CN105528487A - 地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，包括以下步骤：S1、选取需要进行计算的地下变电站钢筋混凝土桩基；S2、确定桩基的长度、截面积、配筋率；S3、确定桩基所采用钢筋的电阻率；S4、确定桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比；S5、根据桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比计算混凝土电阻率；S6、根据桩基截面积、配筋率计算混凝土截面积及钢筋截面积；S7、模拟桩基接地电阻。本发明能够有效提高地下变电站接地设计方案的经济性，合理性和科学性，从而达到减少工程量和工程造价的目的，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种地下变电站桩基电阻的模拟方法，属于电力系统变电站接地设计技术领域，具体为一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法。

背景技术

根据国家标准GB50057-2010建筑防雷规范4.3节及其条文说明中，对将建筑物钢筋混凝土内的钢筋作为接地装置的情况进行了规定和说明。地下变电站由于其结构特点，位于地下的钢筋混凝土桩基很深，且数量巨大，而桩中的钢筋是导体，因此需要考虑桩基对接地电阻的影响，地下站桩基长度均在50米以上，一般情况下，在此深度土壤电阻率很低，且土壤含水率很高，桩基的混凝土含水率也很高，相应电阻值也较小。如果将其作为部分接地装置纳入地下变电站接地网，一方面可以有效减小接地电阻，另一方面可以在保证接地电阻达到要求的情况下，有效减少铜、钢等接地材料用量，达到节约资源的目的。但目前尚未有利用建筑物钢筋混凝土桩基作为接地装置对变电站接地电阻影响的定量估算方法，导致若想利用桩基做接地装置，只能在施工过程中边测量变对接地网进行优化，无法在施工前的防雷接地初设、可研、施工图绘制阶段，对接地材料有一个合理的考量，可能导致材料浪费及工程预算不准。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是克服现有的规范规程无法针对在将地下变电站混凝土桩基用作接地装置时，无法对其电阻值进行估算的方法，综合考虑地下变电站桩基混凝土及钢筋等材料特性对其电阻率产生的影响，通过对桩基电阻率、截面积以及长度等参数的归纳，进而提出一种地下变电站钢筋混凝土桩基电阻的模拟方法，使地下变电站的防雷接地专业在设计阶段，能够有效较少铜、钢等接地材料用量，采取的接地网及接地装置设计方案更具经济性、合理性和科学性。

为实现上述目的，本发明提供了一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，包括以下步骤：

S1、选取需要进行计算的地下变电站钢筋混凝土桩基；

S2、确定桩基的长度、截面积、配筋率；

S3、确定桩基所采用钢筋的电阻率；

S4、确定桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比；

S5、根据桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比计算混凝土电阻率；

S6、根据桩基截面积、配筋率计算混凝土截面积及钢筋截面积；

S7、模拟桩基接地电阻。

进一步地，所述步骤S1中的钢筋混凝土桩基为圆柱体。

进一步地，所述步骤S4中混凝土配合比a可表示为：a＝w:m1:m2:m3:…mn:a1:a2:a3:…ai，其中w表示每立方米混凝土中水的用量(千克)；m1-mn表示每立方米混凝土中n种胶凝材料(如水泥、矿粉、粉煤灰)的用量(千克)；a1-ai表示每立方米混凝土中i种骨料(如砂、石)的用量(千克)。

进一步地，所述步骤S6具体为：设桩基钢筋截面积为S_S，则有：S_S＝λ·S；桩基中除钢筋以外的部分均为混凝土，设桩基混凝土截面积为S_K，则有：S_K＝(1-λ)·S；其中S为桩基截面积，λ为钢筋截面积在整个桩基横截面圆形面积中所占的比重。

进一步地，所述步骤S7具体为：将桩基等效为覆有混凝土的钢导体，钢导体为圆柱，截面积为S_S，长度为L，电阻率为ρ_s；混凝土为包裹于钢导体外的圆环柱，截面积S_K，为L，电阻率为ρ_k；以此作为模型模拟钢筋混凝土桩基，参与地下变电站接地计算。

本发明的有益效果：

本发明经过计算，在符合相关规范(例如GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》)要求的前提下，利用地下变电站本身的钢筋混凝土装置替代原有变电站接地设计中的部分铜、钢等接地材料，能够有效提高地下变电站接地设计方案的经济性，合理性和科学性，从而达到减少工程量和工程造价的目的，具有显著的经济效益和社会效益。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的地下变电站钢筋混凝土桩基电阻的计算方法流程图；

