石墨基柔性接地装置在输电线路中的适用性研究

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石墨基柔性接地材料因具有化学性质稳定、耐腐蚀性优异、与土壤相容性较好等优点被应用在输电线路杆塔接地体中，但是其在应用时的适应性必须依据输电线路的输送能量、杆塔位置和运行环境确定。 河南四达电力设备股份有限公司、西安交通大学的研究人员张国锋、惠康、务孔永、郭洁，在2021年第10期《电气技术》上撰文，通过建立不同输电线路杆塔接地装置的有限元仿真模型，计算相应的接地电阻；根据接地电阻值，采用ATP-EMTP软件，计算接地短路及雷电冲击大电流下流过接地装置的电流和温升，从接地电阻和工频短路电流，以及雷电冲击大电流下的温升两个方面，研究石墨基柔性接地装置在输电线路中的适用性。 研究结果表明，规程要求的工频接地电阻满足输电线路杆塔接地电阻的要求，但是特高压输电线路发生单相接地短路故障时，保护拒动会使接地装置的温升超过限值。

杆塔接地体是输电线路防雷中的重要一环，接地体接地电阻过高或者接地不良会降低线路耐雷水平，影响电力系统安全稳定运行。传统接地材料诸如镀锌钢、铜覆钢等在电力系统接地中已经广泛应用，但在实际运行中发现，传统接地体存在耐腐蚀性差、与土壤接触性差且易被人为破坏等问题。

针对传统材料接地体在实际应用中的不足，非金属导电材料特别是柔性石墨材料逐步在输电线路杆塔接地体中应用。石墨材料具有化学性质稳定、不易腐蚀、与土壤接触性好等特点，但其在输电线路中的应用仍存在问题：首先，其电阻率较传统接地材料大，本体电阻较高，必须考虑工频接地电阻及冲击接地电阻是否满足防雷要求；其次，输电线路电压等级高、输送容量大，发生单相经杆塔接地短路时，通过接地体流入土壤的电流较大，且输电线路架设在野外易遭受雷击，会由接地体泄放雷电流，石墨基柔性接地装置内含化学纤维、胶粘剂等物质，工作温度不能过高，因此必须考虑其通过大电流时的温升。

本文根据不同电压等级输电线路采用的石墨基柔性接地装置型式，利用Solidworks构建三维模型，采用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件计算工频接地电阻；调研不同电压等级输电线路的典型参数，在ATP-EMTP中搭建线路仿真模型，根据接地电阻值计算注入接地体的电流；以注入接地体的电流作为终端电流边界条件，验证石墨基柔性接地装置在大电流下的热稳定性，为石墨基柔性接地装置在输电线路中的应用提供参考。

1 石墨基柔性接地装置的接地型式

针对不同电压等级输电线路、不同土壤电阻率，石墨基柔性接地装置有不同的型式。基本型式为：杆塔四个塔脚通过铠装石墨引下线，接至石墨基柔性水平接地体，并在水平接地体下铺设宽度为300mm的石墨基柔性降阻布。

根据国标要求，变电站进线段杆塔工频接地电阻不宜高于10Ω，远区土壤电阻率较高的区域，工频接地电阻不宜超过30Ω。因此，本文中主要研究近区及土壤电阻率较高的远区杆塔接地装置。220kV及以下电压等级、500kV及以上电压等级输电线路杆塔接地装置型式示意图分别如图1和图2所示。不同型式的接地装置尺寸参数见表1。

图1 220kV及以下输电线路杆塔接地装置型式示意图

图2 500kV及以上输电线路杆塔接地装置型式示意图

表1 不同型式的接地装置尺寸参数

在电压等级较高的输电线路中，增加石墨接地体的截面面积及长度，以提高接地装置的散流能力。在土壤电阻率较大的区域，通过延长射线长度、射线末端装设柔性等离子接地极或者接地模块来满足接地电阻的要求。其中，柔性等离子体内填充环保型离子，在应用中，离子扩散开可降低周围土壤电阻率；接地模块通过火花刺增大土壤局部的火花效应，降低接地电阻。

2 石墨基柔性接地装置工频接地电阻仿真

电流通过接地体时，以石墨基柔性接地装置为中心，向四周土壤均匀散流，土壤域设置为半球体形状。工程实践表明，当计算区域的尺寸大于接地极尺寸的四倍时，截断误差可忽略不计，因此本文中土壤域设置为接地装置尺寸的10倍以保证计算结果的准确性。

按规程，接地装置一般不小于下列埋深：农耕地0.8m且在耕作深度以下；一般地区0.6m；开挖困难且土壤电阻率大于2000Ω•m的岩石地区0.3m。在本文中，取一般埋深0.6m。根据这些条件及石墨基柔性接地装置的不同型式，构建石墨基柔性接地装置接地电阻仿真模型如图3所示。

图3 石墨基柔性接地装置接地电阻仿真模型

因为工频频率较低且是单一频率，同时石墨属于弱磁材料，电感效应不明显[13-14]，所以仿真计算工频接地电阻时可以采用电流场在频域求解。

计算工频接地电阻时，从接地装置的4根引下线上端注入幅值为1A的电流，220kV输电线路杆塔石墨基柔性接地装置的电位分布如图4所示，500kV及以上输电线路杆塔石墨基柔性接地装置的电位分布如图5所示。由终端电压可以计算得到不同型式接地装置的工频接地电阻见表2。

