刘建伟，赵 枫，郭志彬，郝艳勇

(中国能源建设集团天津电力设计院有限公司，天津 300400)

柔性缆状石墨接地在输电线路工程中的应用

刘建伟，赵 枫，郭志彬，郝艳勇

(中国能源建设集团天津电力设计院有限公司，天津 300400)

本文介绍了柔性缆状石墨防雷接地极结构和性能特点及电气设计，结合几年来实施的输电线路接地极改造工程实际，总结出这种柔性缆状石墨接地极常用敷设型式。通过全寿命周期理念比较得出，柔性缆状石墨具有明显的社会经济效益。本文介绍了柔性缆状石墨防雷接地极结构和性能特点及电气设计，结合几年来实施的输电线路接地极改造工程实际，总结出这种柔性缆状石墨接地极常用敷设型式。通过全寿命周期理念比较得出，柔性缆状石墨具有明显的社会经济效益。

输电线路；柔性缆状；雷击；全寿命周期；石墨接地。

由于高压架空输电线路多处于裸露的空阔地形，影响线路安全稳定的自然因素较多，其中雷击是危及线路安全运行的主要因素之一。雷击杆塔或导地线直接引起线路故障，降低电力系统的安全性、稳定性和可靠性。经过理论分析，结合线路多年的运行经验，目前主要采取降低线路杆塔接地电阻，从而提高线路耐雷水平、减少线路雷击跳闸率。采用人工接地装置是降低线路杆塔接地电阻的最重要措施。

多年来，架空线路杆塔接地装置多采用圆钢材质，随着冶金技术工艺的发展，近些年铜覆钢材质也在接地装置中开始应用。经实际应用，常规的接地装置存在一些难以解决的问题：一是接地装置的接地电阻达不到规定的要求；二是降阻稳定性问题，特别是高土壤电阻率的地区，接地电阻测量值起伏大，不能满足要求；三是接地体的腐蚀问题，尤其铜覆钢在外面铜层被破坏后形成电解效应，加速了接地体的腐蚀；四是容易遭受外力破坏，在沙漠地区的杆塔接地，在刮大风时，很容易将沙土吹走而使接地体裸露在外，在耕地里的铁塔，由于农田的耕作，有时也会伤及接地体。以上这些问题一直困扰着电力系统的技术人员。

1 接地极结构和性能特点

柔性缆状石墨防雷接地极是以石墨为主要原材料制作的新型石墨导电电缆，属于非金属导电材料体，该导电体呈惰性，化学稳定，且导电性能极佳，在常温条件下不受强酸、强碱和有机溶剂及电偶腐蚀，不生锈，电阻稳定，使用寿命长。

柔性缆状石墨接地极，主要由连接端头、接地极缆状主体、绝缘防护套构造而成。

1.1 结构

柔性缆状石墨接地极由若干根柔性导电石墨线编织而成的柔软电缆状接地极，其原材料采用纯度在99%以上的石墨。石墨线采用专用生产设备制作，把无碱玻璃纤维、耐腐蚀的增强丝和表层石墨颗粒复合在一起，这样的结构即可以实现材料超导，且强度高，能适用各种条件的土壤，不易被腐蚀，埋在地下长久使用。这种接地极柔性缆状结构，施工便捷，可随施工路径自由弯曲，无需电气焊，施工费用低。

1.1.1 柔性缆状结构

柔性缆状石墨接地极内部包含28～30根导电石墨线，其主要起导电作用。外层12～16根导电石墨线通过编织机均匀编织在芯部导电石墨线上，编织表面呈棱形网格状，起到保护芯部导电石墨线和扩大与周围土壤的接触面积的作用。

1.1.2 连接端头

接地极需要适应不同地区环境要求，连接端头设计采用耐腐蚀程度较高的304不锈钢材质，螺栓孔径采用国家统一规格Φ16，弯曲不能采取热处理，弯曲半径应符合规程要求，弯曲部位无裂痕、无变形。

