CN115864017B - 一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法和装置 - Google Patents
一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法和装置，所述方法包括：采用导电混凝土预制装配式预制基础并预留短接地体作为杆塔基础；将杆塔基础及杆塔基础内的钢筋做自然接地；将杆塔基础通过预留短接地体搭配垂直接地体进行组合接地。本发明综合运用导电混凝土接地技术、自然接地技术、垂直接地技术，利用杆塔基础内钢筋作为接地装置的一部分，并外敷导电混凝土，进一步降低杆塔基础自然接地电阻的阻值，同时，搭配垂直接地体与杆塔基础组合接地，进一步增强组合接地装置的散流作用。
Description
技术领域
本发明属于杆塔技术领域，涉及一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法和装置。
背景技术
杆塔接地装置是输电线路最基本的防雷设施，限制杆塔接地装置的接地电阻是降低塔顶过电压，预防绝缘子因反击造成沿面闪络的关键。由于架空输电线路杆塔跨越不同的地形、地貌及地质区域，土壤电阻率不同，无法采用统一的杆塔接地降阻策略。以青海省为例，青海从总体上讲由东向西土壤电阻率为增高的趋势，境内山地占地面积大，山区多由石英砂岩，圆砾和片麻花岗岩构成，山区土壤电阻普遍在1000Ω·m以上，随着青海电网逐步向西部发展，高土壤电阻率地区的接地问题愈加突出。
高土壤电阻率地区的杆塔接地方式包括：外延水平接地体降阻、垂直接地降阻和辅助降阻材料降阻，特殊地区采用换土、引外接地等方式。但是由于受地理条件的限制，扩大接地网面积和敷设引外接地网等将接地网向水平方向扩展的降阻方法往往难以实现，并且有些山区接地采用外延接地体，接地体被雨水冲刷出来，没有起到接地的效果；有些地区植被较脆弱，采用外延水平接地体降阻，扩大开挖范围，破坏植被，植被恢复投入成本高，且不易恢复；有些地区由于特殊原因不易水平开挖，接地体埋深未达到设计要求值，为输电线路防雷埋下隐患。
鉴于上述原因，考虑杆塔接地电阻的冲击特性，需要研究利用杆塔基础和垂直接地体的组合接地方式，来实现降低杆塔接地电阻的效果，尽量降低水平接地体的范围。由此工程中出现了采用垂直接地极来降低接地网接地电阻的方法，将接地网向纵深方向扩展，使入地短路电流通过垂直接地极流向大地深处。然而在以往的接地设计中，由于对垂直接地极的应用缺乏深入的研究，垂直接地极往往遍布整个接地网，数量众多而长度较短，结果不仅没有起到理想的降阻效果而且造成浪费。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法和装置，在高土壤电阻率地区，可大程度的降低外延水平接地极的范围，保护植被。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，包括以下步骤：
S1：采用导电混凝土预制装配式预制基础并预留短接地体作为杆塔基础；
S2：将杆塔基础及杆塔基础内的钢筋做自然接地；
S3：将杆塔基础通过预留短接地体搭配垂直接地体进行组合接地。
优选地，所述S1在预制装配式预制基础时，在其配件内布置钢筋，且应用螺栓连接使各配件内钢筋构成电气连接；
在预制装配式预制基础底座时，在四角预留与底座内水平接地网四角相连的短接地体。
优选地，所述S1采用添加碳纤维、钢纤维、石墨的复合三相导电混凝土预制装配式预制基础，其中，掺质量比为：碳纤维0.2％、钢纤维0.9％、石墨3.3％。
优选地，所述S3中，将预留的短接地体与垂直接地体通过焊接或机械结构连接。
优选地，所述S3中，在杆塔根开大于预设值的情况下，每个杆塔基础分别连接四根垂直接地体；
在杆塔根开小于或等于预设值的情况下，仅保留其外围的每个杆塔基础的三根垂直接地体。
