張國鋒， 胡松江， 張明磊， 呂坤陽， 李素娟

(1. 河南四達電力設備股份有限公司， 河南 許昌 461500；2. 鶴壁職業(yè)技術學院 電子信息工程學院， 河南 鶴壁 458030)

0 引言

輸電線路中接地裝置良好的接地性能，直接關系到輸電線路的安全運行，實際工程中接地裝置又以工頻接地電阻為考核指標[1-4]，故在實際工程設計時，如何降低桿塔工頻接地電阻成為設計者考慮的重中之重，目前降低工頻接地電阻的方式很多，諸如降阻劑、接地模塊、導電水泥以及垂直接地極等傳統(tǒng)接地材料，這些產品的降阻效果毋庸置疑，部分降阻產品的降阻效率或多或少已有研究[5-6]。

石墨基柔性接地材料以柔性石墨為主要材質，與無堿玻璃纖維復合制備成石墨、玻璃纖維復合箔，然后在經過剪裁、繞線、旋轉編織成不同型號的石墨接地產品，諸如石墨基柔性接地纜、石墨基柔性接地帶產品在不同頻率、不同土壤條件下的電氣、機械、散流特性、接地特性及其影響因素等已有人研究，并作為水平接地體大量應用在輸電線路工程[7-9]，相同工藝生產的編織型石墨基柔性石墨接地模塊、快裝式石墨離子接地極、緩釋型膏狀石墨降阻材料及其作為輔助降阻材料也已有大量應用案例，其降阻性能方面的研究鮮有報導。

本文針對輸電線路桿塔接地網采用鍍鋅圓鋼作為主材，編織型石墨基柔性石墨接地模塊、快裝式石墨離子接地極、緩釋型膏狀石墨降阻材料作為輔助降阻材料，基于CDEGS仿真平臺對降阻材料的降阻效率、敷設位置、敷設厚度、土壤電阻率等因素對桿塔接地網工頻接地電阻的影響進行分析比對，為工程設計與施工提供參考。

1 新型接地網降阻效率仿真模型

1.1 材料

編織型石墨基柔性石墨接地模塊(簡稱：編織型接地模塊)，規(guī)格尺寸為700 mm×300 mm×5 mm，快裝式石墨離子接地極(簡稱：快裝式接地極)，內徑為Φ12鍍鋅圓鋼，外層為柔性石墨編織層，緩釋型膏狀石墨降阻材料(簡稱：緩釋型膏狀降阻材料)，石墨基柔性接地帶，河南四達電力設備股份有限公司。

1.2 仿真參數

接地網為新型水平接地網，工頻電流的頻率為50 Hz，接地網埋深取0.7 m，均勻土壤電阻率設定為42 Ω·m，水平接地體為鍍鋅圓鋼，直徑為12 mm，長度為10 m，鍍鋅圓鋼的電阻率ρ為1.92×10-6Ω·m，鍍鋅圓鋼的相對磁導率為636；傳統(tǒng)石墨接地模塊的極芯為Φ12的鍍鋅圓鋼，仿真時等效為總厚度146 mm的涂層，涂層電阻率設置為0.5 Ω·m，編織型石墨基柔性接地模塊的電極芯為石墨基柔性接地帶，與電極芯連接的外層編織填料仿真時等效為總厚度100 mm的導電涂層，石墨基柔性接地帶和涂層的電阻率為3×10-5Ω·m，緩釋型膏狀石墨降阻材料等效厚度為150 mm的導電涂層，電阻率為0.1 Ω·m，降阻劑等效厚度為150 mm的導電涂層，電阻率為0.5 Ω·m，快裝式石墨離子接地極外層柔性石墨編織層厚度為5 mm，柔性石墨編織層的電阻率為3×10-5Ω·m，上述石墨材料的相對磁導率皆為1。仿真時，分別將接地材料敷設在鍍鋅圓鋼接地體的單側單排，新型接地。

1.3 不同接地降阻材料降阻效率對比

在CDEGS仿真軟件中將編織型石墨基柔性接地模塊敷設在鍍鋅圓鋼接地體的單側單排，緩釋型石墨膏狀降阻材料以導電涂層建模，快裝式石墨離子接地極與水平接地體垂直向下設置，并采取端點注入激勵的方式進行仿真計算，如式(1)。

(1)

式中，η為接地降阻材料的降阻效率；Rt為鍍鋅圓鋼接地網的接地電阻，Ω；Rc為使用降阻材料后接地網的接地電阻。

按照式(1)計算不同接地材料的降阻效率，其仿真結果如表1所示。

表1 不同接地降阻材料降阻效率對比

由表1可知，編織型接地模塊、快裝式接地極、緩釋型降阻膏為輔助接地網降阻的新產品，其降阻效率明顯，可顯著降低新型接地網的工頻接地電阻。編織型石墨基柔性接地模塊和快裝石墨離子接地極因其為石墨基新材料其降阻效率相比于傳統(tǒng)硬質石墨接地模塊和鍍鋅圓鋼接地極降底20%左右。緩釋型膏狀降阻材料的降阻效果優(yōu)異，其降阻效率遠大于柔性接地模塊和快裝石墨離子接地極，根據文獻所述相同條件下降阻劑的降阻效率為24.97%[10]，降阻劑和緩釋型膏狀降阻材料輔助降阻效率更優(yōu)異，這是因為緩釋型膏狀降阻材料由導電性更好的柔性石墨材料組成的，其電流分布較為均勻，趨膚效應小，有效載流面積大，且石墨導體的交流電阻小[11]，與土壤的接觸更好，故其工頻接地電阻較低。由表1可知，緩釋型膏狀降阻材料和降阻劑在仿真時的降阻原理是一樣的，提高降阻材料自身的導電性能并不能顯著降低接地網的工頻接地電阻的大小。

