陳耀君，宣建峰，汪圣羽，張 楊，楊燕華，金蔭洲，郭 曉，蘇 菁

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000）

1 引言

配電網(wǎng)接地系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)工作、防雷的需要，是維護(hù)電力設(shè)備運(yùn)行可靠性的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著電網(wǎng)改造的不斷升級(jí)，系統(tǒng)10 kV 配電線路中容易發(fā)生接地故障，尤其在遇到大風(fēng)雨雪惡劣天氣時(shí)，由于接地材料腐蝕、接地電阻不合格、泄流能力弱造成故障發(fā)生，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)運(yùn)維水平[1]。同時(shí)配電網(wǎng)與用戶接觸最為緊密，從電力優(yōu)質(zhì)服務(wù)出發(fā)，配電網(wǎng)接地設(shè)備急需尋求耐腐蝕、性能穩(wěn)定、泄流能力強(qiáng)、易于施工的材料。

接地系統(tǒng)的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行重點(diǎn)在于接地材料、降阻材料的優(yōu)化配置選擇[2]。但是，目前電力系統(tǒng)對(duì)接地材料和防腐降阻材料的性能與選擇并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范要求，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)若沒(méi)有全方位考慮，選擇了不適合的接地、降阻材料，將影響接地裝置的正常運(yùn)行，甚至引起事故，縮短接地裝置的使用壽命，降低資產(chǎn)全壽命管理效益[3]。

基于接地、降阻材料的性能特性分析，對(duì)主流材料進(jìn)行分析探討，并針對(duì)不同電阻土壤率、不同土壤含水量環(huán)境下的接地、降阻材料提出了最佳的材料選擇優(yōu)化方案；確保方案提供的接地、降阻材料能夠長(zhǎng)久有效地降低接地電阻、延緩接地材料的腐蝕，保證供電企業(yè)接地裝置安全穩(wěn)定工作，提升配電網(wǎng)資產(chǎn)全壽命管理水平。

2 接地材料應(yīng)用分析

目前廣泛應(yīng)用的接地裝置主要由接地引下線和埋入地下的金屬接地體組成，金屬接地體直接與土壤接觸，將異常產(chǎn)生的電流分解傳遞到大地中，減少異常情況（如雷擊、強(qiáng)風(fēng)）對(duì)電力系統(tǒng)線路和電氣設(shè)備的影響。

接地裝置作用就是傳遞異常電流，異常電流由兩部分組成，工作電流和接地短路電流，異常電流經(jīng)由接地引下線、接地體傳遞至大地[4]，如圖1 所示，異常電流I經(jīng)由接地引下線流入接地網(wǎng)，被接地網(wǎng)中的每一段水平接地體和垂直接地體共同分流，保證設(shè)備安全。

圖1 接地裝置示意圖

2.1 熱穩(wěn)定性分析

異常情況發(fā)生時(shí)，異常電流I會(huì)經(jīng)由接地體，將異常電流轉(zhuǎn)化為接地材料的熱能，通常轉(zhuǎn)化的熱能無(wú)法順利散去，大部分都會(huì)轉(zhuǎn)化為接地材料的熱量。如果接地材料不能滿足相應(yīng)的熱穩(wěn)定條件，接地短路電流過(guò)大則會(huì)因材料溫度過(guò)高而被熔斷；即使沒(méi)有熔斷，熱能聚集產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致接地材料的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，尤其是結(jié)合點(diǎn)或焊接處情況更嚴(yán)重。

為保證接地裝置良好的泄流效果，需接地線通流能力的熱穩(wěn)定校驗(yàn)，按短時(shí)發(fā)熱的熱穩(wěn)定要求確定。

熱平衡方程為：

接地線發(fā)熱時(shí)引起的溫升為：

式（1）（2）中：ρ為接地材料電阻率；Kd為集膚效應(yīng)系數(shù)；Td為接地故障的等效持續(xù)時(shí)間；Id為流過(guò)接地線的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值；S為接地線的最小截面積；γ為接地導(dǎo)體的比重；l為接地線長(zhǎng)度；c為接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)；τ接地線溫升。

2.2 均壓分析

為了限制接觸電壓和跨步電壓過(guò)高，接地網(wǎng)應(yīng)采用均壓措施[3]。接地網(wǎng)本身各處的電阻率并不同，勢(shì)必產(chǎn)生電勢(shì)差，因此不能完全將接地網(wǎng)各處當(dāng)成等電位。對(duì)于電阻率偏高的大地，需要水平接地系統(tǒng)的均壓效果?；诖?，具備良好的導(dǎo)電性可防止接地導(dǎo)體電位差。