优选地，所述垂直接地体的长度为10m及以上。
优选地，所述方法还包括：S4：对垂直接地体搭配杆塔基础进行组合接地的基础作用力和降阻效果进行分析验证。
优选地，所述基础作用力包括上拔力、基础底面压力、地基承载力，其计算公式分别为：
fa＝Mbγb+Mdγsh+Mcc (3)
式(1)为上拔力稳定公式；
式中，TE为上拔力；
γE丶γS和γθ1分别为承载系数、加权重度系数和坡角影响系数；
Vt丶ΔVt和V0分别为埋深下基础和土的体积、基础体积和相邻土体积；
γf为基础附加系数，Gf为基础重量；
式(2)为基础底面压力公式；
式中P为基础底面压力；
N为下压力，A为底面面积；
γG为永久荷载分布系数；
G为基础自重与基础上方土的重量；
式(3)为地基承载力公式；
式中fa为地基承载力，b为底面宽度，h为埋深，c为土壤凝聚力；
Mb、Md和Mc为土壤摩擦角系数。
优选地，所述降阻效果计算公式为：
式(4)为接地电阻的计算公式；
式中R为接地电阻值，ρ为等效平均土壤电阻率，ε为介电系数，L为杆塔基础的高度，r为基础立柱的半径，h为埋深。
一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化装置，所述装置采用所述的高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法制备，具体包括：杆塔基础和垂直接地体；
所述杆塔基础采用装配式预制基础，且基础材料采用导电混凝土，杆塔接地电流自杆塔基础流入，杆塔基础及杆塔基础内的钢筋自然接地；
所述垂直接地体通过预留短接地体搭配所述杆塔基础进行组合接地。
优选地，所述装配式预制基础，其整体形状为台阶式基础，采用主柱末端预制棱台结构，底座预制一二级预制凹槽，构件之间形成凹凸卡扣，且构件之间进一步利用螺栓进行固定连接；
所述装配式预制基础的底座内布置钢筋网以实现自然接地。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
本发明综合运用导电混凝土接地技术、自然接地技术、垂直接地技术，利用杆塔基础内钢筋作为接地装置的一部分，并外敷导电混凝土，进一步降低杆塔基础自然接地电阻的阻值，同时，搭配垂直接地体与杆塔基础组合接地，进一步增强组合接地装置的散流作用。
1、本发明利用预制杆塔基础内钢筋作为接地装置的一部分并外敷导电混凝土，降低杆塔基础自然接地电阻的阻值，相比传统的浇筑工艺，基于预制技术的导电混凝土杆塔结构具有稳定性好、承载能力高、沉降量小而均匀、便于机械施工，适应性强等优点，能够有效缩短施工周期，提升工程建设效率；
2、垂直接地体能够很好的均衡地表电位，并且在一定程度上能够降低接地电阻值；使用垂直接地体可利用深层潮湿的低电阻率来降低杆塔接地电阻的同时，还不会增加杆塔接地的占地总面积，具有较好的应用前景，本发明将垂直接地体与杆塔基础组合接地，进一步增强组合接地装置的散流作用。
附图说明
图1为发明方法流程图；
图2为装配式预制基础的结构示意图；
图3为110KV常规水平接地模型图；
图4为台阶式预制基础装配图；
图5为装配式预制基础组合接地模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述方法包括以下步骤S1-S3：
S1：采用导电混凝土预制装配式预制基础并预留短接地体作为杆塔基础，其目的为：
(1)装配式预制基础相比传统灌浇基础，其配件内仍布置钢筋；
(2)装配式预制基础通常应用螺栓连接，其各配件间可形成有效的电气连接；
(3)装配式预制基础可根据现场施工需要，灵活的选择垂直接地位置。
导电混凝土相比普通混凝土，其内配置了少量碳纤维或石墨，在维持原有力学要求的基础上增强了混凝土的导电性，降低了混凝土的电阻率。
(1)基础材料采用导电混凝土，相当于增大钢筋直径，提升散流作用；
(2)充分利用基础自然接地体的接地效果，将基础作为整体接地装置中的一部分。
