張國(guó)鋒 惠 康 務(wù)孔永 郭 潔

石墨基柔性接地裝置在輸電線(xiàn)路中的適用性研究

張國(guó)鋒1惠 康2務(wù)孔永1郭 潔2

（1. 河南四達(dá)電力設(shè)備股份有限公司，河南 許昌 461503； 2. 西安交通大學(xué)，西安 710049）

石墨基柔性接地材料因具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性?xún)?yōu)異、與土壤相容性較好等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在輸電線(xiàn)路桿塔接地體中，但是其在應(yīng)用時(shí)的適應(yīng)性必須依據(jù)輸電線(xiàn)路的輸送能量、桿塔位置和運(yùn)行環(huán)境確定。本文通過(guò)建立不同輸電線(xiàn)路桿塔接地裝置的有限元仿真模型，計(jì)算相應(yīng)的接地電阻；根據(jù)接地電阻值，采用ATP-EMTP軟件，計(jì)算接地短路及雷電沖擊大電流下流過(guò)接地裝置的電流和溫升，從接地電阻和工頻短路電流，以及雷電沖擊大電流下的溫升兩個(gè)方面，研究石墨基柔性接地裝置在輸電線(xiàn)路中的適用性。研究結(jié)果表明，規(guī)程要求的工頻接地電阻滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻的要求，但是特高壓輸電線(xiàn)路發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，保護(hù)拒動(dòng)會(huì)使接地裝置的溫升超過(guò)限值。

輸電線(xiàn)路；石墨基柔性接地裝置；工頻接地電阻；溫升特性

0 引言

桿塔接地體是輸電線(xiàn)路防雷中的重要一環(huán)，接地體接地電阻過(guò)高或者接地不良會(huì)降低線(xiàn)路耐雷水平，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。傳統(tǒng)接地材料諸如鍍鋅鋼、銅覆鋼等在電力系統(tǒng)接地中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)接地體存在耐腐蝕性差、與土壤接觸性差且易被人為破壞等問(wèn)題[4-7]。

針對(duì)傳統(tǒng)材料接地體在實(shí)際應(yīng)用中的不足，非金屬導(dǎo)電材料特別是柔性石墨材料逐步在輸電線(xiàn)路桿塔接地體中應(yīng)用。石墨材料具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易腐蝕[8-9]、與土壤接觸性好等特點(diǎn)，但其在輸電線(xiàn)路中的應(yīng)用仍存在問(wèn)題：首先，其電阻率較傳統(tǒng)接地材料大，本體電阻較高，必須考慮工頻接地電阻及沖擊接地電阻是否滿(mǎn)足防雷要求；其次，輸電線(xiàn)路電壓等級(jí)高、輸送容量大，發(fā)生單相經(jīng)桿塔接地短路時(shí)，通過(guò)接地體流入土壤的電流較大，且輸電線(xiàn)路架設(shè)在野外易遭受雷擊，會(huì)由接地體泄放雷電流，石墨基柔性接地裝置內(nèi)含化學(xué)纖維、膠粘劑等物質(zhì)，工作溫度不能過(guò)高，因此必須考慮其通過(guò)大電流時(shí)的溫升。

本文根據(jù)不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路采用的石墨基柔性接地裝置型式，利用Solidworks構(gòu)建三維模型，采用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件計(jì)算工頻接地電阻；調(diào)研不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路的典型參數(shù)，在ATP-EMTP中搭建線(xiàn)路仿真模型，根據(jù)接地電阻值計(jì)算注入接地體的電流；以注入接地體的電流作為終端電流邊界條件，驗(yàn)證石墨基柔性接地裝置在大電流下的熱穩(wěn)定性，為石墨基柔性接地裝置在輸電線(xiàn)路中的應(yīng)用提供參考。

1 石墨基柔性接地裝置的接地型式

針對(duì)不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路、不同土壤電阻率，石墨基柔性接地裝置有不同的型式。基本型式為：桿塔四個(gè)塔腳通過(guò)鎧裝石墨引下線(xiàn)，接至石墨基柔性水平接地體，并在水平接地體下鋪設(shè)寬度為300mm的石墨基柔性降阻布。

根據(jù)國(guó)標(biāo)[10]要求，變電站進(jìn)線(xiàn)段桿塔工頻接地電阻不宜高于10W，遠(yuǎn)區(qū)土壤電阻率較高的區(qū)域，工頻接地電阻不宜超過(guò)30W。因此，本文中主要研究近區(qū)及土壤電阻率較高的遠(yuǎn)區(qū)桿塔接地裝置。220kV及以下電壓等級(jí)、500kV及以上電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路桿塔接地裝置型式示意圖分別如圖1和圖2所示。不同型式的接地裝置尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 220kV及以下輸電線(xiàn)路桿塔接地裝置型式示意圖