2 影響因素分析

2.1 土壤電阻率

不同土壤電阻率下工頻接地電阻降阻效率，如圖1所示。

圖1 不同土壤電阻率下新型接地材料的降阻效率

由圖1可知，不同類型的接地降阻材料的降阻效率大小有明顯差異，如果將編織型石墨基柔性接地模塊和快裝式石墨離子接地極看作是柔性石墨類降阻材料的話，那么柔性石墨類降阻材料的降阻效率明顯比硬質接地材料好一些。從整體來看，不同類型降阻材料的降阻效率的大小與土壤電阻率呈線性關系，僅在土壤電阻率為100 Ω·m時降阻效率略有提升，之后又迅速穩(wěn)定下來，即隨著土壤電阻率的增大接地網的工頻接地電阻逐漸增大，這說明不同土壤電阻率降阻材料的降阻效率是近似恒定的，相同長度接地體和輔助降阻材料降低工頻接地電阻的大小是恒定的，反應出接地網工頻接地電阻的大小主要取決于土壤電阻率的變化。

2.2 接地材料敷設位置

不同敷設位置的新型接地材料降阻效率結果，如圖2所示。

圖2 不同敷設位置的新型接地材料降阻效率

由圖2降阻材料敷設在新型接地網不同位置的降阻效率可知，隨著添加單一降阻材料的距離注流極的增加，其降阻效率逐漸下降，降阻材料在注流極位置的散流效果也很好，降阻效果優(yōu)，而遠離注流點的接地體和降阻材料起到的散流作用越來越小，降阻效果不明顯[12]。當降阻材料敷設在接地體尾部時，降阻材料的降阻效率顯著提升，使得接地體呈現明顯的端部效應。

2.3 方框帶水平延長線敷設位置

采用方框引腳四點同時注流的方式，不同方框帶水平延長線敷設位置的新型接地材料降阻效率結果，如圖3所示。

圖3 不同方框帶水平延長線敷設位置的新型接地材料降阻效率

由圖3方框帶水平延長線形式接地網中降阻材料不同敷設位置的降阻效率可知，降阻材料在圍框上的降阻效率沒有在外延長線上降阻效率高，同時在外延線端部的降阻效率最高，這是因為方框的散流小于外延線的散流導致的，這種接地型式的端部效應比新型接地網的更顯著。這提示我們新型接地網和方框帶水平延長線型式接地網降阻材料敷設時應區(qū)別對待。

編織型柔性接地模塊和快裝式離子接地極的降阻效率近似一致，不同的是接地模塊是二維平面接地裝置降阻，接地極是三維面降阻。同時，我們可以看到，降阻膏的降阻效率明顯高于接地模塊和接地極，這是因為降阻膏的有效截面積比接地模塊和接地極的大，顆粒狀的降阻膏也更容易與土壤接觸良好，接觸電阻更低，故降阻膏的降阻效果更優(yōu)異。

2.4 方框帶水平延長線形式接地網長度

在方框上分別埋設編織型接地模塊、快裝式接地極、降阻膏，按照4個不同方向將邊框以及邊框上的降阻材料依次延長10米，延長一次仿真計算一次接地網的工頻接地電阻，不同方框帶水平延長線接地網長度的新型接地材料降阻效率結果，如圖4所示。

圖4 不同方框帶水平延長線接地網長度的新型接地材料降阻效率

由圖4方框帶水平延長線形式接地網長度對降阻材料降阻效率可知，隨著降阻材料與接地網外延線的延長，緩釋型膏狀降阻材料的降阻效率呈先降低后增長又緩慢降低的趨勢，這說明緩釋型降阻膏的降阻效率隨著長度的延長之間的屏蔽效應顯著，這也再次說明，隨著接地體長度的延長，接地網的面積增大，接地電阻越來越小，相對于接地網面積對接地電阻的影響，緩釋型降阻膏對降低接地電阻的作用越來越弱，這使得緩釋型降阻膏的降阻效率呈逐漸降低的趨勢，同時說明，有限的增加緩釋型降阻膏的敷設長度并不能顯著降低接地電阻。

在距離注流極10 m后，隨著外延線和接地模塊的延長，編織型接地模塊的降阻效率逐漸降低，編織型接地模塊向土壤讓散流接近于0，接地阻抗變大，導致降阻效率降低，接地材料的利用率越來越低。與編織型接地模塊的降阻效率不同的是快裝式接地極的降阻效率，隨著外延線的延長，其降阻效率呈先增大，然后緩慢降低再逐漸上升的趨勢，這說明在小型接地網中，快裝式接地極的降阻效率優(yōu)異，方框上敷設快裝式接地極沒有在外延線上敷設接地極效果好。

3 總結

(1) 編織型接地模塊、快裝式接地極、緩釋型降阻膏為輔助接地網降阻的新產品，其降阻效率明顯，相比于傳統(tǒng)硬質石墨接地模塊和鍍鋅圓鋼接地極降阻效率降低20%左右。

(2) 不同土壤電阻率下一維或多維降阻材料的降阻效率是近似恒定的。

(3) 新型接地網和方框加外延線接地網在敷設降阻材料后都存在端部效應，方框加外延線接地網中降阻材料的降阻效率距離注流極越遠降阻效率越高，外延線上降阻材料的降阻效率高于方框上。

(4) 粉體狀的緩釋型降阻膏的降阻效率遠高于編織型接地模塊和快裝式接地極的，方框上敷設快裝式接地極沒有在外延線上敷設接地極效果好。