输配电线路自接地式电杆技术分析

国雪健,张正凯,柳 勇,余荣华,赵唯粟

(国网国际发展有限公司,北京 100031)

1 自接地式电杆研究现状

接地系统是架空电缆输电网络安全运行的重要设施之一。在国家电力行业标准DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》和相关的电力安全操作规程中,要求有防雷设施的水泥杆及杆上设备必须有可靠的接地。架空线路传统的混凝土电杆要求铁横担和横担线路上的避雷器支架、导线横担与绝缘子固定部分或瓷横担固定部分之间,必须有可靠的电气接地连接。传统配网接地系统通常使用铜或钢导体,与电气设备接地端子或外壳及避雷针引线相连,穿过内部中空的电线杆或PVC管向下牵引,与埋入土壤中的一个或多个接地棒连接。传统电杆安装时极易出现差错,导致大量对地电缆接触不良甚至未连接;在农村等偏僻路段,地埋件易遭到人为损坏或偷窃,接地导体易腐蚀断裂。由于水泥电杆没有定期维护标准,埋在土壤内部的接地部分接地隐患较难发现,通常只有在事故发生后或地区配变更换率较高的情况下,才会引起暴露出来。

近年来,对具有接地一体化功能的混凝土电杆在国内外都有了一定程度的研究和应用。国际方面,传统混凝土基础很早就被作为接地极使用。早在1925年,德国发电厂导则中,已经将建筑基础的内部金属作为接地极使用;在1979年德国发布的标准中,已将居民建筑基础列入接地系统。第二次世界大战期间,美国Helbert Ufer发明了将接地极放入混凝土技术(被称为“UFER接地”),并被证明是行之有效的;七十年代末期,美国开始推荐使用混凝土内导体作为接地系统;在1982年发布的ANSI/IEEE标准中,专门提到了使用钢筋混凝土作为接地极的优点。新西兰研制了自接地电杆,电工人员在作业时可免受残余电压危害。1998年,巴西国家标准(NBR)将钢筋混凝土内金属件优先作为设备接地极;在随后的三项国家标准修订条款中,提出了使用钢筋混凝土内部导体作为接地极。近年在国内,关于钢筋混凝土电杆的防雷接地和保护接地一体化设计有了初步的研究[1-3]:国网上海市电力公司物资供应公司和国网上海市电力工程有限公司联合对传统混凝土电杆进行技术集成和创新,在电杆底部,加焊一个十字架和一根0.6 m的接地管;在电杆内置一根专用的内接地钢筋与接地螺母作为接地引下线。中国电力科学研究院结合国内10 k V配电网电杆接地实际情况,选择高、低2种土壤电阻率试验场地,分别对电杆自然接地、设置小接地体接地和设置长接地体接地多种接地形式下的接地参数进行测试,得到大量工频接地电阻、考虑火花放电效应和电感效应的冲击接地电阻实测值,并分析试验结果给出配电线路接地设置建议。一体化自接地式电杆技术在我国一直缺乏深入研究,在我国电网输电网络系统中的实际应用并不广泛。

2010年,巴西当地一家公司在内部检查时发现,配电杆接地部分有松动和金属老化现象。统计结果发现约有40%埋在土壤中的配网接地点(包括农村和城市配网)存在问题,并在系统过电压时可能引发事故。同时发现在圣保罗州运行区内,77%的故障变压器安装地存在接地电阻值过高问题。

本文通过对某自接地式电杆关键技术的设计、试验应用、经济及社会效益进行分析和阐述,为我国输配电网络降低成本及采用自接地式电杆技术的价值和社会意义提供指导。

2 自接地式电杆关键技术

a.钢筋。作为主接地极的纵向钢筋与金属连接件相连,为一条无焊缝钢筋。在距离顶部接地端口下方,需焊接一条与所有纵向钢筋相连的横向箍筋,目的是将事故发生时产生的高短路电流,经横向安全环向各纵向钢筋分流。圆形和双T形自接地电杆内部结构见图1。

b.金属接地端口。自接地电杆共设置3个金属连接件作为接地端口,其作用分别为:顶部端口用于连接设备中性点/接地线;中间端口位于地表面上方,用于日常测量接地电阻和临时接地;底部接口位于地表面下方,用于连接金属环(为围绕柱体的裸铜线,可选)及必要时作为其它接地系统的辅助接地棒使用。接地端口为双金属元件,内部金属件由不锈钢或带有镍锡涂层的铝材制成,经4个螺栓固定在主钢筋上;外部金属件为铜合金制成的可拆分螺栓。

c.导电混凝土。导电混凝土是使用低电阻率原料,如焦炭、硫酸铜CuSO4和石墨等,来替代传统混凝土原料(砾石和砂)。考虑成本原因,导电混凝土原料是由水泥、细沙、冶金焦炭 和添加剂构成。经试验论证,导电混凝土的电阻率远低于普通混凝土。传统普通混凝土原料为砾石和砂,平均接地电阻阻抗＞10 000Ω·cm,导电混凝土采用水泥、细沙、冶金焦炭 和添加剂,平均接地电阻阻抗＜3 000Ω·cm。