1.1.3 绝缘防护套

绝缘防护套的主要作用是对接地极在地上裸露部分起保护作用，而且绝缘防护套的所处环境要经受日晒，因此，需要耐老化，同时还需要有耐酸碱、轻便的特点。缘保护套采用丙纶内丹和天然橡胶外衬的形式制作，保证了绝缘护套的强度和耐老化性能，且使用方便、灵活。

1.2 性能特点

石墨是具有共价键、金属键和范德华力结合的混合晶体。同一层C－C形成共价键，键长0.142 nm，层与层之间的距离为0.335 nm。这些独特的结构是石墨具有金属光泽和接近金属的电导率。柔性缆状石墨接地极选用石墨的碳含量达到99%以上，即石墨采用高碳石墨，a轴方向的电阻率为1.0×10－6Ω•m，C轴方向的电阻率为10.4×10－6Ω•m，因此找对石墨中碳原子的导电方向，会极大增强石墨的导电能力。

通过试验表明，接地极具有超强抗耐腐蚀性能，体现在耐酸性、耐碱性、耐电偶腐蚀、耐氯离子腐蚀性等多项性能。

2 防雷接地极电气设计

2.1 接地电阻计算

规格为Φ20±1柔性缆状石墨防雷接地极，其具有较大的截面积，外表面呈网状结构增加了其与土壤的接触面积，因而增加了泄电流的效率。根据《交流电气装置的接地》DL/T621—1997的规定，结合大量的试验数据与运行经验，归纳柔性缆状石墨防雷接地极计算方式如下：

式中：Rh为水平接地体的接地电阻(Ω)；L为

水平接地体的总长度(m)；h为水平接地体

的埋设深度(m)；A为水平接地体的形状系

数，见表1。

按规程要求，在雷季干燥时，每基杆塔工频接地电阻，不宜大于表2所列数值。

2.2 接地极敷设设计

针对输电线路地质条件、征地和土壤电阻率情况，根据大量的敷设试验，针对不同杆塔，不同土壤电阻率的柔性缆状石墨防雷接地极敷设方式见图1、图2，仅供参考。

3 实施与运输

3.1 实施方案

若两个及以上的石墨单体可以通过绑扎连接，接地体位于接地沟槽内，接地体与接地沟槽之间的空隙处填充回填土，回填土填至与地面相平，填充回填土时应适量洒水，分层夯实。

表1 形状系数A的参考数值

表2 有地线的线路杆塔的工频接地电阻

图1 铁塔接地极敷设平面图

图2 钢管杆接地极敷设平面图

(1)首先根据地质情况判断出铁塔周围土壤电阻率的情况或进行实测。

(2)根据土壤电阻率，按照设计接地装置施工图进行配置石墨接地绳长度，将材料运输到现场。

(3)筛选接地沟取出的原土(也可从外运土)，取出砾石和风化岩碎片，将细土回填至与地面相平，回填土时应适量洒水，分层夯实。

(4)安装接地装置，待全部埋设并连接完毕后测量接地电阻，两周后进行复测。

(5)如接地电阻不满足设计要求，可采用在接地网放射线的终端增加石墨绳长度的方法使接地电阻达到原来的设计值。

此外要注意，施工过程中禁止使用石块直接回填撞击接地体，以免接地体的破损，影响到接地体的导电连续性。

3.2 运输及加工比较

圆钢接地装置：需特殊的加工场地，完成要求的接地形状后需做镀锌防腐处理，对加工和运输难度较大。

铜覆钢接地装置：加工难度极高，加工和运输过程中容易破坏外层的镀铜层。

柔性缆状石墨接地装置：以线缆轴方式存储或运输，无需焊接，对场地要求低，可在施工现场根据需要进行加工。从运输和加工方面优于圆钢和铜覆钢接地装置。

4 经济和社会效益

目前柔性缆状石墨接地装置解决我国电厂、变电站锌包钢、铜包钢接地不耐腐蚀、易生锈、接地电阻不稳定、易造柔性缆状石墨接地装置成雷击事故、寿命短、检修维护困难、更新改造工程频繁、工程量大、费用大的难题，保护了国家财产和人民的生命安全，所以它的经济和社会效益是巨大的，研制推广柔性缆状石墨接地装置具有广阔的市场前景。

