張 凱，吳曉東，代佰華，毛惠卿，胡元潮

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

0 引言

配電線路中接地裝置的性能，對配電線路安全運(yùn)行有很大影響，實(shí)際工程中通常以工頻接地電阻作為接地裝置接地性能的參考標(biāo)準(zhǔn)［1-4］，所以在實(shí)際工程中，降低桿塔工頻接地電阻是使線路安全運(yùn)行的重點(diǎn)，目前降低工頻接地電阻的方法有許多種，比如采用降阻劑、接地模塊以及垂直接地極等傳統(tǒng)接地材料［5］，但傳統(tǒng)的接地模塊存在降阻效率低、脆性大和容易腐蝕等問題，因此研究高導(dǎo)電性的柔性石墨復(fù)合接地模塊降低桿塔接地電阻具有實(shí)際意義。

為了降低桿塔的接地電阻，使線路可以更好地安全穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。高竹青等［6］研究了垂直接地極對桿塔沖擊接地電阻的影響。李騰［7］針對考慮地形特征的桿塔輔助接地網(wǎng)接地特性，開展了深入研究。于洋等［8］利用仿真軟件計算了輸電線路桿塔接地網(wǎng)采用接地模塊降阻時的影響因素，并分析了土壤結(jié)構(gòu)與土壤電阻率對其降阻效率的影響。唐靜等［9］研發(fā)了新型的接地裝置，通過仿真證實(shí)了新型接地裝置與常規(guī)接地裝置相比，明顯減小了接地網(wǎng)的工頻接地電阻。但對敷設(shè)高導(dǎo)電性的柔性石墨復(fù)合接地模塊的配電線路桿塔降阻的研究較少。

研究基于柔性石墨復(fù)合接地模塊的配電線路桿塔的接地降阻情況，配電線路桿塔為逐基接地，建立2 種敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊的桿塔接地網(wǎng)降阻模型，研究接地網(wǎng)尺寸、石墨接地模塊長度、石墨接地模塊數(shù)量和土壤電阻率對桿塔降阻的影響，分析石墨接地模塊長度、石墨接地模塊數(shù)量和石墨接地模塊敷設(shè)方式對桿塔降阻效率的影響。

1 柔性石墨復(fù)合接地模塊的降阻模型

接地模塊是一種很常用的減小接地電阻的方法，通過增大與土壤的接觸面積、降低局部介質(zhì)的電阻率，來實(shí)現(xiàn)降低接地電阻的目的［10］。傳統(tǒng)接地模塊內(nèi)部多為鍍鋅鋼金屬材料，外部包敷石墨粉、金屬粉與固化劑等構(gòu)成的降阻模塊，其電阻率可達(dá)0.01～10 Ω·m［11］。而柔性石墨復(fù)合接地模塊與傳統(tǒng)接地模塊結(jié)構(gòu)形式類似但選材不同，將傳統(tǒng)降阻模塊的內(nèi)心替換成柔性石墨復(fù)合接地體［12］，外部包敷層替換為石墨線與高純鱗片石墨組合模塊，電阻率約10-5Ω·m，導(dǎo)電性能比傳統(tǒng)模塊高3～6 個數(shù)量級。此外，柔性石墨復(fù)合接地模塊中無金屬電極，其具有良好的防腐性能，由于其自身具有非常好的柔韌性，有效克服了傳統(tǒng)接地模塊脆性易碎的問題［13］，柔性石墨復(fù)合接地模塊的實(shí)物如圖1所示。

圖1 柔性石墨復(fù)合接地模塊Fig.1 Flexible graphite composite earth module

建立在方框型和環(huán)形接地網(wǎng)上敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊的降阻模型，研究敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊后對配電線路桿塔的降阻效果。

1.1 方框型接地網(wǎng)降阻模型

鑒于石墨材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與鋼、鍍鋅鋼等金屬材料相比耐腐蝕性好，復(fù)合接地材料的“骨架”又由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的無機(jī)纖維或合成纖維構(gòu)成。因此，石墨復(fù)合接地材料具有可靠的耐腐蝕性能，在配電桿塔接地網(wǎng)上連接柔性石墨復(fù)合接地體，可以長效地降低桿塔接地電阻，在方框型接地網(wǎng)敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊降阻模型，如圖2所示。

圖2 方框型接地網(wǎng)敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊降阻模型Fig.2 The resistance reduction model of flexible graphite composite grounding module laid in box grounding network

