雷电冲击下导电混凝土基础接地电阻及其安全性研究

方鹏， 贾永兵， 刘宇彬， 冯新军

(1.国网湖南省电力有限公司， 湖南 长沙410004；2.湖南经研电力设计有限公司， 湖南 长沙410007；3.长沙理工大学， 湖南 长沙410114)

0 引言

大多数输电线路杆塔位于野外空旷地带， 容易遭受雷电冲击造成输电线路故障。 为了保持输电线路的安全稳定运行， 对输电线路采取有效的防雷接地措施非常重要[1-3]。 目前， 我国普遍采用圆钢、扁钢、 角钢等金属材料作为输电线路杆塔接地材料， 但是这些金属材料耐腐蚀性差， 容易年久失效， 导致接地电阻增大， 严重降低了接地网的接地性能， 为输电线路安全稳定地运行埋下了隐患， 并大大增加了后期的维护和改建费用[2-5]。

20 世纪90 年代以来， 各国研究人员对混凝土性能的提升做了大量工作， 创造性研发了导电混凝土。 经过十多年的研究， 导电混凝土的制备技术已经相对成熟， 导电混凝土已经开始应用在输电线路杆塔的接地工程中[6-10]。 影响输电线路抗雷电冲击能力最敏感的因素是杆塔接地电阻， 对输电线路进行防雷保护的一个重要措施就是降低杆塔接地电阻[11-14]。 因此， 对导电混凝土基础接地装置进行优化以降低冲击接地电阻就显得非常重要。 另外，当输电线路遭受雷电冲击时， 雷电流注入杆塔顶部， 沿着塔身迅速进入导电混凝土基础和接地体散流入地。 因此， 需要研究雷电流的进入是否会影响导电混凝土基础的稳定性和安全性。

1 导电混凝土基础接地建模

参考湖南省110 kV 等级输电线路杆塔基础的常用结构， 导电混凝土基础采用直柱型板式基础，根开取10 m， 基础主筋为直径25 mm 的热轧带肋钢筋； 接地体由方形导体和射线导体组成， 导体为直径10 mm 的圆钢， 埋深0.7 m。 在CDEGS 软件中构建110 kV 输电线路杆塔导电混凝土基础接地系统模型， 如图1 所示。 该模型包括导电混凝土基础、 基础中的钢筋、 靠近基础的接地体和雷电激励源四个部分。

图1 110 kV 输电线路杆塔导电混凝土基础接地系统模型

为获得冲击接地特性优良的接地方案， 设计两种导电混凝土基础接地方案进行对比研究: 第一种方案是接地体与导电混凝土基础共同采用， 通过连接线连接基础钢筋和接地体； 第二种方案是取消接地体， 直接采用导电混凝土基础自然接地。 在CDEGS 软件的MALZ 模块中建立两种接地方案的模型， 如图2 所示。 建立模型后， 在CDEGS 软件的激励模块中设定雷电流激励， 采用(2.6/50) μs波形作为雷电流的标准波形， 雷电流幅值取10 kA，仿真研究杆塔导电混凝土基础冲击接地电阻的影响因素， 并分析不同接地方案导电混凝土基础的热力学特性。

图2 导电混凝土基础自然接地示意图

2 导电混凝土基础冲击接地电阻仿真研究

2.1 土壤电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

目前用于杆塔基础的接地导电混凝土电阻率一般为1 ～100 Ω·m[1-6]， 分别固定导电混凝土电阻率 为1 Ω·m、 10 Ω·m、 20 Ω·m、 50 Ω·m、100 Ω·m， 依 次 在 200 Ω·m、 500 Ω·m、1 000 Ω·m、 1 500 Ω·m、 2 000 Ω·m、 2 500 Ω·m、3 000 Ω·m土壤电阻率下注入雷电流， 分别计算杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻， 如图3 所示。

图3 土壤电阻率对不同导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

如图3 所示， 随着土壤电阻率的增加， 两种方案的导电混凝土基础的冲击接地电阻均快速增大，说明无论是否加水平接地体， 土壤电阻率均对导电混凝土基础冲击接地电阻有很大影响。 土壤电阻率越大， 对杆塔导电混凝土基础的散流越不利。 在相同土壤电阻率的情况下， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻均低于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻。 随着土壤电阻率的增大， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异越来越大。 当土壤电阻率低于1 000 Ω·m 时， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻接近于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻， 两种方案的冲击接地电阻之差不超过5 Ω·m， 建议采用导电混凝土基础自然接地。 当土壤电阻率高于1 000 Ω·m时， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异较大， 建议同时采用接地体和导电混凝土基础。

2.2 导电混凝土电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

分别固定土壤电阻率为200 Ω·m、 1 000 Ω·m、2 000 Ω·m、 3 000 Ω·m， 依次在1 Ω·m、 10 Ω·m、20 Ω·m、 50 Ω·m、 100 Ω·m 导电混凝土电阻率下注入雷电流， 分别计算杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻， 结果如图4 所示。

图4 混凝土电阻率对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

从图4 可以看出， 随着导电混凝土电阻率的增加， 两种方案的导电混凝土基础的冲击接地电阻均缓慢增大， 但是增长的幅度非常小， 最大增长幅度不超过0.2 Ω·m， 说明在导电混凝土正常电阻率范围内， 导电混凝土的电阻率对两种方案的杆塔导电混凝土基础冲击电阻基本没有影响。 在相同导电混凝土电阻率的情况下， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻均比导电混凝土基础自然接地的冲击电阻更小。