从地形和土壤腐蚀程度来看，普通的平原地形圆钢接地装置占优势；从山区接地要求和应用来看，柔性缆状石墨接地装置和圆钢占优势；从土壤腐蚀性来看，柔性缆状石墨接地装置占优势。本文通过山区和腐蚀性高的地形条件进行了经济和社会效益分析。

4.1 山区地形

本文以某多雷区、土壤电阻率较高的山区为例，简要介绍。以土壤电阻率600 Ω•m，杆塔接地电阻15Ω为例，不同接地材料的性价比见表3。

表3 线路杆塔接地体不同材料性价比

由表3可见，对于不同材料的40年全寿命材料投资费用，使用石墨相比于铜敷钢节省总投资约0.38万元，相比于圆钢节省总投资约0.41～0.69万元。

4.2 强腐蚀性地形

沿海地区地下水位浅，腐蚀性高，干湿交替位置地形尤为突出。以天津市滨海地区为例简要介绍。以土壤电阻率100 Ω•m，杆塔接地电阻10 Ω为例，不同接地材料的性价比见表4。

表4 线路杆塔接地体不同材料性价比

由表4可见，对于不同材料的40年全寿命材料投资费用，使用石墨相比于铜敷钢节省总投资约0～0.095万元，相比于圆钢节省总投资约0.25～0.36万元。

通过比较发现，使用石墨接地不仅全寿命周期经济性好，而且节约了材料，具有明显的经济社会效益。

5 结语

本文介绍了柔性缆状石墨接地的结构及性能特点，结合工程经验，总结了常规的设计方法，运用全寿命周期理论，对比分析了几种接地形式的经济性，显示出柔性缆状石墨接地具有明显的经济和社会效益，体现了节能环保的理念。

柔性缆状石墨接地极主要成分是石墨，质量轻且化学稳定性优良，在常温条件下不受强酸、强碱和有机溶剂及电偶腐蚀，不生锈，电阻稳定，使用寿命长。通过酸化，高温膨化工序形成多孔结构的膨胀石墨，膨胀使得石墨颗粒的碳原子层发生分离，形成高比值表面结构增强了石墨的导电能力，进而增强了产品的导电性能。这种接地极克服了石墨板型产品携带不便，施工相对繁琐的缺点，结合电缆和绳索的使用特性和加工方法，具有质地柔软，容易弯曲的优点，长度按所需规格制作、连接方便、无需电气焊接，降低施工难度，减少施工费用。另外，石墨无回收利用价值，在户外使用具有防盗的优点，有效地解决了输电线路接地降阻和防盗问题，可以作为今后一种长效绿色型输电线路防雷接地电极使用。

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Applications of Flexible Cable Graphite Earthing Materical in Electric Transmission Line Engineering

LIU Jian-wei, ZHAO feng, GUO Zhi-bin, HAO Yan-yong
(China Energy Engineering Group,Tianjin Electric Power Design Enstitute Co., Ltd., Tianjin 300400, China)

This paper introduces the structure,performance characteristics and electrical design of flexible cable graphite grounding pole, combined with the actual project of implementing transmission line grounding recent years, summarizes the commonly used installation type of flexible cable graphite grounding.Through the whole life cycle concept is concluded, the flexible cable graphite has obvious social and economic benefits.

power transmission system; flexible cable graphite;lightning strike; whole life cycle; graphite grounding.

TM72

B

1671-9913(2017)03-0058-04

2015-12-19

刘建伟(1983- )，男(满族)，河北秦皇岛人，硕士，工程师，主要从事输电线路电气设计工作。