图2是本发明引入的模拟地下变电站钢筋混凝土装置接地电阻模型俯视图；

图3是本发明引入的模拟地下变电站钢筋混凝土装置接地电阻模型A-A剖面图；

图4是应用本发明方法模拟的某上海地区500kV地下变电站深为50米的桩基电阻计算结果图。

具体实施方式

本发明提出的一种地下变电站钢筋混凝土桩基电阻的计算方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

1)选取需要进行计算的地下变电站钢筋混凝土桩基(在这一步中所选取的地下变电站钢筋混凝土桩基的相关信息需要具有确定性和唯一性，目前地下建筑物所使用的钢筋混凝土桩基多为圆柱体)。

2)确定桩基的长度、截面积、配筋率。

设桩基长度为L，截面积为S，配筋率为λ。此三项数据均为桩基的设计参数，在地下变电站设计阶段均可正常取得。其中L表示将桩基视为圆柱体时，圆柱体的高度；S表示将桩基视为圆柱体时，圆柱体的横截面圆形的面积；λ在结构专业中的定义为“钢筋混凝土构件中纵向受力(拉或压)钢筋的面积与构件的有效面积之比(轴心受压构件为全截面的面积)”，在将桩基视为圆柱体时，λ为钢筋截面积在整个横截面圆形面积中所占的比重。

3)确定桩基所采用钢筋的电阻率。

钢筋的电阻率即铁的电阻率：常温下，铁的电阻率：ρ_S＝9.78×10^-8(Ω*m)，钢筋材料通常是铁中含有碳量在0.25％-0.45％的情况，微量的碳对电阻率的影响极小。

4)确定桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比。

设桩基所采用混凝土的湿度为W，强度等级为K，配合比为a。W可由地下变电站选址地块内的混凝土样本取样获得；K为桩基的设计参数，在地下变电站设计阶段均可正常取得，其值按GB500l0-2002《混凝土结构设计规范》规定，由C15至C80不等。配合比通常在设计方对混凝土强度等级要求确定后，由施工方根据要求对混凝土中各种材料的配合比a进行设计，按胶凝材料和骨料对混凝土中的各种材料进行划分，混凝土配合比a可表示为：

a＝w:m1:m2:m3:…mn:a1:a2:a3:…ai(1)

其中w表示每立方米混凝土中水的用量(千克)；

m1-mn表示每立方米混凝土中n种胶凝材料(如水泥、矿粉、粉煤灰)的用量(千克)；

a1-ai表示每立方米混凝土中i种骨料(如砂、石)的用量(千克)；

5)根据桩基所采用混凝土的湿度、标号、配合比计算混凝土电阻率。

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》条文说明中所描述的内容，由混凝土的湿度W，可取得强度等级为C18的混凝土电阻率：

Pc18＝28000/W^2.6(2)

根据复合介质电阻理论，可将电阻率作为复合介质中各种成分的函数。把混凝土作为复合介质处理时，骨料被视为夹杂物，胶凝材料被视为基体。麦克斯韦关于电阻率可以用下式来表达：

$\frac{\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{\mathrm{\ρ}}-1}{\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{\mathrm{\ρ}}+2}=V_a\frac{\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{{\mathrm{\ρ}}_a}-1}{\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{{\mathrm{\ρ}}_a}+2}---\left(3\right)$

式中：

ρ_m——胶凝材料电阻率，Ω*cm；

ρ——混凝土电阻率，Ω*cm；

ρ_a——骨料电阻率，Ω*cm；

V_a——骨料相对体积。

骨料电阻率较大，一般在10³(Ω*cm)以上；胶凝材料电阻率相对较低，一般不大于10(Ω*cm)。因此可将上式简化为下式：

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_m\frac{3-V_m}{2V_m}---\left(4\right)$

式中：

V_m——胶凝材料相对体积，V_m＝1-V_a；

对式(1)中的多种胶凝材料和骨料，可以通过查阅资料获取相应的材料密度：

Pm1,Pm2,Pm3,…Pmn,Pa1,Pa2,Pa3,…Pai

胶凝材料相对体积为：

$V_m=\frac{\frac{m1}{Pm1}+\frac{m2}{Pm2}+\frac{m3}{Pm3}+...+\frac{mn}{Pmn}}{(\frac{m1}{Pm1}+\frac{m2}{Pm2}+\frac{m3}{Pm3}+...+\frac{mn}{Pmn})+(\frac{a1}{Pa1}+\frac{a2}{Pa2}+\frac{a3}{Pa3}+...+\frac{ai}{Pai})}---\left(5\right)$

通过多个强度等级下混凝土配合比设计报告，经统计和拟合后确定强度等级为C18混凝土凝胶材料相对体积为：

V_mc18＝0.08534(6)

