岳靈平,潘少良,陳家乾,嚴靜萍,張 鵬

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司,浙江 湖州 313000;2. 浙江湖州電力設(shè)計院有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

接地網(wǎng)作為輸變電工程接地裝置的重要組成形式,其可靠程度涉及人身和電力設(shè)備的安全[1-3]。接地電阻值作為直接反映接地裝置可靠性的一個重要指標,其數(shù)值的變化存在諸多影響因素。我國地質(zhì)條件較為復(fù)雜,山區(qū)輸電線路桿塔周圍存在邊坡巖土淺層滑動等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象,見圖1。而輸電桿塔接地網(wǎng)屬于地下隱蔽設(shè)施,其所在區(qū)域地質(zhì)活動造成的淺層滑動易導(dǎo)致其周圍土壤電阻率發(fā)生改變,從而造成桿塔接地電阻的變化。

圖1 輸電桿塔附近淺層滑動Fig.1 Shallow sliding near transmission tower

大多數(shù)研究者注意到了地質(zhì)災(zāi)害對輸電走廊、變電站和發(fā)電廠等電力設(shè)施的影響[4-5]。輸電走廊是重點關(guān)注的對象,地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的輸電桿塔地基不穩(wěn),直接造成桿塔變形、導(dǎo)線對地絕緣距離變化甚至倒塌等系列問題,一直是工程結(jié)構(gòu)人員關(guān)注的重點[5-6];也有研究者注意到了滑坡、泥石流和凍土等地質(zhì)災(zāi)害對輸電桿塔基礎(chǔ)的影響[7-9]。

輸電桿塔接地網(wǎng)作為輸電側(cè)重要的防雷設(shè)施之一,接地性能和輔助接地網(wǎng)相關(guān)研究較多,采用仿真分析或者現(xiàn)場測試,來獲得接地體的影響因素[10-16]。也有研究者注意到了巖土體的溫度、含水率和電阻率等對接地體測量的影響[17-19]。但是對地質(zhì)活動對輸電桿塔接地電阻值的影響研究較少,因而筆者通過測量和分析桿塔所在地質(zhì)的淺層滑動對其接地電阻值的變化,認清淺層滑動對桿塔接地電阻的作用,使以后在設(shè)計桿塔接地裝置以及測量電阻時,能更全面地掌握輸電線路桿塔接地網(wǎng)的運行狀況。

1 接地電阻及土壤電阻率的測量

1.1 接地電阻的測量方法

按照標準DL/T 887-2004[20]中的三極法對輸電桿塔的工頻接地電阻進行測量。根據(jù)接地網(wǎng)的形狀、地質(zhì)條件、土壤成分對16基桿塔采用適宜的拉線長度進行了接地電阻進行測量,桿塔的基本參數(shù)見表1。這些桿塔都位于已發(fā)生淺層滑動的山地和坡地。

表1 被測桿塔的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of tested tower

1.2 土壤電阻率的測量方法

桿塔所在區(qū)域的土壤電阻率測量參考GB/T 17949-2000[21]推薦的等距四極法,其測量方法見圖2,在圖2中1、4 表示電流極,2、3表示電壓極,d為極間距,h0為電極埋深,h1、h2分別表示滑動土、原覆土的土壤厚度,得到土壤電阻率計算公式為

圖2 等距四極法土壤電阻率測量Fig.2 Soil resistivity measurement by equidistant quadrupole method

(1)

1.3 數(shù)據(jù)的處理

對在2010～2016年期間浙江地區(qū)發(fā)生過淺層滑動的16基桿塔接地電阻進行測量,獲得數(shù)據(jù)沒有進行季節(jié)因素的修正[17]。同時選取其中測試條件適宜的8基桿塔進行周圍的土壤電阻率的測量,通改變極間距d的值,測得五組土壤電阻率取平均值。收集調(diào)研所測量線路桿塔附近的淺層滑動信息,并分析土壤成分。