圖2 500kV及以上輸電線(xiàn)路桿塔接地裝置型式示意圖

表1 不同型式的接地裝置尺寸參數(shù)

在電壓等級(jí)較高的輸電線(xiàn)路中，增加石墨接地體的截面面積及長(zhǎng)度，以提高接地裝置的散流能力。在土壤電阻率較大的區(qū)域，通過(guò)延長(zhǎng)射線(xiàn)長(zhǎng)度、射線(xiàn)末端裝設(shè)柔性等離子接地極或者接地模塊來(lái)滿(mǎn)足接地電阻的要求。其中，柔性等離子體內(nèi)填充環(huán)保型離子，在應(yīng)用中，離子擴(kuò)散開(kāi)可降低周?chē)寥离娮杪剩唤拥啬K通過(guò)火花刺增大土壤局部的火花效應(yīng)，降低接地電阻。

2 石墨基柔性接地裝置工頻接地電阻仿真

電流通過(guò)接地體時(shí)，以石墨基柔性接地裝置為中心，向四周土壤均勻散流，土壤域設(shè)置為半球體形狀。工程實(shí)踐表明，當(dāng)計(jì)算區(qū)域的尺寸大于接地極尺寸的四倍時(shí)，截?cái)嗾`差可忽略不計(jì)[11-12]，因此本文中土壤域設(shè)置為接地裝置尺寸的10倍以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。按規(guī)程，接地裝置一般不小于下列埋深：農(nóng)耕地0.8m且在耕作深度以下；一般地區(qū)0.6m；開(kāi)挖困難且土壤電阻率大于2 000W·m的巖石地區(qū)0.3m。在本文中，取一般埋深0.6m。根據(jù)這些條件及石墨基柔性接地裝置的不同型式，構(gòu)建石墨基柔性接地裝置接地電阻仿真模型如圖3所示。

圖3 石墨基柔性接地裝置接地電阻仿真模型

因?yàn)楣ゎl頻率較低且是單一頻率，同時(shí)石墨屬于弱磁材料，電感效應(yīng)不明顯[13-14]，所以仿真計(jì)算工頻接地電阻時(shí)可以采用電流場(chǎng)在頻域求解。

計(jì)算工頻接地電阻時(shí)，從接地裝置的4根引下線(xiàn)上端注入幅值為1A的電流，220kV輸電線(xiàn)路桿塔石墨基柔性接地裝置的電位分布如圖4所示，500kV及以上輸電線(xiàn)路桿塔石墨基柔性接地裝置的電位分布如圖5所示。由終端電壓可以計(jì)算得到不同型式接地裝置的工頻接地電阻見(jiàn)表2。

圖5 500kV及以上輸電線(xiàn)路桿塔石墨基柔性接地裝置電位分布

表2 不同型式接地裝置的工頻接地電阻

3 單相工頻短路及雷擊時(shí)的入地電流計(jì)算

220kV及以下電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路同一土壤電阻率下采用同一型式的石墨基柔性接地裝置，500kV及以上電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路同一土壤電阻率下采用同一型式的接地裝置。因此，根據(jù)220kV及1 000kV交流輸電線(xiàn)路計(jì)算單相工頻短路及雷擊桿塔時(shí)注入接地裝置的電流，將其作為大電流下溫升計(jì)算的終端邊界條件。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中輸電線(xiàn)路的典型參數(shù)，在ATP- EMTP中搭建仿真模型，以等值電阻等效接地裝置。220kV輸電線(xiàn)路電站近區(qū)桿塔的接地電阻設(shè)置為9.256W，遠(yuǎn)區(qū)桿塔的接地電阻設(shè)置為21.161W；1 000kV輸電線(xiàn)路電站近區(qū)桿塔的接地電阻設(shè)置為3.361W，遠(yuǎn)區(qū)桿塔的接地電阻設(shè)置為27.634W。雷擊桿塔的原始雷采用2.6/50ms的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，幅值根據(jù)40年一遇的概率計(jì)算。每年40個(gè)雷暴日，且地閃密度取為0.28次/(km2·年)。