在方框型接地網(wǎng)上敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊構(gòu)成組合式接地網(wǎng)，接地模塊采用水平和垂直敷設(shè)兩種方式。方框型接地網(wǎng)為邊長5 m 的田字形接地網(wǎng)，埋深0.8 m，采用的柔性石墨復(fù)合接地體長度為1 m，直徑為30 mm。柔性石墨復(fù)合接地模塊長度為0.3 m，外徑為20 cm，通過接續(xù)件與水平接地體連接。仿真計算是在工頻電流下，所取的土壤為均勻土壤層，電阻率為100 Ω·m。

1.2 環(huán)形接地網(wǎng)降阻模型

在環(huán)形桿塔接地網(wǎng)上水平敷設(shè)和垂直敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊來降低桿塔接地電阻，在環(huán)形接地網(wǎng)敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊降阻模型，如圖3所示。

圖3 環(huán)形接地網(wǎng)敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊降阻模型Fig.3 Resistance reduction model of flexible graphite composite grounding module laid in ring grounding network

采用仿真軟件建立環(huán)形接地網(wǎng)，與柔性石墨復(fù)合接地模塊組成組合式接地網(wǎng)，接地模塊采用水平和垂直兩種敷設(shè)方式。環(huán)形接地網(wǎng)的半徑為3 m，埋深0.8 m，采用的柔性石墨復(fù)合接地體長度為1 m，直徑為30 mm。柔性石墨復(fù)合接地模塊長度為0.3 m，外徑為0.2 m，通過連接件與水平接地體連接。仿真計算是在工頻電流下，所取的土壤為均勻土壤層，電阻率為100 Ω·m。

2 方框型和環(huán)形配電桿塔接地網(wǎng)降阻影響分析

2.1 接地網(wǎng)尺寸的影響

接地網(wǎng)尺寸的不同對降低桿塔接地電阻有影響。方框型桿塔接地網(wǎng)分別取邊長為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m，研究桿塔接地電阻的變化，方框型接地網(wǎng)不同尺寸時桿塔接地電阻如表1所示。

表1 方框型接地網(wǎng)不同尺寸時桿塔接地電阻Table 1 Ground resistance of tower with different size of box type grounding network

由表1 可知，隨著方框型接地網(wǎng)尺寸的增加，桿塔接地電阻逐漸變小。接地網(wǎng)邊長為1 m和3 m時桿塔接地電阻沒有達(dá)到桿塔工頻接地電阻規(guī)程［14］。當(dāng)接地網(wǎng)尺寸增大到5 m×5 m 以后，桿塔接地電阻滿足桿塔工頻接地電阻規(guī)程，再增大接地網(wǎng)尺寸，桿塔接地電阻降低的速率變小。

環(huán)形桿塔接地網(wǎng)分別取半徑為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，研究隨著環(huán)形接地網(wǎng)半徑的變化桿塔接地電阻的變化情況，方框型接地網(wǎng)不同尺寸時桿塔接地電阻如表2所示。

由表2 可知，隨著環(huán)形接地網(wǎng)半徑的增加，桿塔接地電阻逐漸變小。接地網(wǎng)半徑為1 m和2 m時桿塔接地網(wǎng)接地電阻沒有達(dá)到桿塔工頻接地電阻規(guī)程。當(dāng)接地網(wǎng)半徑增大到3 m 以后，桿塔接地電阻滿足桿塔工頻接地電阻規(guī)程，再增大接地網(wǎng)半徑，桿塔接地電阻降低的速率變小。

2.2 石墨接地模塊長度的影響

敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊長度的不同對降低桿塔接地電阻有影響。分別取石墨接地模塊長度為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，方框型接地網(wǎng)敷設(shè)不同長度石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖4所示。

圖4 方框型接地網(wǎng)敷設(shè)不同長度石墨接地模塊時接地電阻Fig.4 Ground resistance when graphite grounding modules of different lengths are laid in the box-type grounding network

由圖4可知，隨著敷設(shè)的石墨接地模塊長度的增加，方框型接地網(wǎng)桿塔接地電阻逐漸減小。從未敷設(shè)石墨接地模塊到敷設(shè)長度為0.5 m 的石墨接地模塊這個過程，桿塔接地電阻降低的速率很快，但從石墨接地模塊長度從0.5 m 增加時，桿塔接地電阻降低的速率減緩，大致呈線性降低的趨勢。

環(huán)形接地網(wǎng)也是分別取石墨接地模塊長度為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，研究石墨接地模塊長度對桿塔接地電阻的影響，環(huán)形接地網(wǎng)敷設(shè)不同長度石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖5所示。

圖5 環(huán)形接地網(wǎng)敷設(shè)不同長度石墨接地模塊時的接地電阻Fig.5 Grounding resistance of graphite grounding modules of different lengths in ring grounding network