进一步优选地，在预制装配式预制基础时，在其配件内布置钢筋，且应用螺栓连接使各配件内钢筋构成电气连接；
在预制装配式预制基础底座时，在四角预留与底座内水平接地网四角相连的短接地体。
采用添加碳纤维、钢纤维、石墨的复合三相导电混凝土预制装配式预制基础，其中，掺质量比为：碳纤维0.2％、钢纤维0.9％、石墨3.3％。
S2：将杆塔基础及杆塔基础内的钢筋做自然接地；
S3：将杆塔基础通过预留短接地体搭配垂直接地体进行组合接地，其目的为：
(1)垂直接地体可利用深层潮湿的低电阻率来降低杆塔接地电阻的同时，不会增加杆塔接地的占地总面积；
(2)应用垂直接地体，可将接地网向纵深方向扩展，使入地短路电流通过垂直接地极流向大地深处，有效的降低接地电阻。
进一步优选地，将预留的短接地体与垂直接地体通过焊接或机械结构连接；
三根垂直接地体的降阻效果与四根的情况相比虽然差一点，但是相差几乎不大。考虑屏蔽作用(随着垂直接地极数量的增多，间距的减小，接地电阻虽然在减小，但变化不大)在根开小，四个基础距离较近的情况下，可以考虑去掉四个基础排布好的四个内部角处的垂直接地极：
在杆塔根开大于预设值的情况下，每个杆塔基础分别连接四根垂直接地体；
在杆塔根开小于或等于预设值的情况下，仅保留其外围的每个杆塔基础的三根垂直接地体。
所述垂直接地体的长度为10m及以上。
本发明将预制技术应用于杆塔基础设计，用导电水泥代替普通水泥作为基础材料方法，并且用得到杆塔基础与垂直接地技术组合起来接地。
其中，将预制技术应用于杆塔基础设计，可增强稳定性，提高承载能力，解决传统工艺对生态环境的有害影响，大大减少在时间和金钱上的投入。
而垂直接地体能够很好的均衡地表电位，并且在一定程度上能够降低接地电阻值。使用垂直接地体可利用深层潮湿的低电阻率来降低杆塔接地电阻的同时，还不会增加杆塔接地的占地总面积，具有较好的应用前景。
进一步优选地，所述方法还包括：
S4：对垂直接地体搭配杆塔基础进行组合接地的基础作用力和降阻效果进行分析验证。
1)所述基础作用力包括上拔力、基础底面压力、地基承载力，其计算公式分别为：
fa＝Mbγb+Mdγsh+Mcc (3)
式(1)为上拔力稳定公式；
式中，TE为上拔力；
γE、γS和γθ1分别为承载系数、加权重度系数和坡角影响系数(均与土壤类别参数有关)；
Vt丶ΔVt和V0分别为埋深下基础和土的体积丶基础体积和相邻土体积；
γf为基础附加系数，Gf为基础重量；
式(2)为基础底面压力公式；
式中P为基础底面压力；N为下压力，A为底面面积，γG为永久荷载分布系数G为基础自重与基础上方土的重量；
式(3)为地基承载力公式；
式中fa为地基承载力，b底面宽度，h为埋深，c为土壤凝聚力；
Mb丶Md和Mc为土壤摩擦角系数。
2)所述降阻效果计算公式为：
式(4)为接地电阻的计算公式；
式中R为接地电阻值，ρ为等效平均土壤电阻率，ε为介电系数，L为装置的高度，r为基础立柱的半径，h为装置埋深。
本发明的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化装置，采用本发明所述的高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法制备，具体包括：杆塔基础和垂直接地体；
所述杆塔基础采用装配式预制基础，且基础材料采用导电混凝土，杆塔接地电流自杆塔基础流入，杆塔基础及杆塔基础内的钢筋自然接地；
所述垂直接地体通过预留短接地体搭配所述杆塔基础进行组合接地。
进一步优选地，如图2所示，所述装配式预制基础，其整体形状为台阶式基础，采用主柱末端预制棱台结构，底座预制一二级预制凹槽，且构件之间进一步利用螺栓进行固定连接；
所述装配式预制基础的底座内布置钢筋网，充分利用基础内钢筋，发挥其自然接地效果。
实施例
为进一步的说明本方法的发明目的、特征及优点，下面将以110kV杆塔接地作为实施例进行仿真，于CDEGS中建立基于本发明方法的一体化装置的接地模型。
