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  • 頭條柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用
    2021-03-21 作者:曾挺 吳哲 等  |  來(lái)源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)為解決山區(qū)桿塔接地土壤電阻率高的問(wèn)題,廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局、武漢億之烽科技有限公司的研究人員曾挺、吳哲、孔祥美、劉成剛、徐亮朝,在2020年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,提出了柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用研究。 結(jié)合石墨基柔性接地體原材料特性,對(duì)接地外觀(guān)、尺寸及允差、石墨覆金屬線(xiàn)、電氣性能和機(jī)械性能的接地條件展開(kāi)分析,通過(guò)實(shí)際案例,驗(yàn)證了柔性石墨纜在接地中的應(yīng)用研究,有效控制接地電阻在規(guī)程范圍內(nèi),具有實(shí)用價(jià)值。

    山區(qū)桿塔建設(shè)一直是電網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn),桿塔接地電阻偏大是引起線(xiàn)路跳閘的主要原因。山區(qū)桿塔接地具有以下特點(diǎn):①山區(qū)海拔高,地勢(shì)起伏,地形復(fù)雜,塔周?chē)寥垒^差,土壤電阻率較高;②采用接地體為金屬接地體,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后局部腐蝕嚴(yán)重,難以維護(hù);③山區(qū)交通不便,大型接地系統(tǒng)運(yùn)輸存在問(wèn)題,實(shí)際施工難度較大。

    近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行深入研究,一種新型石墨接地材料應(yīng)運(yùn)而生,因此,本文依據(jù)接地電纜自身形狀,對(duì)柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用展開(kāi)研究。

    針對(duì)傳統(tǒng)扁平式設(shè)計(jì)無(wú)法在高電阻、高腐蝕情況下得到高效使用的問(wèn)題,需結(jié)合非金屬導(dǎo)電體柔性石墨纜結(jié)構(gòu)屬性,設(shè)計(jì)接地技術(shù)條件,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用情況。

    1 接地材料特性

    以往山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地通常以鍍鋅鋼塔為基礎(chǔ)材料,鍍鋅能夠?qū)拥鼐€(xiàn)起到一定保護(hù)作用,降低腐蝕程度,但焊接頭作為鍍鋅鋼塔的基點(diǎn),易受外界腐蝕,容易損壞,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路接地材料使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)。

    近年來(lái),銅包鋼材料在腐蝕性較強(qiáng)的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用,銅作為防腐層,具有良好的防腐性能。然而,當(dāng)接地體受到外界因素影響而出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象時(shí),其表面的銅線(xiàn)開(kāi)始損壞,內(nèi)置的線(xiàn)頭開(kāi)始外漏。而柔性石墨纜結(jié)構(gòu),屬于一種非金屬導(dǎo)電體,具有耐腐蝕、耐酸堿、穩(wěn)定性強(qiáng)、不生銹、安裝便捷的優(yōu)勢(shì),在高電阻率、高腐蝕領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。

    石墨電纜結(jié)構(gòu)采用編織網(wǎng)的形式,較傳統(tǒng)扁平式設(shè)計(jì)方法,具有方便設(shè)備連接,承載能力相對(duì)較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外,石墨電纜溫度使用范圍為[-60℃, 200℃],具有耐腐蝕、阻燃、易形成的優(yōu)勢(shì)。

    2 接地技術(shù)條件

    1)外觀(guān)

    石墨基柔性接地體外觀(guān)應(yīng)嚴(yán)密均勻,無(wú)明顯斷開(kāi)點(diǎn),表面應(yīng)編織成網(wǎng)狀,裸線(xiàn)、帶、線(xiàn)等金屬導(dǎo)體不應(yīng)夾在接地體內(nèi)。

    2)尺寸及允差

    柔性石墨基礎(chǔ)接地體應(yīng)保持圓形或矩形截面形式,矩形或圓形截面直徑寬度和厚度的允許誤差應(yīng)小于5%,總接地體金屬導(dǎo)體橫截面積不得大于接地體總橫截面積的10%。