沿線(xiàn)均勻選取11個(gè)桿塔位置作為故障點(diǎn)，分別在不同位置設(shè)置單相工頻接地短路和雷擊塔頂。近區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)注入接地裝置的工頻電流幅值見(jiàn)表3，兩種電壓等級(jí)接地裝置可能通過(guò)的最大雷電流見(jiàn)表4，根據(jù)雷電流幅值和波形采用雙指數(shù)函數(shù)來(lái)模擬。

表3 注入接地裝置的工頻電流幅值

表4 注入接地裝置的最大雷電流

4 大電流下石墨基柔性接地裝置的溫升特性

工頻短路電流及雷電流持續(xù)時(shí)間較短，與不同介質(zhì)之間的傳熱時(shí)間相比可以忽略。因此在計(jì)算大電流下接地裝置的溫升時(shí)，不考慮不同材料之間的傳熱過(guò)程，只考慮材料自身吸收工頻電流能量引起的溫升。經(jīng)試驗(yàn)表明，石墨材料溫度達(dá)到300℃左右時(shí)開(kāi)始冒煙，性能發(fā)生變化，因此大電流下石墨基柔性接地裝置的溫升不能超過(guò)280℃（工作在常溫20℃）。

分別以表3中工頻接地短路入地電流幅值作為不同型式接地裝置有限元仿真模型的終端電流邊界條件，在COMSOL中計(jì)算接地裝置的體積損耗密度分布。220kV輸電線(xiàn)路近區(qū)桿塔石墨基柔性接地裝置在單相工頻短路電流下的體積損耗密度分布如圖6所示，石墨材料的最大電磁體積損耗密度為7.639×107W/m3。同樣，可計(jì)算不同型式接地裝置石墨材料的最大電磁體積損耗密度。

圖6 220kV輸電線(xiàn)路近區(qū)接地裝置在單相工頻短路電流下的電磁體積損耗密度分布

根據(jù)測(cè)量可得石墨材料的密度為1 060kg/m3，比熱容為710J/(kg·℃)，且工頻短路電流在前備保護(hù)拒動(dòng)后持續(xù)時(shí)間約為0.54s，可計(jì)算不同型式接地裝置在工頻短路電流下的溫升見(jiàn)表5。

表5 不同型式接地裝置在工頻短路電流下的溫升

計(jì)算雷電流下的溫升時(shí)，材料的電感效應(yīng)不能忽略，需要采用電流場(chǎng)及磁場(chǎng)耦合的多物理場(chǎng)在時(shí)域進(jìn)行求解。鎧裝石墨引下線(xiàn)如圖7所示，段①外層帶有絕緣層及不銹鋼鎧裝，段②只有石墨編織層及不銹鋼加強(qiáng)芯板。電流通過(guò)段①后，開(kāi)始向土壤散流，但是由于土壤電阻率比石墨材料大得多，散流極少，因此可以假設(shè)電流完全通過(guò)引下線(xiàn)而不散流，只需考核引下線(xiàn)段②通過(guò)完整雷電流時(shí)的溫升。在仿真建模中只需要截取一段引下線(xiàn)，不需要搭建完整的接地裝置。

圖7 鎧裝石墨引下線(xiàn)

雷電流經(jīng)由塔身四個(gè)塔腳的鎧裝石墨引下線(xiàn)注入接地裝置，雷擊塔頂不同位置時(shí)四個(gè)塔腳的分流可能會(huì)有差別。根據(jù)桿塔實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)，將其等效為電阻、電感組成的網(wǎng)絡(luò)，由塔頂不同位置注入幅值為300kA的雷電流，四個(gè)塔腳的分流如圖8所示。由圖8可知，四個(gè)塔腳的分流差別很小，不超過(guò)1%。

圖8 雷擊塔頂時(shí)四個(gè)塔腳的分流

因此，取1/4注入接地裝置的雷電流作為單根石墨引下線(xiàn)終端電流邊界條件，石墨材料的溫升為

雷電流持續(xù)50ms左右，因此取仿真時(shí)間為50ms，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1ms。截面為40mm×6mm的引下線(xiàn)在3.1ms時(shí)刻的電磁體積損耗密度分布如圖9所示，兩種截面引下線(xiàn)在雷電流下的最高溫升見(jiàn)表6。

圖9 截面為40mm×6mm的引下線(xiàn)在3.1ms時(shí)刻的電磁體積損耗密度分布

表6 兩種截面引下線(xiàn)在雷電流下的最高溫升

5 結(jié)論

本文利用COMSOL及ATP-EMTP建立石墨基柔性接地裝置的仿真模型，計(jì)算其工頻接地電阻及大電流下的溫升，得到以下結(jié)論：

1）相同電壓等級(jí)下，應(yīng)用于高土壤電阻率區(qū)域的石墨基柔性接地裝置可通過(guò)延長(zhǎng)射線(xiàn)長(zhǎng)度、鋪設(shè)水平降阻布來(lái)降低工頻接地電阻，使其達(dá)到桿塔接地電阻的設(shè)計(jì)要求。