由圖5可知，隨著敷設(shè)的石墨接地模塊長度的增加，環(huán)形接地網(wǎng)桿塔接地電阻逐漸減小。在敷設(shè)相同長度的石墨接地模塊時，水平敷設(shè)方式比垂直敷設(shè)方式桿塔接地電阻小，當(dāng)敷設(shè)長度為1 m 的石墨接地模塊時，水平敷設(shè)方式的桿塔接地電阻達(dá)到了桿塔工頻接地電阻規(guī)程，而垂直敷設(shè)方式的未滿足桿塔工頻接地電阻規(guī)程，需要再增加石墨接地模塊長度才能滿足規(guī)程要求。

2.3 石墨接地模塊數(shù)量的影響

敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊數(shù)量的不同對降低桿塔接地電阻有影響。分別取石墨接地模塊數(shù)量為4 個、8 個、12 個、16 個，均勻敷設(shè)在接地網(wǎng)上。方框型接地網(wǎng)敷設(shè)不同數(shù)量石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖6所示。

圖6 方框型接地網(wǎng)敷設(shè)不同數(shù)量石墨接地模塊時的接地電阻Fig.6 Ground resistance of different number of graphite grounding modules in box grounding network

由圖6 可知，隨著敷設(shè)的石墨接地模塊數(shù)量的增加，方框型接地網(wǎng)桿塔接地電阻逐漸減小，桿塔接地電阻降低的速率減緩。在敷設(shè)相同數(shù)量石墨接地模塊的情況下，水平敷設(shè)方式下的接地電阻比垂直敷設(shè)下的接地電阻小，隨著石墨接地模塊數(shù)量的增加，水平敷設(shè)和垂直敷設(shè)下的桿塔接地電阻相差變大。

環(huán)形接地網(wǎng)也分別取石墨接地模塊數(shù)量為4個、8個、12個、16個，均勻敷設(shè)在接地網(wǎng)上。環(huán)形接地網(wǎng)敷設(shè)不同數(shù)量石墨接地模塊時桿塔接地電阻如圖7所示。

圖7 環(huán)形接地網(wǎng)敷設(shè)不同數(shù)量石墨接地模塊時的接地電阻Fig.7 Grounding resistance of different graphite grounding modules in ring grounding network

由圖7可知，隨著敷設(shè)的石墨接地模塊數(shù)量的增加，環(huán)形接地網(wǎng)桿塔接地電阻逐漸減小。當(dāng)敷設(shè)4個石墨接地模塊時，水平敷設(shè)方式下的桿塔接地電阻達(dá)到了桿塔工頻接地電阻規(guī)程，而垂直敷設(shè)方式下沒有滿足要求，需要增加更多石墨接地模塊來達(dá)到降阻的目的。

2.4 土壤電阻率的影響

土壤電阻率的不同對降低桿塔接地電阻有影響。土壤電阻率分別取50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、800 Ω·m，方框型接地網(wǎng)和環(huán)形接地網(wǎng)不同土壤電阻率下桿塔接地電阻分別如圖8和圖9所示。

圖8 方框型接地網(wǎng)不同土壤電阻率時的接地電阻Fig.8 Ground resistance of box type grounding network with different soil resistivity

圖9 環(huán)形接地網(wǎng)不同土壤電阻率時的接地電阻Fig.9 Ground resistance of ring grounding network with different soil resistivity

由圖8 和圖9 可知，隨著土壤電阻率的增大，桿塔接地電阻也逐漸變大，大致呈線性增大的趨勢。在相同土壤電阻率的情況下，水平敷設(shè)方式下的接地電阻比垂直敷設(shè)下的接地電阻小，但相差不大。

3 方框型和環(huán)形配電桿塔接地網(wǎng)降阻效率分析

為進(jìn)一步研究敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊后的降阻效果，定義桿塔接地網(wǎng)敷設(shè)石墨復(fù)合接地模塊前后的接地電阻差ΔR與未敷設(shè)石墨復(fù)合接地模塊的接地電阻的比為降阻效率η。通過降阻效率來表征敷設(shè)石墨接地模塊后對桿塔接地電阻的降阻能力，如式（1）所示。

式中：R0為未敷設(shè)石墨接地模塊時桿塔接地電阻；R為敷設(shè)石墨接地模塊后的桿塔接地電阻。

3.1 石墨接地模塊長度的影響

通過仿真計算，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)下不同長度石墨接地模塊時的降阻效率分別如表3和表4所示。

表3 方框型接地網(wǎng)水平敷設(shè)下不同長度石墨接地模塊時的降阻效率Table 3 Resistance reduction efficiency of graphite grounding modules of different lengths under horizontal laying of box type grounding network