    3)石墨覆金屬線(xiàn)

    涂石墨金屬絲需要在銅線(xiàn)或其他金屬絲表面均勻、緊密、完整地涂上碳納米管導(dǎo)電膠,不存在裸露金屬導(dǎo)體,石墨層在室溫下的剝離力不應(yīng)小于10N/mm。

    4)電氣性能

    (1)直流電阻

    石墨基柔性接地體直流電阻應(yīng)符合表1的規(guī)定。

    柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用

    表1 石墨基柔性接地體直流電阻規(guī)定(室溫下)

    (2)工頻電流耐受性能

    針對(duì)電源頻率電流測(cè)試,其產(chǎn)品外觀(guān)不應(yīng)該消融或膨脹,受到的溫度不高于120℃,直流電阻不大于10%的單位阻值增長(zhǎng)。柔性石墨基礎(chǔ)接地頻率電流參數(shù)公差應(yīng)符合表2中的值。

    (3)雷電流沖擊耐受性能

    根據(jù)上述內(nèi)容,在50kA標(biāo)準(zhǔn)雷電電流沖擊下進(jìn)行耐受試驗(yàn),溫升不高于120℃,試樣外觀(guān)不應(yīng)有斷股、燒蝕、鼓包等缺陷,單位長(zhǎng)度直流電阻增大范圍不超過(guò)10%。

    柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用

    表2 石墨基柔性接地體工頻電流耐受值(室溫下)

    5)機(jī)械性能

    彎曲半徑不應(yīng)大于30cm,經(jīng)過(guò)90°彎曲后分別進(jìn)行正向和反向方向觀(guān)測(cè),樣品的外觀(guān)不應(yīng)該出現(xiàn)斷鏈和破損等現(xiàn)象,直流電阻單位長(zhǎng)度增加不應(yīng)超過(guò)10%。在180°/m扭曲狀態(tài)下堅(jiān)持10s,此時(shí)樣品的外觀(guān)不應(yīng)該出現(xiàn)斷鏈和破損等現(xiàn)象,直流電阻單位長(zhǎng)度增加范圍不超過(guò)10%。石墨基柔性接地體耐浸泡腐蝕性能應(yīng)符合下列要求。

    • (1)耐堿性:在室溫下浸入5%NaOH溶液中48h,每單位長(zhǎng)度直流電阻增加范圍不超過(guò)10%。
    • (2)酸性:在5% H2SO4溶液中室溫下存儲(chǔ)48h,直流電阻增加范圍不超過(guò)10%。
    • (3)耐鹽水性:在3.5%氯化鈉溶液室溫下存儲(chǔ)72h,直流電阻增加范圍不超過(guò)10%。

    經(jīng)過(guò)100℃烘烤2h后,回到室溫,重復(fù)上述拉伸試驗(yàn),單位長(zhǎng)度的直流電阻增加不超過(guò)10%。在◆60℃冷凍2h后,回到室溫,重復(fù)規(guī)定的拉伸試驗(yàn),單位長(zhǎng)度的直流電阻增加仍然不超過(guò)10%。阻燃性能試驗(yàn)按GB/T 10707規(guī)定的垂直燃燒法進(jìn)行,燃燒性能等級(jí)為FV-0。

    3 應(yīng)用案例

    廣東汕頭東北部、西北、西南,有蓮花山脈、桑浦山及大南山等山地區(qū),大部分屬亞熱帶,處于赤道低氣壓帶和副熱帶高氣壓帶之間,輸電塔位于山頂和山坡上,塔周?chē)闹参锸艿匦巍⑼寥啦町愑绊懀L(zhǎng)狀態(tài)也不同,因此,本文選取了兩種典型的地形進(jìn)行了分析,對(duì)鐵塔的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。

    3.1 接地電阻設(shè)置

    依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通信設(shè)備電氣接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)不同土壤電阻率,分析接地電阻大小,見(jiàn)表3。

    柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用

    表3 工頻接地電阻要求

    根據(jù)上述工頻接地電阻要求,完成接地電阻的設(shè)置。

    3.2 應(yīng)用環(huán)境及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

    塔周?chē)匦螐?fù)雜、有茂密的森林、雜草叢生的土壤,略微潮濕的表面土壤和巖石環(huán)境。塔的東西兩側(cè)垂直下坡,坡下植被茂密;北側(cè)是坡下坡,沒(méi)有道路,坡下植被茂密;南側(cè)是一條上坡路,兩側(cè)適合延伸。其環(huán)境示意圖如圖1所示。

    柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用

    圖1 環(huán)境示意圖

    將接地體置于該層具有良好的減阻效果,選用直徑28mm的柔性石墨接地體,敷設(shè)深度為0.6m,塔根設(shè)為10m長(zhǎng)的方形接地體,接地體的方角選擇了一個(gè)注流點(diǎn),根據(jù)塔周?chē)匦魏屯寥离娮杪剩挥谝粋€(gè)凸點(diǎn)上設(shè)置約2m左右的下坡,并將其分散在地下。接地體位置,第一位在第一象限,其余三位依次逆時(shí)針接地到位,四位接地長(zhǎng)度都為30m左右。接地電阻計(jì)算為13.7Ω(要求值20Ω)。

    在接地桿塔基礎(chǔ)周?chē)_(kāi)挖方形接地體,邊長(zhǎng)10m,深0.6m,清理石塊及雜物,將柔性石墨纜鋪設(shè)在溝槽底部,細(xì)土回填后,對(duì)接地電阻值進(jìn)行測(cè)試,以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

    3.3 應(yīng)用結(jié)果與分析

    從廣東某山區(qū)輸電塔數(shù)據(jù)庫(kù)中選取鍍鋅圓鋼、接地模塊和柔性石墨纜的接地材料總經(jīng)費(fèi)進(jìn)行對(duì)比分析,選取的是近40年的數(shù)據(jù)。表4給出了工程實(shí)際采用方案與只采用鍍鋅鋼接地材料的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比,為了增加可比性,將鍍鋅鋼配接地模塊方案的40年總投資也列于表4中。

    柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用

    表4 接地材料經(jīng)費(fèi)對(duì)比

    由表4可以看出,柔性石墨纜接地方案明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的接地方案,40年總投資可減少約46% 。在該接地方案基礎(chǔ)上,將石墨柔性接地體與傳統(tǒng)材料在不同溫度下硬度進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表5。

    柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用

    表5 石墨柔性接地體與傳統(tǒng)材料硬度對(duì)比分析

    由表5可知,隨著溫度升高,兩種材料硬度都逐漸降低。但在10℃~30℃常溫范圍內(nèi),石墨柔性接地體硬度始終保持在630HBW,而傳統(tǒng)材料硬度在溫度為20℃時(shí)就開(kāi)始下降,由此可知,在不同溫度下石墨柔性接地體硬度較高,機(jī)械性能相對(duì)較好。

    4 結(jié)論

    結(jié)合山區(qū)線(xiàn)路環(huán)境,分析柔性石墨纜在山區(qū)線(xiàn)路桿塔接地中的應(yīng)用,依據(jù)山區(qū)地形的基本特征,設(shè)計(jì)具體應(yīng)用方案,并對(duì)其應(yīng)用的壽命周期進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)具體應(yīng)用實(shí)例,研究結(jié)果表明,柔性石墨纜耗費(fèi)的總經(jīng)費(fèi)明顯少于傳統(tǒng)接地方案,電阻相對(duì)穩(wěn)定,安裝十分簡(jiǎn)便,從整個(gè)使用周期來(lái)看,具有較大經(jīng)濟(jì)效益。

    由于受到條件限制,導(dǎo)致研究結(jié)果僅僅依賴(lài)于理論數(shù)據(jù),因此,在今后研究進(jìn)程中,對(duì)其應(yīng)用在不同場(chǎng)景進(jìn)行分析,以此保證研究?jī)?nèi)容更貼近實(shí)際生活,為其廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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