现出增大的趋势。
2.2桩基内钢筋电流密度
为分析桩基内钢筋在遭雷击时的电流密度，设置土壤电阻率为1200Ω·m时，通过仿真计算得到各个方案钢筋构架的电流密度分布。
在桩基内钢筋垂直于地表方向取由地表向钢筋底部延伸的截线，截线范围为埋深0~9.6m，得到各个方案钢筋架构在垂直地表方向的电流密度分布趋势。由当桩基自然接地无绕包时，由于混凝土电阻率极大，混凝土内的钢筋电流无法实现有效排散。相比于自然接地，采用降阻方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的桩基内钢筋的电流密度低，外部绕包石墨接地体上的电流密度高，说明桩基的散流能力得到提高。随着柔性石墨接地体绕包覆盖面积的增加，混凝土桩基内钢筋电流更多地排散至土壤。根据定量分析垂直于地表方向钢筋结构内电流密度分布趋势，其中4组方案的钢筋电流密度随埋地深度的加深均呈现出衰减的趋势。虽然无论采用何种方案其桩基内钢筋电流密度在钢筋末端都会衰减至0，但是采用优化方案可提高散流效率。另外，地表处4组方案的入地电流密度不同，采用桩基自然接地方式的桩基内钢筋电流密度在地表处高于其他采用优化接地方案的桩基内钢筋电流密度。由于采用优化接地方案，将柔性石墨接地体与桩基内钢筋相连相当于扩大了接地体面积，分散了入地电流，使得地表处钢筋电流密度较对照组降低，其中采用方案Ⅲ的等效接地体范围较大，所以其桩基内钢筋入地点电流密度最小。
3、绕包间距对杆塔接地特性的影响
3.1绕包间距对降阻系数的影响
要研究不同桩间距对塔桩强度损失系数的影响，请为不同桩间距创建桩流量计算模型。根据模拟获得的接地电阻数据，在不同的接地电阻条件下分析了封装周围不同间隙的接地电阻降低系数。地面空间被认为是无限的，其中地面电阻率定义为100到1200 ω m。比较不同土壤电阻率条件下不同桩的地面电阻率损失系数。石墨柔性卷绕与复盖区域桩之间的间距越大，载荷损失系数越高，载荷损失效果越大。其中，远处绕组的阻力损失系数受地面阻力影响较小。在1200 ω m的岩性条件下，远距离线圈的电阻损耗系数仍可达到58.44%。
3.2绕包间距对地表电位分布的影响
研究不同分组间隔桩附近表面电势的分布。1200 ω土电阻率下桩附近表面电位分布。桩周围的面积越大，桩附近的表面电势越均匀，桩的放电电流越有利。对于混凝土桩导体径向间隔对表面电势影响规律的定量分析，在模拟模型中以喷灌点为起点沿地面水平观测线，观测线长度为150m，比较了不同绕组间隔下的表面电势分布。桩外柔性石墨基底绕组范围越大，位分布越均匀，自然接地时表面位的最大值为523.461kv，近、中、远绕组模型中表面位的最大值分别为395.646、327.071、217.571kV。
3.3实际工程应用的降阻策略
根据该项目，实际建造了一个4英尺模型，在该模型中，地线采用直径28毫米的柔性石墨基底，连接至分流线，埋在0.5米深度。考虑到接地网区域与接地特性之间的关系，分析了影响在100 ~ 1500ω土强度下进行土强度计算，只要符合中国现行土建设计规范的土强度标准，即可通过分析结果得出不同的土强度降低方法可见:在100 ~ 700ω的土壤电阻率范围内，天然接地电阻符合国家标准的要求。考虑到上述单脚接地电阻，建议采用该领域的近线绕组计划，以提高实际工程应用中的安全公差，确保安全。在900 ~ 1200ω的土壤电阻率范围内，采用附近开发计划塔的接地电阻满足国家标准的要求，无需设置接地扩展以节省地面面积。当土壤电阻率为1500 ω m时，如果附近的开发计划不能满足国家标准的要求，有必要增加接地扩展以降低接地电阻。在该模型条件下，地面临界强度加上伸缩率约为1500 ω m，为实际工程应用提供了重要的参考依据。
结束语
适度扩大柔性石墨接地体绕包与所包覆桩基之间的间距，在一定程度上可以提高降阻系数，降低接地电阻。在一定程度上可使桩基附近地面电势分布更均匀，降低接地电位。在实际工程建设中，可采用适度间距的柔性石墨接地体绕包桩基，实现改善杆塔接地性能的目的。
参考文献：
[1]何金良，曾嵘．电力系统接地技术[M]．北京：科学出版社，2021：112-117．
[2]潘文霞,刘铜锤,王兵,等.分层土壤任意块状基础的接地计算方法[J].电工技术学报,2020,31(7):145-151.
[3]童雪芳,董晓辉,谷定燮.特高压输电线路杆塔基础独立接地性能仿真分析[J].高电压技术,2020,38(12):3323-3330.
[4]袁涛,雷超平,司马文霞,等.提高接地极散流效率的冲击接地降阻分析[J].电工技术学报,2018,27(11):278-284.
[5]杨潇,黄佳瑞,杨帅,等.典型杆塔接地体冲击特性模拟试验研究[J].武汉大学学报(工学版),2018,51(5):426-431.