2 測量結(jié)果

2.1 滑動方向?qū)U塔接地電阻

本研究測量的16基桿塔均處在山區(qū)或坡地。對單基輸電桿塔而言,其周圍地表淺層主要存在上下左右4個方向的滑動,見圖3。

圖3 桿塔淺層滑動方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of shallow sliding direction of tower

圖5 淺層滑動對94號桿塔塔基移動方向示意圖Fig.5 Schematic diagram of movement direction of No.94 tower foundation caused by shallow sliding

選取其中具有代表性的8基桿塔,通過查閱滑動前的桿塔接地電阻值和測量滑動后的接地電阻值,并在1個月后滑動土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時進行復(fù)測,測量結(jié)果見表2,結(jié)果表明左右方向發(fā)生滑動的桿塔接地電阻值變化較小,上下兩個方向發(fā)生滑動的桿塔接地電阻值變化較大。

表2 被測桿塔接地電阻值Table 2 Grounding resistance of tested pole tower

2.2 不同滑動形式下桿塔接地電阻測量

輸電線路根據(jù)其走向會經(jīng)過不同的地質(zhì)環(huán)境區(qū)域,導(dǎo)致桿塔接地電阻變化的重要影響因素是土壤成分的改變,因此根據(jù)滑動形式按物質(zhì)組成分為土質(zhì)滑坡(黃土滑坡、黏土滑坡、碎屑滑坡)和基巖滑坡,測得不同滑動形式對桿塔接地電阻的變化,測得結(jié)果見表3。

表3 被測桿塔接地電阻值及土壤電阻率Table 3 Grounding resistance and soil resistivity of measured pole tower

2.3 滑動土壤形變后桿塔接地電阻測量

地表淺層滑動會帶來接地體周圍土壤所受壓力的改變和緊密度的變化,直觀表現(xiàn)在滑動堆積土壤高度的形變。筆者研究的30號桿塔處于丘陵地帶的山坡,2015年5月測量的接地電阻值為15 Ω,2016年6月25日上午發(fā)生淺層滑動后,桿塔邊坡上方土壤向下滑動約為30 m3,覆蓋塔基原有表土,經(jīng)檢測塔基未出現(xiàn)位移。經(jīng)檢測土壤含水率高達20%。以2016年6月作為基點,對桿塔進行了一年的接地電阻測量和土壤形變高度的測量觀察,接地電阻和土壤形變值見圖4。

Fig.4 Variation of tower grounding resistance and sliding soil deformation

2.4 滑動能量對接地電阻的影響

輸電線路桿塔接地網(wǎng)是一種簡單的靜定結(jié)構(gòu),淺層滑動時導(dǎo)致塔基位移或者土壤應(yīng)力變化而發(fā)生位移和應(yīng)變等破壞形式,主要表現(xiàn)為塑性屈服和脆性斷裂兩種類型[22]。根據(jù)材料力學的強度理論,當接地網(wǎng)用的角鋼受到的外力上升到一定限值時,會在應(yīng)力最集中的一處首先發(fā)生斷裂而進入裂解狀態(tài)。2016年,某220 kV 5915線94號塔上山坡浮土及巖石出現(xiàn)活動,滑動土石方約為80 m3?；顒雍笏槭嗤猎斐葿號、C號塔腿由于受到側(cè)向不平衡擠壓,見5圖,造成A號、B號塔基出現(xiàn)垂直導(dǎo)線方向約130 mm位移,平行導(dǎo)線方向約25 mm位移,C號塔基出現(xiàn)垂直導(dǎo)線方向100 mm位移,平行導(dǎo)線方向約10 mm位移,D號塔基兩個方向出現(xiàn)5 mm位移。通過測量該桿塔的接地電阻值高達65 Ω,較滑動一年前的增加了57 Ω。通過基礎(chǔ)開挖發(fā)現(xiàn)A-D、A-B之間的接地線均斷裂,見圖6,B-C之間的接地線發(fā)生嚴重變形。