表4 環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)下不同長度石墨接地模塊時的降阻效率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，在相同土壤電阻率的情況下，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)都隨著敷設(shè)石墨接地模塊長度的增加，降阻效率逐漸增大；在敷設(shè)相同長度的石墨接地模塊的情況下，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)都隨著土壤電阻率的增大，降阻效率幾乎沒有變化。在相同土壤電阻率和敷設(shè)相同長度的石墨接地模塊的情況下，環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)方式下的降阻效率比方框型接地網(wǎng)水平敷設(shè)方式下的降阻效率高，當(dāng)敷設(shè)2.5 m 的石墨接地模塊時，環(huán)形接地網(wǎng)的降阻效率可達(dá)到32%左右。

3.2 石墨接地模塊數(shù)量的影響

通過仿真計算，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)下不同數(shù)量石墨接地模塊時的降阻效率分別如表5和表6所示。

表5 方框型接地網(wǎng)水平敷設(shè)下不同數(shù)量石墨接地模塊時的降阻效率Table 5 Resistance reduction efficiency of different amount of graphite grounding modules horizontally laid in box grounding network

表6 環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)下不同數(shù)量石墨接地模塊時的降阻效率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，在相同土壤電阻率的情況下，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)都隨著敷設(shè)石墨接地模塊數(shù)量的增加，降阻效率逐漸增大；在敷設(shè)相同數(shù)量的石墨接地模塊的情況下，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)都隨著土壤電阻率的增大，降阻效率幾乎沒有變化。在相同土壤電阻率和敷設(shè)相同數(shù)量的石墨接地模塊的情況下，環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)方式下的降阻效率比方框型接地網(wǎng)水平敷設(shè)方式下的降阻效率高，當(dāng)均勻敷設(shè)4個石墨接地模塊時，環(huán)形接地網(wǎng)的降阻效率可達(dá)到16%左右，當(dāng)均勻敷設(shè)16個石墨接地模塊時，環(huán)形接地網(wǎng)的降阻效率可達(dá)到34%左右，可以很好地降低桿塔的接地電阻。

3.3 石墨接地模塊敷設(shè)方式的影響

在桿塔接地網(wǎng)上敷設(shè)石墨接地模塊能降低桿塔接地電阻，敷設(shè)方式的不同對降阻效率產(chǎn)生影響。通過仿真計算，方框型和環(huán)形接地網(wǎng)不同敷設(shè)方式下的降阻效率分別如圖10和圖11所示。

圖10 方框型接地網(wǎng)不同敷設(shè)方式下的降阻效率Fig.10 Drag reduction efficiency of box type grounding grid under different laying modes

圖11 環(huán)形接地網(wǎng)不同敷設(shè)方式下的降阻效率Fig.11 Drag reduction efficiency of ring grounding network under different laying modes

由圖10 和圖11 可知，水平敷設(shè)方式下比垂直敷設(shè)方式下的降阻效果更好，方框型接地網(wǎng)水平敷設(shè)石墨接地模塊的降阻效率在10.2%左右，環(huán)形接地網(wǎng)水平敷設(shè)石墨接地模塊的降阻效率在16%左右。在實(shí)際工程中，可優(yōu)先采用水平敷設(shè)石墨接地模塊來降低桿塔接地電阻。

4 結(jié)論

采用仿真計算軟件，建立了2種敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊的桿塔接地網(wǎng)降阻模型，分析了接地網(wǎng)尺寸、石墨接地模塊長度、石墨接地模塊數(shù)量和土壤電阻率對桿塔降阻的影響，研究了不同石墨接地模塊長度、不同石墨接地模塊數(shù)量和不同石墨接地模塊敷設(shè)方式下的降阻效率，得到以下結(jié)論：

1）配電線路桿塔接地電阻隨著接地網(wǎng)尺寸的增大而減小，隨著土壤電阻率的增大，大致呈線性增大的趨勢。

2）在配電桿塔接地網(wǎng)上敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊，桿塔接地電阻明顯降低，隨著石墨接地模塊長度和石墨接地模塊數(shù)量的增加，桿塔接地電阻逐漸降低。

3）在配電桿塔接地網(wǎng)上敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊后，石墨接地模塊長度和數(shù)量對桿塔接地網(wǎng)的降阻效率有明顯的影響，而土壤電阻率對桿塔接地網(wǎng)的降阻效率的影響很小。

4）在相同條件下，水平敷設(shè)柔性石墨復(fù)合接地模塊比垂直敷設(shè)的降阻效果更好，可以更好地降低桿塔接地電阻。