2224-63020-杆塔接地装置的全寿命周期分析-张强,丁松涛,郑德伟,刘勇,王效坤

杆塔接地装置的全寿命周期分析

张强，丁松涛，郑德伟，刘勇，王效坤，隋磊，牛金良，宋立华，郄凯旋

（潍坊方源电力咨询设计有限公司，山东，潍坊 261100）摘要: 目前，中国的电网正朝着稳定、免维护、全面智能化发展。作为电网的安全保护设施，接地网的寿命也需要做到免维护，实现全寿命周期。因此这就要求我们关注接地网材料的材质及生产工艺。本文论述了输电线路接地装置对线路的重要性。铜覆钢作为新型的接地材料从全寿命周期上具有一定的优势。

关键词：铜覆圆钢离子接地棒全寿命周期

The life cycle analysis of the tower grounding device ZhangQiang，Ding Song-tao，Zheng De-wei，LiuYong，Wang Xiao-kun，SuiLei，

Niu Jin-liang，Song Li-hua，Qie Kai-xuan

（Weifang Fangyuan Electric Power Consulting Design Co., Ltd. Weifang 261100 China）

Abstract：At present, China's power grid is moving towards stability, maintenance free, comprehensive and intelligent development. As the power grid security facilities, the life of the grounding grid also need to be maintained, to achieve the full life cycle. So this requires us to pay attention to the material and production process of grounding grid. In this paper, the importance of the transmission line grounding device is discussed. As a new type of grounding material, copper clad steel has certain advantages over the life cycle.

Keywords: Copper clad steel，Ion grounding rod ，Full life cycle

1 前言

输电线路接地装置的稳定性和可靠性，以及杆塔接地装置建设中占地开挖面积大一直是目前存在的主要问题。在土壤电阻率较高的地区建设和改造杆塔接地装置，传统的杆塔接地装置布置形式因受材质限制设计都是采用放射形布置，每条射线长达80米至数百米。这样显然有三大缺陷，一是占地面积大，开挖土方多，破坏植被和生态环境，征地和青苗赔偿成本高；二是由于接地体过长，看似工频接地电阻值低了，但冲击电阻变大。所以，很多接地电阻值较低的输电线路仍然出现跳闸问题。三是虽然近几年来一些单位采用接地模块，但是接地模块会随着季节变化和地壳运动以及大电流经过后开裂粉碎，接触电阻变大，且这种杆塔接地装置主干材质和连接工艺没有发生变化，使用寿命短。

2 接地的意义

做好接地是架空输电线路防雷保护的核心问题，任何防雷系统都离不开接地。输电线路杆塔接地装置作为输电线路重要组成部分，作用是确保外来雷电流入地面，保护绝缘线路设备，减少线路雷击跳闸率。

杆塔接地电阻是影响塔顶电位的重要参数,对于一般高度的杆塔,当杆塔型号、尺寸与绝缘子型号和数量确定后，降低杆塔接地电阻对提高架空送电线路耐雷水平、减少反击概率是非常有效的。

雷击杆塔后的塔顶电位峰值与电压波经地面反射后的反行波幅值紧密相关，反行波电压峰值越大，塔顶电位峰值越小。不同的接地阻抗决定了电压波入地时的反射系数，电阻越大，反射系数绝对值越小，反射波幅值也越小。而杆塔的接地电阻是与线路所在区域地质有关的参数，我们分别取接地电阻为5Ω、7Ω、12Ω、15Ω，观察接地电阻对线路耐雷水平的影响，并结合线路所在地区实际情况，选取合适的接地阻抗。根据绝缘子先导发展法模型能更准确地模拟线路雷电暂态过程，因此通过实验得出以下数据：