图1 圆形和双T型自接地电杆内部结构

经高压试验证明,在电压、电流和频率的要求条件下,试验用自接地电杆均显示出对高频冲击电压的低阻抗,内部硬件和用于接地的金属带之间可观察到破坏性放电,未出现电介质断裂(钻孔)的情况,各种表现优于传统普通混凝土电杆,见图2。

图2 自接地式电杆与传统电杆电阻性能对比

3 自接地式电杆技术优势

a.降低电杆接地电阻,提高耐冲击性能,减少设备损坏及停电损失。自接地电杆导电混凝土大大提高了导电性能,并解决了传统电杆接地导线接触不良因素,使接地电阻得到有效降低,从而减少变压器事故率及停电损失,提高配网可靠性。经测试,导电混凝土的电阻率较常规混凝土降低了5～9倍。在40 k V和60 k V脉冲试验中,传统水泥杆放电点出现损坏,而自接地电杆未发生损伤。

b.杆内金属不与土壤直接接触,提高了抗腐蚀性,延长电杆寿命。由于自接地电杆内部金属不与土壤层直接接触,有效减少了钢筋腐蚀,提高抗腐蚀性能,同时减少接地系统人为盗窃和破坏行为,提高系统的耐用性。按照土壤酸碱性质不同,原来使用铜或镀锌角钢接地棒的传统杆预期寿命为5～15 a,而实现框架一体的自接地电杆预期寿命至少为30 a。

c.无需使用接地棒和电缆,简化安装流程,提高工作效率。相对于传统电杆,自接地电杆安装流程减少了挖接地沟、埋入接地棒、多个接地线和电缆连接(耗时且容易出错),无需再进行电缆和接地棒之间的多头连接工作,安全可靠性显著增加,提升了电杆安装效率,降低运维成本。

d.接地系统牢固,端口使用便捷,保障运维人员作业安全。在传统电杆停电作业时,操作人员时常会受到残余电压电击的危害,如果需要测量接地电阻,只能人工爬至电杆顶部进行。自接地电杆使临时接地更为简便,无需在作业点的相邻电杆插入接地钎,只需将顶部导线和其它金属部件与中间接地端口相连,即可实现接地,并形成电杆等电位区,最大程度保障了人身安全,接地方式对比见图3。

图3 传统电杆与自接地式电杆的检修接地方式对比

通过自接地电杆的应用,不仅在技术方面有所提升,而且在保障供电电网安全可靠运行、节省电力人工成本和工程费用等方面也有明显优势。自接地电杆技术利用混凝土预埋钢筋、3个金属接地端口和底部导电混凝土形成接地系统。常规混凝土和导电混凝土均为电杆基础设施,接地端口使用较厚的铝板或不锈钢板,经螺栓固定后浇筑在混凝土中,整体坚实可靠,有效解决了传统电杆接地线与接地棒接触不好或未实现连接、易遭到人为破坏或偷窃等弊端,并且极大地降低了接地电阻值。由于自接地电杆内部导体不用直接接触土壤和空气,减少金属腐蚀,将电杆使用寿命提升至30 a。中间接地端口的使用,使临时接地及电杆接地电阻测量工作更为便捷,并且减少混凝土电杆的接地管和接地引下线的施工和维护工程,极大程度地保障了人员安全。

4 自接地式电杆应用情况及效果

2012-2015年期间,在圣保罗州坎皮纳斯、瓦利尼乌斯等雷击和变压器烧毁高发地区进行了自接地电杆的挂网应用测试。2015-2017年,经过初步验证使用性能后,对自接地电杆进行了商业化推广尝试。

从经济性来说,该公司每年用于配电变压器烧毁支出约1 300万雷亚尔,用户停电损失赔偿约360万雷亚尔。在变压器烧毁事故原因中,至少30%与接地不良有关;保守估计,使用自接地电杆后,此类事故率可降至15%左右。综上所述,每年因使用自接地电杆共节省资金约200万雷亚尔,此外,还可向制造商收取专利使用费。

5 结束语

随着我国电力市场化改革的深入,行业的技术创新可以促进电力行业快速健康的发展,也有益于提高电力监管的效率[4-7]。我国电力网络系统不仅规模庞大,而且每个区域特点也各不相同。在提高电网输配电效率及降低成本方面,自接地式电杆的市场应用前景广阔。在借鉴国际公司研发自接地电杆技术成功的经验和做法的基础上,根据我国输配电网络特点及各地域环境及土壤等不同特性,相关电力企业可以加大在导电混凝土电杆接地一体化领域的设计、研发测试和技术创新。建议电力监管相关机构也要加强相关方向的指导性意见和技术领域的引导。