联立(1)、(4)、(6)式：

可得强度等级为C18混凝土凝胶材料电阻率为：

${\mathrm{\ρ}}_{mc18}={\mathrm{\ρ}}_{c18}\frac{2V_{mc18}}{3-V_{mc18}}=\frac{28000}{W^{2.6}}\×\frac{2\×0.08534}{3-0.08534}=\frac{1639.541}{W^{2.6}}---\left(7\right)$

胶凝材料在混凝土中占比较小，其电阻率受混凝土配合比影响不大，因此有：

ρ_mc18＝ρ_m(8)

取得步骤1所选取的桩基混凝土强度等级为K，可根据配合比通过(5)式计算得到其凝胶材料相对体积为V_mK，桩基混凝土电阻率为：

${\mathrm{\ρ}}_K={\mathrm{\ρ}}_m\frac{3-V_{mK}}{2V_{mK}}---\left(9\right)$

6)根据桩基截面积、配筋率计算混凝土截面积及钢筋截面积。

设桩基钢筋截面积为S_S，则有：

S_S＝λ·S

桩基中除钢筋以外的部分均为混凝土，设桩基混凝土截面积为S_K，则有：

S_K＝(1-λ)·S

7)模拟桩基接地电阻。

将桩基等效为覆有混凝土2的钢导体1，如图2、3所示。钢导体1为圆柱，截面积为S_S，长度为L，电阻率为ρ_S；混凝土2为包裹于钢导体1外的圆环柱，截面积S_K，为L，电阻率为ρ_K。以此作为模型模拟钢筋混凝土桩基，参与地下变电站接地计算。

在GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中推荐的CDEGS接地计算软件中，可将桩基作为覆有涂层的导体进行模拟，其中涂层和导体的参数分别按照上述过程中的混凝土和钢导体参数进行赋值参与计算。

应用本发明方法模拟的某上海地区500kV地下变电站深为50米的桩基电阻计算结果如图4所示，值为0.461Ω(采用CDEGS接地计算软件)，与GB50057-2010建筑防雷规范4.3节条文说明中所列举的“上海某广场全部采用了柱子钢筋作为防雷引下线，利用钢筋混凝土桩基作为接地极(桩基深达35m)，测定后，接地电阻为0.2Ω/基-1.8Ω/基”。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的特点是：建立钢筋混凝土桩基电阻模型，采用较易获得的钢筋混凝土桩基的形体参数和材料参数对其电阻进行模拟，获取桩基电阻值。利用桩基电阻值，可对桩基与地下变电站接地网连接后的接地电阻等关键数据进行计算和验证，从而使得将桩基作为地下变电站接地网中的一部分接地装置、对地下变电站接地网进行改进和完善成为可能。经过计算，在符合相关规范(例如GB50065-2011交流电气装置的接地设计规范)要求的前提下，利用地下变电站本身的钢筋混凝土装置替代原有变电站接地设计中的部分铜、钢等接地材料，能够有效提高地下变电站接地设计方案的经济性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，包括以下步骤：

S1、选取需要进行计算的地下变电站钢筋混凝土桩基；

S2、确定桩基的长度、截面积、配筋率；

S3、确定桩基所采用钢筋的电阻率；

S4、确定桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比；

S5、根据桩基所采用混凝土的湿度、强度等级、配合比计算混凝土电阻率；

S6、根据桩基截面积、配筋率计算混凝土截面积及钢筋截面积；

S7、模拟桩基接地电阻。

2.根据权利要求1所述的一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中的钢筋混凝土桩基为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中混凝土配合比а可表示为：а＝w:m1:m2:m3:…mn:a1:a2:a3:…ai，其中w表示每立方米混凝土中水的用量(千克)；m1-mn表示每立方米混凝土中n种胶凝材料的用量(千克)；a1-ai表示每立方米混凝土中i种骨料的用量(千克)。

4.根据权利要求1所述的一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：设桩基钢筋截面积为S_S，则有：S_S＝λ·S；桩基中除钢筋以外的部分均为混凝土，设桩基混凝土截面积为S_K，则有：S_K＝(1-λ)·S；其中S为桩基截面积，λ为钢筋截面积在整个桩基横截面圆形面积中所占的比重。

5.根据权利要求1所述的一种地下变电站钢筋混凝土桩基接地电阻的模拟方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：将桩基等效为覆有混凝土(2)的钢导体(1)，钢导体(1)为圆柱，截面积为S_S，长度为L，电阻率为ρ_s；混凝土(2)为包裹于钢导体(1)外的圆环柱，截面积S_K，为L，电阻率为ρ_k；以此作为模型模拟钢筋混凝土桩基，参与地下变电站接地计算。