表1：线路耐雷水平和接地阻抗的关系

由上表可以看出，线路的耐雷水平随接地阻抗的增加而显著减小，线路防雷性能变坏。

避雷线与塔脚电阻相配合，在雷击时能够起到大幅度的降压作用，故而对220kV及以下的杆塔线路，是一种最有效的防护措施，杆塔接地电阻每增加10～20Ω，雷击跳闸率将会增加50%～100%。线路电压等级愈高对接地电阻愈加敏感。

因此，接地装置的正常运行是电网和电气设备安全运行的重要保证。接地极是接地装置的主要组成部分，接地极是指埋入地中并与大地接触的导体。选择适合的接地极材料及敷设方式可有效地降低接地电阻，提高线路的耐雷水平，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，而且可以使变电所、发电厂安全运行得到保障。

3 传统接地极介绍

3.1 金属接地极

金属类接地极是目前我国普遍应用的接地极材料，主要有镀锌钢铁类制品，纯铜制品，合金制品等。因纯铜、合金材质的接地极造价较高，据有较高回收价值，在运行过程中难免出现失盗现象，所以不经常使用。被广泛推广应用的是镀锌钢铁类制品，占市场的99.7%以上。镀锌钢铁接地极材料多为扁钢、角钢及圆钢，其中角钢塔接地极主要为Φ12圆钢，水平敷设；钢管杆接地极主要为75×5角钢，垂直敷设。镀锌钢铁类接地极优点是导电性优良、

材料价格低廉、施工运行经验丰富。缺点是不耐腐蚀，在有腐蚀地段易生锈、使接地电阻升高导致雷电事故，且钢铁制品的生产及镀锌过程耗能高。经调查镀锌钢铁接地极在无腐蚀地段使用寿命约为15年，在有腐蚀地段使用寿命迅速下降为5年。

因此，镀锌钢铁接地极被广泛使用于无腐蚀地段，但是存在不耐腐蚀、易生锈的缺点。

图1：镀锌扁钢运行阶段腐蚀的现场照片图2：镀锌圆钢运行阶段腐蚀的现场照片

3.2 石墨接地极

石墨接地极是近年研发的一种新型接地极，是以石墨为原材料制作的新型石墨导电板材和电缆，属于一种新型非金属导电材料体。由于石墨的分子特性，石墨具有优良的化学稳定性及导电性。石墨接地极呈化学惰性，在常温条件下不受强酸、强碱和有机溶剂及电偶腐蚀，导电率优良，使用寿命长达30年。

因此，石墨接地极适用于有腐蚀的地段，但是存在强度低、易损坏的缺点。

3.3 低阻模块接地极

低阻模块适用于多点施工和复杂地形、缺水等高电阻率地区的接地工程，但是接地模块会随着季节变化和地壳运动以及大电流经过后开裂粉碎，接触电阻变大，电阻值反弹，导致接地装置不稳定，且这种接地装置材质和连接工艺没有发生变化，使用寿命短。

4 铜覆圆钢、接地棒组合接地

4.1 新型接地材料

4.1.1 铜覆圆钢材料

铜覆圆钢接地专用材料利用材料表面不低于0.254mm的铜层实现防腐，利用内部的钢芯降低整体造价，把铜和钢两者的优点结合在一起，即实现了防腐的要求，同时又不需要纯铜接地网的造价，是一种专门用于接地系统。

4.1.2 铜覆钢接地棒

铜覆钢接地棒是选用柔软度比较好，含碳量在0.1%-0.3%的优质低碳钢，采用特殊工艺将高导电的电解铜均匀的覆盖在圆钢表面，厚度在0.25-0.5mm，该工艺可以有效的减缓接地棒在地下氧化的速度，使用寿命可达40年，且比传统的接地体有更强的泄流能力和耐腐