圖6 94號桿塔接地網(wǎng)斷裂現(xiàn)場圖Fig.6 No.94 site map of tower grounding grid fracture

3 討論分析

3.1 滑動方向?qū)U塔接地電阻值影響

桿塔周圍產(chǎn)生淺層滑動時,由于地心引力的作用,桿塔左右兩側(cè)產(chǎn)生的滑動土壤對桿塔沖擊影響的較少,故對其接地電阻產(chǎn)生的變化較小。但桿塔上下淺層滑動對桿塔接地電阻影響較大,由于桿塔上滑動帶來新的土壤覆蓋原有坡面,使得接地極埋深增大,土壤的電流散射面積加大,在原有的接地極形狀不改變的條件下,接地電阻值變小。反之,由于桿塔下方向滑動帶走了原有接地網(wǎng)的部分覆土,從而導(dǎo)致接地極電阻變大。

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3.2 滑動形式對桿塔接地電阻值的影響

滑動形式對桿塔接地電阻值影響較為復(fù)雜,不同的滑動土壤物質(zhì)性質(zhì)對接地電阻值影響趨勢也不一致。對于低土壤電阻率(≤200 Ω·m)的土質(zhì),其覆蓋在原有接地網(wǎng)土壤上,和原有的覆土土壤電阻率接近,可視為同一性質(zhì)的均勻土壤,土壤厚度增加,土壤的散流性更好,接地電阻值變小。對高土壤電阻率(>200 Ω·m的土質(zhì),如碎屑、基巖),由于和原覆土的土壤電阻率比值變大,形成了雙層土壤結(jié)構(gòu),一旦發(fā)生雷擊輸電線路,由于高頻率的雷電流對于土壤的穿透度低,同時接地網(wǎng)的沖擊電阻特性主要受到上表層土壤電阻率的影響,新的上表層土壤電阻率的增大會導(dǎo)致雷電流無法快速入地從而導(dǎo)致跳閘事故[23-25]。而工頻電流頻率較低,導(dǎo)致其對于土壤的穿透能力遠高于雷電流且主要通過下層土壤進行散流,所以影響不是十分明顯[26-28]。

3.3 滑動土壤形變對桿塔接地電阻值的影響

對于滑動土壤來說,其體積的形變也是影響土壤電阻率的重要因素之一。由于突然滑動帶來的土壤重量對原接地網(wǎng)覆土有一個壓實作用,使得原覆土的土體整體性變好,土體結(jié)構(gòu)愈發(fā)密實,土壤顆粒排列愈發(fā)緊實,土壤顆粒間孔隙減少[29]。見圖7和圖8,原覆土存在一個明顯的壓實過程,原覆土連通性變好,導(dǎo)致土壤電阻率值變小。

圖 8 30號桿塔接地網(wǎng)原覆土孔隙率Fig.8 No.30 porosity of original covering soil of tower grounding grid

圖7 30號桿塔接地網(wǎng)受到滑動沖擊前后原覆土壓實情況電鏡掃描照片F(xiàn)ig.7 No.30 scanning electron microscope photos of compaction of original covering soil before and after sliding impact on tower grounding grid

同時滑動土壤含水率較原覆土高,易向下形成滲透效應(yīng),水分子向原覆土遷徙,導(dǎo)致原覆土土壤電阻率進一步降低。然而隨著溫度的提升和降水的減少,滑動土壤的因水分蒸發(fā)流失而形變降低,導(dǎo)致壓實作用逐漸減小,原覆土的土壤結(jié)構(gòu)間隙存在一定程度的反彈變大,土壤電阻率會緩慢抬升,桿塔接地電阻值變大,但較滑動前的接地電阻值有較大程度減少,最終整個接地電阻值隨著季節(jié)性溫度和降水的變化而發(fā)生變化。