2.3 資產(chǎn)全壽命要求

資產(chǎn)全壽命周期管理是電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，基于資產(chǎn)全壽命周期管理對(duì)于接地系統(tǒng)的運(yùn)維具有重要指導(dǎo)意義。目前電力系統(tǒng)配電網(wǎng)改造不斷深入，城市基礎(chǔ)建設(shè)要求不斷提升，同時(shí)考慮到開(kāi)挖難度大，工程周期較長(zhǎng)，改造費(fèi)用高，接地系統(tǒng)投入應(yīng)用后通常要求具有較長(zhǎng)的運(yùn)行年限，目前規(guī)定使用年限為50 年以上。同時(shí)從環(huán)境友好型管理理念出發(fā)，杜絕使用材料對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染。

2.4 接地材料性能對(duì)比

針對(duì)目前接地材料市場(chǎng)的不斷更新，本文基于上述應(yīng)用分析要求，選擇考慮導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和資產(chǎn)全壽命特性等要求，對(duì)比分析鍍鋅鋼、銅、不銹鋼和銅覆鋼四種配電網(wǎng)接地材料，鍍鋅銅的熔點(diǎn)最高，銅的導(dǎo)電性最好，耐腐蝕性方面不銹鋼，資產(chǎn)全壽命特性方面鍍鋅鋼的價(jià)格在每噸5 000 元左右，常使用電弧焊接方式進(jìn)行鋼接地體之間的連接，焊接點(diǎn)易存在腐蝕隱患。

3 降阻材料的應(yīng)用分析

接地系統(tǒng)所處的大地本身具備一定的電阻率。接地電阻是電流經(jīng)接地系統(tǒng)泄流過(guò)程中遭受的阻礙效應(yīng)。接地電阻由引下線自身內(nèi)阻、接地體內(nèi)阻、接觸電阻和大地的土壤電阻四部分組成。接地引線和接地體自身內(nèi)阻非常小，其影響忽略不計(jì)，因此在某些特殊情況下（如高土壤電阻率區(qū)域）必須配合需輔以一些降阻措施，方可保證其接地電阻達(dá)標(biāo)。因此，實(shí)際接地工程中的接地材料，通常輔以降阻材料降阻，保證接地電阻達(dá)標(biāo)，以滿足接地系統(tǒng)的接地電阻要求。

3.1 降阻能力分析

基于高斯定理，接地裝置接地電阻：

當(dāng)大地的電阻率在各方向性質(zhì)一致時(shí)：

其中，R、C分別為接地裝置的接地電阻和接地電容；ρL、ξ分別為大地的土壤電阻率和介電常數(shù)。由公式（3）可看出，接地體的接地電阻R與接地電容C成反比，與介電常數(shù)成正比例關(guān)系?；谏鲜鲫P(guān)系，降低接地電阻，可通過(guò)增大電容或降低土壤的電阻率兩種方入手。具體措施如下。

適當(dāng)增大接地體面積尺寸。輔以降阻材料后，可增加接地裝置有效接地面積，擴(kuò)大接地裝置的散流面積，間接提高接地電容C，從而降低接地電阻。

消除接觸電阻。接觸電阻主要取決于接地材料表面的光滑度以及接地材料與周?chē)寥赖慕佑|緊密度[3]。土壤孔隙度越小、接地材料越平整、接觸電阻越??；反之，接觸電阻就越大。因此，降阻材料應(yīng)具備良好的兼容性，能與接地材料完美融合，減小接觸電阻。

降低土壤電阻率。大地有兩種導(dǎo)電方式，一種是電子導(dǎo)電，地下如有導(dǎo)體或半導(dǎo)體，比如金屬礦物等，就會(huì)形成電子導(dǎo)電；另一種是離子導(dǎo)電，即土壤中的各種無(wú)機(jī)鹽類(lèi)或酸、堿離解成的金屬離子來(lái)導(dǎo)電[4]。大地主要以離子導(dǎo)電為主。土壤電阻率的大小主要取決于土壤中導(dǎo)電離子的濃度和土壤中的含水量[1]。土壤中導(dǎo)電離子濃度越高，含水量越多，土壤的導(dǎo)電性就越好，輔以降阻材料后，應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，增加周?chē)寥赖碾x子濃度，并有較好的吸水和保水能力，以降低接地裝置周?chē)寥赖碾娮杪省?/p>

3.2 資產(chǎn)全壽命要求

同樣，基于資產(chǎn)全壽命周期管控理念，降阻材料的選取應(yīng)用需具備環(huán)境安全性、投資經(jīng)濟(jì)性以施工簡(jiǎn)易性，滿足工程前期設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益最大化。降阻材料為一次性投入應(yīng)用，若經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后降阻材料的效果偏離預(yù)期，則需要返工處理，返工改造將花費(fèi)大量投資，并且也很難實(shí)現(xiàn)。因此，要求降阻材料應(yīng)有穩(wěn)定的降阻效果，并長(zhǎng)期有效，保證資產(chǎn)全壽命高效運(yùn)作。