蚀能力。棒与棒连接采用连接器连接，具有最佳的防腐效果。钻头采用高强度合计制成，便于接地棒打入地下，并避免接地棒铜层被硬物划伤。

4.1.3 离子接地棒

电解离子接地棒原理：电解离子接地棒做为一种特殊接地极，使用在山区等高土壤电阻率的场合，通过管壁的呼吸释放孔，潮解铜管内部的电解质，让游离态的离子通过潮气等方式在管体下部形成树根状的导电通道，本质是加大地的导流面积以降阻。土壤中活性离子的含量是影响接地电阻的因素之一，许多土壤中含有活性电解离子的化合物较为稀少，单纯的接地体不会达到接地要求。在接地极中加入可逆性缓释填充剂，这种填充剂具有吸水、放水、可逆的特点。这种可逆的反应，有效的保证了壳层内环境的有效温度，保证了接地电阻的稳定。且填充剂无毒副作用，在与金属电极长期配合作用中，在离子生成及对铜合金防止腐蚀方面都达到了较好的效果。通过这种方式产生的离子吸收大地水分后，可以通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围的土壤中，使接地极成为一个离子装置，从而改善周边土质使之达到接地要求。

4.2接地极选择及敷设方式

4.1.2水平接地方式

常规地区杆塔接地极采用?12铜覆圆钢接地极，水平敷设，施工方便，全寿命周期内经济性最佳；当岩石地质的杆塔，由于所在地区土壤电阻率较高，常规接地极无法满足杆塔接地电阻要求，建议杆塔在接地极在铜覆圆钢接地极的基础上增加可塑性接地模块，以达到降阻目标。

详见下图：

图3：铜覆圆钢接地极图4铜覆圆钢及可塑接地模块接地极

4.1.2垂直接地方式

杆塔接地极施工面受限地区，接地极建议采用铜覆钢接地棒垂直接地极和离子接地棒垂直接地极，该两种接地型式施工作业面小，施工时对周边环境的影响最小，且使用寿命长，稳定可靠。

详见下图：

图5铜覆钢接地棒垂直接地极图6离子接地棒垂直接地极

5与常规接地方式比较：

5.1全寿命投资比较

接地装置的全寿命周期按40年考虑。铜覆圆钢与热镀锌钢、铜材接地材料的全寿命周期经济性对比分析，见下表：

表2:三种接地网的材料投资对比分析

注：（1）按25%导电率计算

5.2施工方面比较

铜覆圆钢接地施工也较常规镀锌扁钢施工简单，焊点少、大大缩短现场施工时间，具体施工比较如下表

表3:两种接地网的材料施工工艺对比分析

6 结论

从上面分析比较可以看出，虽然铜覆圆钢在材料上远比镀锌扁钢贵，可是由于其施工简单，焊点少等特点，在整个施工造价中价格优于镀锌扁钢，由于镀铜圆钢的寿命大于40年，整个周期内不需要二次开挖更换材料，在这方面经济性更加优于镀锌扁钢；

铜覆圆钢替换传统热镀锌圆钢不仅提高了系统的耐腐蚀性，做到真正接地网免维护，同时雷击电流流过镀铜材料时，肌肤效应将雷击电流固定在导体表面铜层流动，这将大大降低接地金属材料的自感系数，避免自感过高导致的输电杆塔被雷击时的跳闸概率。

随着新型的铜覆圆钢复合金属材质接地棒作为杆塔接地装置敷设材料，采用深垂直接地装置为主的布置形式变为现实，以垂直接地装置为主的布置形式大大减少了占地和开挖面积，降低了日益增长的人工费用和青苗赔偿成本，保持了生态环境和植被，实现了“生态接地、环保接地”的理念。

参考文献：

（1）张殿生，电力工程高压送点线路设计手册.第二版，北京：中国电力出版社，2003.

作者简介：张强(1982-)，男，满，辽宁省北镇市，本科，工程师，电力电气设计与电网规划，从事的电气设计工作。

联系方式：山东省潍坊市高新区桐荫街197号，261100，潍坊方源电力咨询设计有限公司，张强，150********，13748053@https://www.wendangku.net/doc/3b6137178.html,。