3.4 滑動能量對接地網(wǎng)的破壞影響

輸電桿塔接地網(wǎng)考慮到建設(shè)經(jīng)濟性和普適性,大多數(shù)選用鍍鋅鋼材料來制作,鍍鋅鋼中Q235鋼材占比率較高,其材料屬性見表4。通過有限元軟件對2.4節(jié)中滑動事故的94號桿塔接地網(wǎng)受力進行模擬分析,根據(jù)桿塔塔基的結(jié)構(gòu)圖紙建立接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元模型,以每根角鋼作為一個受力單元,各單元之間的連接方式為剛性連接,接地網(wǎng)塔基有限元模型見圖9。整個塔基含接地網(wǎng)有限元模型共包含節(jié)點89個,單元176個,著重分析與塔基連接的接地網(wǎng)4個單元。探究滑動促使塔基位移作用下接地網(wǎng)材料的受力發(fā)展過程及其失效時的變位位移,分析接地網(wǎng)變形情況,明確接地網(wǎng)的受力作用。

圖 9 94號桿塔受力仿真模型圖Fig.9 No.94 tower stress simulation model

表4 材料屬性Table 4 Material properties

根據(jù)2.4中事故特征,考慮淺層滑動帶來的塔基平行導(dǎo)線方向和垂直導(dǎo)線方向側(cè)滑,當接地網(wǎng)所用角鋼Q235這種塑性材料,處在水平兩個方向應(yīng)力條件下,其受能密度達到了材料某向拉伸屈服的畸變能密度時,其就發(fā)生屈服破壞[22]。根據(jù)文獻[30]得到相應(yīng)強度判斷計算式:

(2)

其中α1,α2,α3分別指材料力學中的第1、第2、第3主應(yīng)力。

αeq≤[α]

(3)

將接地裝網(wǎng)各個單元受到的相應(yīng)應(yīng)力αeq與許用應(yīng)力[α]之比的絕對值稱為應(yīng)力比值γ,當γ>1時,表明接地網(wǎng)單元所受應(yīng)力超過了材料許用應(yīng)力值,接地網(wǎng)已經(jīng)發(fā)生裂解,且γ越大,裂解速度越快。當γ=1時,接地網(wǎng)處于臨界裂解狀態(tài);當γ<1時,表明接地網(wǎng)的受到應(yīng)力未超過材料的許用應(yīng)力,處于安全狀態(tài)。通過計算,得到94號桿塔與塔基連接的接地網(wǎng)4個主要組成單位的應(yīng)力,見表5。

表5 主接地網(wǎng)單元應(yīng)力Table 5 Unit stress of main grounding grid

接地網(wǎng)單元AD、AB應(yīng)力比值為1.315、1.355,表明此時接地網(wǎng)單元受到的應(yīng)力已經(jīng)超過其材料許用強度的30%,已經(jīng)發(fā)生彎曲大變形而折斷,與實際觀測結(jié)果一致,BC雖未發(fā)生斷裂但已嚴重變形。

4 結(jié)論

根據(jù)對輸電線路桿塔出現(xiàn)淺層滑動事故的分析,以及其接地電阻和周圍土壤電阻率測量和分析,得出如下結(jié)論:

1)淺層滑動方向相對于桿塔位置不同的4個方向時,對其接地電阻的影響不相同,下邊坡滑動對桿塔接地電阻負面影響最大。

2)淺層滑動帶來的不同土壤成分會對輸電線路桿塔接地電阻帶來不同的作用,低電阻率的土壤會降低接地電阻,而高電阻率的土壤會提高沖擊電阻。

3)淺層滑動土壤形變受降雨量、氣溫變化的影響,從而使得接地電阻呈現(xiàn)類似于季節(jié)性變化的特征。

4)當出現(xiàn)嚴重的淺層滑動時,不僅會對桿塔結(jié)構(gòu)帶來威脅,同時會對桿塔接地網(wǎng)產(chǎn)生破壞作用。