如图3所示为110kV杆塔常见水平接地模型，其水平接地体长度为：75m，搭配基础为台阶式基础，土壤电阻率1200Ω·m。下述情况一、二均采用该模型进行计算。
如图4所示为实施本发明采用的110kV杆塔台阶式装配式预制基础的装配图，基础底座、台阶、主柱内配置筋网，配件间由螺栓连接。
下述情况一、二使用图3和图4的模型进行计算。
同时，情况二采用如图5所示为CDEGS中按照本发明一体化方法S1-S3建立的一体化装置的接地模型，模型中钢筋按实际筋网配置，土体模型采用分块土壤，调整电阻率模拟导电混凝土。基础底部筋网配置一根垂直接地体，长度为10m；
结合环境参量，根据S4的公式(1)-(3)计算得到杆塔基础的作用力情况，用于尺寸设计时初步校验，校验合格后再进行有限元仿真，从而基础各部分应力及工作条件下产生的变形，根据公式(4)得到接地电阻，从而实现对垂直接地体搭配杆塔基础进行组合接地的基础作用力和降阻效果的分析验证。
具体的，降阻效果的分析验证如下：
设实施例中杆塔处土壤电阻率ρ＝1200Ω·m。
情况一：传统方式：水平接地极的放射长度足够：
接地体使用φ16的圆钢，埋深h＝2.9m。
取单根射线长度L1＝75m，L2＝15m，取形状系B＝1.76，计算接地装置的工频接地电阻为：
情况二：本发明方式：使用垂直接地装置：
若在同样的条件下使用垂直接地装置，则使用φ20圆钢做装置的边框和横向接地棒，φ10的圆钢在侧面做成25cm×25cm的网状结构。
设计接地装置的L＝3m，a＝4m，h＝2.9m。
在四个塔腿做相同的四个接地装置，考虑到装置之间的屏蔽效果，取屏蔽系数＝1.2，则将边长为a的正方形等效为面积相等的半径为0.64a的圆形，即将公式(4)中的r取0.04a，得到整个杆塔的接地电阻为：
由上述计算可以看出该垂直接地方式比水平接地极足够长的情况下接地电阻还要小，并且垂直接地覆盖的范围很小且具有环保的特性，加上导电水泥的降阻效果，在高土壤电阻率地区会有很好的降阻效果。
基础作用力仿真分析如下：
(1)上拔力187kN作用下预制基础力学性能仿真分析结果：
装配式预制基础在187kN上拔力作用下，最大应力集中在主柱的直柱部分与棱台部分的四个交接点处，最大应力为1.022MPa，最大位移集中在主柱上端，最大位移值为0.03389mm。
根据仿真结果可知，预制基础在受187kN上拔力情况下，预制基础整体受力情况良好，未发生明显形变。
(2)下压力233kN作用下预制基础力学性能仿真分析结果：
装配式预制基础在233kN下压力作用下，最大应力集中在主柱的直柱部分与棱台部分的四个交接点处，最大应力为1.281MPa，最大位移集中在主柱上端，最大位移值为0.04226mm。根据仿真结果可知，预制基础在受233kN下压力情况下，预制基础整体受力情况良好，未发生明显形变。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
本发明综合运用导电混凝土接地技术、自然接地技术、垂直接地技术，利用杆塔基础内钢筋作为接地装置的一部分，并外敷导电混凝土，进一步降低杆塔基础自然接地电阻的阻值，同时，搭配垂直接地体与杆塔基础组合接地，进一步增强组合接地装置的散流作用。
1、本发明利用预制杆塔基础内钢筋作为接地装置的一部分并外敷导电混凝土，降低杆塔基础自然接地电阻的阻值，相比传统的浇筑工艺，基于预制技术的导电混凝土杆塔结构具有稳定性好、承载能力高、沉降量小而均匀、便于机械施工，适应性强等优点，能够有效缩短施工周期，提升工程建设效率；
2、垂直接地体能够很好的均衡地表电位，并且在一定程度上能够降低接地电阻值；使用垂直接地体可利用深层潮湿的低电阻率来降低杆塔接地电阻的同时，还不会增加杆塔接地的占地总面积，具有较好的应用前景，本发明将垂直接地体与杆塔基础组合接地，进一步增强组合接地装置的散流作用。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1：采用导电混凝土预制装配式预制基础并预留短接地体作为杆塔基础；