图4 220kV输电线路杆塔石墨基柔性接地装置电位分布

图5 500kV及以上输电线路杆塔石墨基柔性接地装置电位分布

表2 不同型式接地装置的工频接地电阻

3 单相工频短路及雷击时的入地电流计算

220kV及以下电压等级输电线路同一土壤电阻率下采用同一型式的石墨基柔性接地装置，500kV及以上电压等级输电线路同一土壤电阻率下采用同一型式的接地装置。因此，根据220kV及1000kV交流输电线路计算单相工频短路及雷击杆塔时注入接地装置的电流，将其作为大电流下温升计算的终端边界条件。

根据实际运行中输电线路的典型参数，在ATP- EMTP中搭建仿真模型，以等值电阻等效接地装置。220kV输电线路电站近区杆塔的接地电阻设置为9.256Ω，远区杆塔的接地电阻设置为21.161Ω；1000kV输电线路电站近区杆塔的接地电阻设置为3.361Ω，远区杆塔的接地电阻设置为27.634Ω。雷击杆塔的原始雷采用2.6/50μs的标准雷电流波形，幅值根据40年一遇的概率计算。每年40个雷暴日，且地闪密度取为0.28次/(km2•年)。

沿线均匀选取11个杆塔位置作为故障点，分别在不同位置设置单相工频接地短路和雷击塔顶。近区及远区注入接地装置的工频电流幅值见表3，两种电压等级接地装置可能通过的最大雷电流见表4，根据雷电流幅值和波形采用双指数函数来模拟。

表3 注入接地装置的工频电流幅值

表4 注入接地装置的最大雷电流

4 大电流下石墨基柔性接地装置的温升特性

工频短路电流及雷电流持续时间较短，与不同介质之间的传热时间相比可以忽略。因此在计算大电流下接地装置的温升时，不考虑不同材料之间的传热过程，只考虑材料自身吸收工频电流能量引起的温升。经试验表明，石墨材料温度达到300℃左右时开始冒烟，性能发生变化，因此大电流下石墨基柔性接地装置的温升不能超过280℃（工作在常温20℃）。

分别以表3中工频接地短路入地电流幅值作为不同型式接地装置有限元仿真模型的终端电流边界条件，在COMSOL中计算接地装置的体积损耗密度分布。220kV输电线路近区杆塔石墨基柔性接地装置在单相工频短路电流下的体积损耗密度分布如图6所示。同样，可计算不同型式接地装置石墨材料的最大电磁体积损耗密度。

图6 220kV输电线路近区接地装置在单相工频短路电流下的电磁体积损耗密度分布

根据测量可得石墨材料的密度为1060kg/m3，比热容为710J/(kg•℃)，且工频短路电流在前备保护拒动后持续时间约为0.54s，可计算不同型式接地装置在工频短路电流下的温升见表5。

表5 不同型式接地装置在工频短路电流下的温升

计算雷电流下的温升时，材料的电感效应不能忽略，需要采用电流场及磁场耦合的多物理场在时域进行求解。铠装石墨引下线如图7所示，段①外层带有绝缘层及不锈钢铠装，段②只有石墨编织层及不锈钢加强芯板。电流通过段①后，开始向土壤散流，但是由于土壤电阻率比石墨材料大得多，散流极少，因此可以假设电流完全通过引下线而不散流，只需考核引下线段②通过完整雷电流时的温升。在仿真建模中只需要截取一段引下线，不需要搭建完整的接地装置。

图7 铠装石墨引下线

雷电流经由塔身四个塔脚的铠装石墨引下线注入接地装置，雷击塔顶不同位置时四个塔脚的分流可能会有差别。根据杆塔实际尺寸结构，将其等效为电阻、电感组成的网络，由塔顶不同位置注入幅值为300kA的雷电流，四个塔脚的分流如图8所示。由图8可知，四个塔脚的分流差别很小，不超过1%。

图8 雷击塔顶时四个塔脚的分流

雷电流持续50μs左右，因此取仿真时间为50s，时间步长为0.1μs。截面为40mm×6mm的引下线在3.1μs时刻的电磁体积损耗密度分布如图9所示，两种截面引下线在雷电流下的最高温升见表6。

图9 截面为40mm×6mm的引下线在3.1μs时刻的电磁体积损耗密度分布

表6 两种截面引下线在雷电流下的最高温升

5 结论

本文利用COMSOL及ATP-EMTP建立石墨基柔性接地装置的仿真模型，计算其工频接地电阻及大电流下的温升，得到以下结论：

1）相同电压等级下，应用于高土壤电阻率区域的石墨基柔性接地装置可通过延长射线长度、铺设水平降阻布来降低工频接地电阻，使其达到杆塔接地电阻的设计要求。

2）在特高压输电线路中，工频接地短路引起的接地装置温升远大于雷电流引起的温升，是考核接地装置性能的重要指标。

3）应用在特高压输电线路中的石墨基柔性接地装置，需要增大石墨截面积降低电流密度，从而降低大电流下的温升。

本文编自2021年第10期《电气技术》，论文标题为“石墨基柔性接地装置在输电线路中的适用性研究”，作者为张国锋、惠康 等。

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