3.3 降阻材料性能對(duì)比

基于上述降阻材料應(yīng)用分析要求，選擇考慮穩(wěn)定性、耐腐蝕性和資產(chǎn)全壽命特性等要求，對(duì)比分析降阻劑、接地模塊、離子接地棒和導(dǎo)電水泥等四種配電網(wǎng)降阻材料，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接地模塊本身具有較好的防腐效果，加上它所含碳的吸濕和保濕性能，使其有較長(zhǎng)的使用壽命和較好的降阻效果；離子接地棒、導(dǎo)電水泥兩種耐腐蝕性較好；導(dǎo)電水泥資產(chǎn)全壽命特性較好。

4 接地降阻材料優(yōu)化配置

基于接地、降阻材料特性分析對(duì)比，結(jié)合目前配電網(wǎng)接地系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，本文針對(duì)不同性質(zhì)的土壤環(huán)境，對(duì)接地特性進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，優(yōu)化配置選擇最合適的接地材料和降阻材料，以期實(shí)現(xiàn)運(yùn)維效益最大化。

4.1 不同土壤電阻率的接地降阻材料優(yōu)化選擇

土壤電阻率與土壤的腐蝕速率沒(méi)有遵循一定的規(guī)律[1]，主要依據(jù)所處環(huán)境以及接地工程實(shí)際要求確定。

高土壤電阻率地區(qū)：主要考慮接地電阻很難達(dá)到要求，因此接地材料在腐蝕不嚴(yán)重的高土壤電阻率地區(qū)，為減少初期投資，可采用鍍鋅鋼作為接地材料，有更好的經(jīng)濟(jì)效益。降阻材料選擇配合接地材料選取，對(duì)于配合鍍鋅鋼接地材料時(shí)不宜采用對(duì)接地體無(wú)防腐保護(hù)的降阻材料，對(duì)于配電網(wǎng)中桿塔接地裝置可使用接地模塊作為降阻劑，也可利用導(dǎo)電水泥來(lái)做基礎(chǔ)和鋪設(shè)路面來(lái)減小接地電阻。

低土壤電阻率地區(qū)：主要考慮土壤中的水分和電解質(zhì)會(huì)對(duì)接地裝置產(chǎn)生腐蝕，因此接地材料使用銅材和不銹鋼在穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，降阻材料選擇配合接地材料選取，對(duì)于銅材和不銹鋼接地材料，可以選用同時(shí)具有防腐和降阻性能高效膨潤(rùn)土防腐降阻劑作為其防腐降阻材料。對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 不同土壤電阻率的接地降阻材料優(yōu)化選擇結(jié)果

4.2 不同土壤含水量的接地降阻材料優(yōu)化選擇

不同的土壤含水量對(duì)接地材料會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕作用，隨著土壤含水量的增加，金屬腐蝕速率均增加，但會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和值，之后隨著含水量的增加，金屬腐蝕率會(huì)降低[3]，由此可確定接地降阻材料的優(yōu)化選擇。

低土壤含水量地區(qū)：主要考慮鍍鋅鋼在干旱土壤地區(qū)有較好的耐蝕性，同時(shí)其價(jià)格低廉，因此可作為接地材料。降阻材料選擇配合接地材料選取，高效膨潤(rùn)土防腐降阻劑最適合在低土壤含水量地區(qū)使用，且穩(wěn)定性和耐腐蝕性效果佳，對(duì)于配電網(wǎng)中桿塔接地裝置可使用接地模塊作為降阻劑。

高土壤含水量地區(qū)：主要考慮土壤中的水分高，易對(duì)接地裝置產(chǎn)生腐蝕，在土壤弱堿性地區(qū)，可采用不銹鋼作為接地材料，在土壤弱酸性地區(qū)，可采用銅或銅覆鋼作為接地材料。降阻材料選擇配合接地材料選取，可采用納米碳導(dǎo)電防腐涂料或高效膨潤(rùn)土防腐降阻劑進(jìn)行防腐保護(hù)，兩種材料均能達(dá)到良好的防腐效果。對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 不同土壤含水量的接地降阻材料優(yōu)化選擇結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)接地材料和降阻材料特性分析，考慮導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和資產(chǎn)全壽命特性要求，對(duì)比分析目前主流的接地和降阻材料，為安全生產(chǎn)運(yùn)維提供一定的指導(dǎo)意義。基于接地、降阻材料特性分析對(duì)比，結(jié)合目前配電網(wǎng)接地系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)不同電阻土壤率、不同土壤含水量環(huán)境，對(duì)接地特性進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，優(yōu)化選擇合適的接地材料和降阻材料，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)效益最大化。