2.3 接地体长度对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

针对方案一(同时采用接地体与导电混凝土基础的接地模型)， 设定土壤电阻率为500 Ω·m，导电混凝土电阻率为100 Ω·m， 接地体长度分别取20 m、 40 m、 60 m、 80 m， 对杆塔导电混凝土基础接地系统注入雷电流， 分别计算杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻， 结果如图5 所示。

图5 接地体长度对导电混凝土基础冲击接地电阻的影响

从图5 可以看出， 当同时采用接地体和导电混凝土基础时， 随着接地体长度的增加， 杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻越来越小， 但在接地体长度超过60 m 后， 冲击接地电阻降幅明显减小并逐渐趋于稳定， 因此建议接地体长度取70 m。

3 导电混凝土基础安全性仿真研究

3.1 同时采用接地体和导电混凝土基础

在方案一(同时采用接地体与导电混凝土基础的接地模型) 中， 将土壤电阻率设定为500 Ω·m，导电混凝土电阻率设定为100 Ω·m， 在4 个接地引线处分别加入幅值为10 kA 的雷电流激励。 由于4 个导电混凝土基础是对称分布的， 并且在4 个基础中的雷电流和磁场强度分布也是相同的， 所以只需分析其中的一个基础。 杆塔雷电流的大部分通过接地体和基础钢筋的连接点进入导电混凝土基础，所以和连接点位于同一个面的基础钢筋受力和受热最大； 而在该平面中， 雷电流与磁场强度最大的区域是连接点附近的基础钢筋[15]。 因此， 只需仿真分析连接点附近的基础钢筋即可得到导电混凝土基础钢筋的最大受力与受热。

雷电流注入面的电流和磁场强度分布如图6 所示， 雷电流注入面的最大电流和磁场强度分别为672.832 A 和453.461 A/m。 根据毕奥-萨伐尔定律， 由基础钢筋中的电流和钢筋所在位置的磁场强度即可计算钢筋的受力其中I 为混凝土基础钢筋中的电流， l 为混凝土基础钢筋的长度， B 为钢筋所在位置的磁场强度。 由于力的作用是相互的， 导电混凝土基础的受力与钢筋的受力大小相等、 方向相反， 所以可以得到对应每段钢筋所在位置的导电混凝土的受力F = 0.383 N/m。

图6 方案一中雷电流注入面的电流和磁场强度分布

将钢筋电阻率设定为ρ=6.58 × 10-7Ω·m， 单位长度的钢筋电阻为R=ρ×l/S=1.454× 10-3Ω·m，单位时间内产生的最大热量为Q=I2×R=0.658 kJ；单位长度的横向钢筋重量M 为3.551 kg； 钢筋的比热容C 约为0.46 kJ/ (kg·K)； 因此导电混凝土基础钢筋温升Δt = Q/ (C · M) = 0.658/(0.46×3.551) = 0.403 ℃。 计算导电混凝土基础钢筋温升时采用的时间单位是s， 而雷电流的持续时间一般远小于1 s， 所以导电混凝土基础钢筋实际温升要小于0.403℃， 远远小于25℃， 因此导电混凝土基础是稳定和安全的。

3.2 导电混凝土基础自然接地

在方案二(导电混凝土基础自然接地模型)中， 将土壤电阻率设定为500 Ω·m， 导电混凝土电阻率设定为100 Ω·m， 将幅值为10 kA 的雷电流注入导电混凝土基础中， 仿真分析雷电流注入点附近的电流与磁场强度分布， 结果如图7所示。

图7 方案二中雷电流注入点附近的电流和磁场强度分布

提取出雷击点附近的最大电流与磁场强度， 分别是3 545.203 A 和1 124.744 A/m。 根据毕奥-萨伐尔定律， 由最大电流和磁场强度可计算得到单位长度基础钢筋的最大受力F = 5.008 N/m， 单位时间内产生的最大热量为Q=I2R=18.27 kJ； 因此导电混凝土基础钢筋温升Δt=Q/ (C·M) =11.19℃。计算导电混凝土基础钢筋温升时采用的时间单位为秒， 而雷电流持续时间一般仅有几百微秒到几十毫秒， 而因此导电混凝土基础钢筋温升远小于25 ℃，即方案二中的导电混凝土基础也是安全的。

4 结论

1) 当土壤电阻率低于1 000 Ω·m 时， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻接近于导电混凝土基础自然接地的冲击电阻， 建议采用导电混凝土基础自然接地。 当土壤电阻率高于1 000 Ω·m时， 同时采用接地体和导电混凝土基础的冲击接地电阻与导电混凝土基础自然接地的冲击电阻之间的差异较大， 建议同时采用接地体和导电混凝土基础。

2) 在导电混凝土正常电阻率范围内， 导电混凝土的电阻率对杆塔导电混凝土基础冲击电阻基本没有影响。

3) 当同时采用接地体和导电混凝土基础时，随着接地体长度的增加， 杆塔导电混凝土基础的冲击接地电阻越来越小， 但在接地体长度超过60 m后， 冲击接地电阻降幅明显减小并逐渐趋于稳定，因此建议接地体长度取70 m。

4) 在受到雷电流冲击时， 同时采用接地体和导电混凝土基础时导电混凝土基础的温升远小于导电混凝土基础自然接地的温升， 但这两种接地方案的温升都远小于25 ℃， 因此都是安全稳定的。