S2：将杆塔基础及杆塔基础内的钢筋做自然接地；
S3：将杆塔基础通过预留短接地体搭配垂直接地体进行组合接地；
S4：对垂直接地体搭配杆塔基础进行组合接地的基础作用力和降阻效果进行分析验证；
所述基础作用力包括上拔力、基础底面压力、地基承载力，其计算公式分别为：
fa＝Mbγb+Mdγsh+Mcc(3)
式(1)为上拔力稳定公式；
式中，TE为上拔力；
γE丶γS和γθ1分别为承载系数、加权重度系数和坡角影响系数；
Vt丶ΔVt和V0分别为埋深下基础和土的体积、基础体积和相邻土体积；
γf为基础附加系数，Gf为基础重量；
式(2)为基础底面压力公式；
式中P为基础底面压力；
N为下压力，A为底面面积；
γG为永久荷载分布系数；
G为基础自重与基础上方土的重量；
式(3)为地基承载力公式；
式中fa为地基承载力，b为底面宽度，h为埋深，c为土壤凝聚力；
Mb、Md和Mc为土壤摩擦角系数；
所述降阻效果计算公式为：
式(4)为接地电阻的计算公式；
式中R为接地电阻值，ρ为等效平均土壤电阻率，ε为介电系数，L为杆塔基础的高度，r为基础立柱的半径，h为埋深。
2.根据权利要求1所述的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，其特征在于：
所述S1在预制装配式预制基础时，在其配件内布置钢筋，且应用螺栓连接使各配件内钢筋构成电气连接；
在预制装配式预制基础底座时，在四角预留与底座内水平接地网四角相连的短接地体。
3.根据权利要求1所述的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，其特征在于：
所述S1采用添加碳纤维、钢纤维、石墨的复合三相导电混凝土预制装配式预制基础，其中，掺质量比为：碳纤维0.2％、钢纤维0.9％、石墨3.3％。
4.根据权利要求1所述的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，其特征在于：
所述S3中，将预留的短接地体与垂直接地体通过焊接或机械结构连接。
5.根据权利要求1所述的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，其特征在于：
所述S3中，在杆塔根开大于预设值的情况下，每个杆塔基础分别连接四根垂直接地体；
在杆塔根开小于或等于预设值的情况下，仅保留其外围的每个杆塔基础的三根垂直接地体。
6.根据权利要求1所述的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法，其特征在于：
所述垂直接地体的长度为10m及以上。
7.一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化装置，其特征在于：
所述装置采用权利要求1-6任意一项所述的高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化方法制备，具体包括：杆塔基础和垂直接地体；
所述杆塔基础采用装配式预制基础，且基础材料采用导电混凝土，杆塔接地电流自杆塔基础流入，杆塔基础及杆塔基础内的钢筋自然接地；
所述垂直接地体通过预留短接地体搭配所述杆塔基础进行组合接地。
8.根据权利要求7所述的一种高土壤电阻率地区预制杆塔基础与垂直接地体的一体化装置，其特征在于：
所述装配式预制基础，其整体形状为台阶式基础，采用主柱末端预制棱台结构，底座预制一二级预制凹槽，构件之间形成凹凸卡扣，且构件之间进一步利用螺栓进行固定连接；
所述装配式预制基础的底座内布置钢筋网以实现自然接地。
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