2）在特高壓輸電線(xiàn)路中，工頻接地短路引起的接地裝置溫升遠(yuǎn)大于雷電流引起的溫升，是考核接地裝置性能的重要指標(biāo)。

3）應(yīng)用在特高壓輸電線(xiàn)路中的石墨基柔性接地裝置，需要增大石墨截面積降低電流密度，從而降低大電流下的溫升。

[1] 王春杰, 祝令瑜, 汲勝昌, 等. 高壓輸電線(xiàn)路和變電站雷電防護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電瓷避雷器, 2010(3): 35-46.

[2] 胡元潮, 李光杰, 安韻竹, 等. 基于平面復(fù)合降阻材料的桿塔基礎(chǔ)接地降阻研究[J]. 水電能源科學(xué), 2020, 38(2): 176-180.

[3] 程育林, 方鵬, 江雷, 等. 垂直接地極對(duì)輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻的影響效果[J]. 湖南電力, 2020, 40(1): 6-10, 19.

[4] 李光杰, 胡元潮, 李勛, 等. 基于柔性石墨接地體的塔基外敷降阻研究[J]. 智慧電力, 2020, 48(8): 116- 122.

[5] 李文琦, 胡元潮, 趙文龍, 等. 擴(kuò)徑石墨復(fù)合接地材料的接地體散流特性研究[J]. 電瓷避雷器, 2020(4): 68-74, 79.

[6] 李鳳和. 論金屬和非金屬材料柔性接地的實(shí)際應(yīng)用[J]. 中國(guó)金屬通報(bào), 2019(8): 188-189.

[7] 孫長(zhǎng)海, 尚京城, 吳鍵, 等. 新型長(zhǎng)壽命復(fù)合接地系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J]. 電瓷避雷器, 2019(4): 80-86.

[8] 曾挺, 吳哲, 孔祥美, 等. 柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(3): 130-132, 136.

[9] 肖微, 胡元潮, 阮江軍, 等. 柔性石墨復(fù)合接地材料及其接地特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(2): 85-94.

[10] 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范: GB/T 50064—2014[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2014.

[11] 商志偉. 桿塔接地裝置散流分布與沖擊接地電阻規(guī)律的試驗(yàn)研究與仿真分析[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2016.

[12] 黃歡, 郭潔, 魏琪, 等. 桿塔沖擊接地阻抗的有限元分析[J]. 高壓電器, 2019, 55(4): 217-222.

[13] 郭軼磊, 趙自威, 張康偉. 高土壤電阻率下的新型石墨接地材料沖擊特性仿真分析[J]. 電力學(xué)報(bào), 2019, 34(1): 1-6.

[14] 肖微, 黃道春, 阮江軍, 等. 石墨基柔性接地體與金屬接地體沖擊接地性能對(duì)比[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(12): 3808-3813.

Research on applicability of graphite-based flexible grounding device in transmission line

ZHANG Guofeng1HUI Kang2WU Kongyong1GUO Jie2

(1. He’nan Star Electric Power Equipment Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461503; 2. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Graphite based flexible grounding materials are used in transmission line tower grounding body because of their stable chemical properties, excellent corrosion resistance and good compatibility with soil. However, their adaptability must be determined according to the transmission energy, tower position and operation environment of transmission line. In this paper, the finite element simulation models of different transmission line tower grounding devices are established, and the corresponding grounding resistance is calculated. According to the value of grounding resistance, using ATP-EMTP software, the current flowing through the grounding device under grounding short circuit and lightning impulse current and temperature rise are calculated. The applicability of graphite based flexible grounding device in transmission line is studied from two aspects of grounding resistance, temperature rise under power frequency short circuit current and lightning impulse current. The research results show that the power frequency grounding resistance required by the regulations meets the requirements of transmission line tower grounding resistance, but in case of single-phase grounding short-circuit fault of UHV transmission line, the failure of protection will make the temperature rise of grounding device exceed the limit value.

transmission line; graphite-based flexible grounding device; power frequency grounding resistance; temperature characteristics

2021-03-13

2021-04-15

張國(guó)鋒（1987—），男，安徽亳州人，學(xué)士，工程師，主要從事石墨接地材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工作。