灌注桩基础自然接地设计的应用分析

摘要∶本文主要探讨了灌注桩基础自然接地在架空送电线路设计中的实际应用。

关键词∶灌注桩基础;自然接地;雷电流

Abstract: This paper mainly discusses the pile foundation of natural ground in overhead power line design in practical application.

Key words: pile foundation; natural grounding; lightning current

中图分类号：TU473.1+4 文献标识码：A 文章编号：

1 架空线路杆塔接地装置的作用

架空线路杆塔接地装置的主要作用是，能迅速将雷电流在大地中扩散泄导，以保持线路有一定的耐雷水平。杆塔接地电阻值愈小，其耐雷水平就愈高，所以降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平、减少线路雷击跳闸的主要措施。笔者认为，由于灌注桩基础的主筋和纵向箍筋相互焊接成一个整体，形成一个庞大的等电位体法拉第笼，这个法拉第笼的接地电阻往往很小，完全可以作为杆塔的自然接地体来利用。

2利用自然接地的理论根据

根据有关规程规定，完全可以利用灌注桩基础的钢筋笼作为自然接地体，当自然接地体满足规程规定时，完全可以不敷设人工接地装置。

2.1根据《110～750kV架空输电线路设计规范》

根据《110～750kV架空输电线路设计规范》GB 50545-2010第7.0.16条的规定，土壤电阻率较低的地区，如杆塔的自然接地电阻不大于表1所列数值，可不装人工接地体。

表1有地线的线路杆塔的工频接地电阻

土壤电阻率变化范围很大，通常从小到十几欧米，大到上万欧米。至于什么地区才算是土壤电阻率较低的地区，笔者认为这只是一个相对数，佛山市除北部三水区和西部高明区外，其它大部分地区属于三角洲冲积平原，地下水较丰富，松散状软塑淤泥质土较厚，这些地区，就算干燥季节，其土壤电阻率也往往在100Ω·m以下，所以这些地区应当算是土壤电阻率较低的地区。

另外，《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T 620-1997第6.1.7条也规定，钢筋混凝土杆和铁塔应充分利用其自然接地作用，在土壤电阻率不超过100Ω·m或有运行经验的地区，可不另设人工接地装置。

2.2根据《交流电气装置的接地》

根据《交流电气装置的接地》DL/T 621-1997第3.1条的规定，电力系统中电气装置、设施的某些可导电部分应接地。接地装置应充分利用自然接地极接地，但应校验自然接地极的热稳定。

第6.3.1条规定，高压架空线路杆塔的接地装置，在土壤电阻率ρ≤100Ω·m的潮湿地区，可利用铁塔和钢筋混凝土杆自然接地。在居民区，当自然接地电阻符合要求时，可不设人工接地装置。

第7.2.7条规定，土壤电阻率在200Ω·m及以下地区的铁横担钢筋混凝土杆线路，可不另设人工接地装置。

另外，《电力设备接地设计技术规程》也有相同的条文。

以上的规定可理解为，只要灌注桩基础的自然接地极满足热稳定要求，对于土壤电阻率较低的地区，可以不另外敷设人工接地装置。

2.3其它行业接地规定

地铁、工业与民用建筑等亦涉及到接地问题，且这些接地设施更直接地关系到人们的生命安全，所以应比电力设施的接地要求更为苛刻。而查阅《地铁设计规范》、《城市轨道交通设计规范》和《工业与民用电力装置的接地设计规范》等规范，无一例外地主张充分利用自然接地，且在自然接地体满足要求时，亦可不装设人工接地装置。

3自然接地的热稳定验算

3.1雷电流的热效应

在架空线路杆塔遭受雷击时，极大的雷电流将使导体温度迅速升高，称之为雷电流的热效应。文献[1]指出，钢筋流过大电流，因发热而温度升高，能使水泥和钢筋的结合力显著减小。钢筋温度达到350～400℃时，结合力将全部破坏，并使混凝土保护层产生横向和纵向裂纹。因此，钢筋的温度不应大于100℃。

为此，必须验算，当采用灌注桩基础的钢筋笼作为自然接地体时，钢筋截面是否满足热效应的要求。根据文献[1]，热效应的钢筋截面A，可按公式（1）计算。

（1）

式中：A——钢筋总面积，mm2；

Ik——接地短路电流，kA；

T——短路时间，s；

P——钢筋20℃电阻系数，0.145，（Ω·mm2）/m；

C——钢筋比热，取0.5W·s/g℃；

r——钢筋密度，取7.85g/cm3；

——温升，≤60℃；

k1——集肤效应系数，取1.05；

k2——钢电阻温度系数。

由公式（1），当雷电流108kA、持续时间为0.62s时（根据文献[9]，大于108kA的雷电流仅占10%，一次雷电放电的总持续时间大于0.62s的仅占5%，所以这样取值能够包含90%以上的情况），验算钢筋的温度不大于60℃时对应的钢筋截面积为2371mm2。 相当于8根Φ20的圆钢，如果分配至铁塔的四个灌注桩上去的话，那么仅需要2根Φ20的圆钢就足够了，而灌注桩基础的主筋截面都超过该数值。但是，对于整个基础混凝土内的通流通道来说，钢筋截面最薄弱处为地脚螺栓与基础主筋之间的连接筋，所以设计接地连接筋时应满足这点要求。换言之，对于钢管杆灌注桩基础，接地连接筋应不少于8根Φ20的圆钢或总截面不小于2371mm2；对于四腿灌注桩基础，每腿接地连接筋应不少于2根Φ20的圆钢或总截面不小于593mm2。

值得一提的是，由于架空地线~杆塔系统的阻抗(电阻)小于杆塔的接地阻抗，因此，在雷电流泄放时，架空地线可以分担一部分雷电流。所以以上计算结果偏于安全。

从以上分析可知，由于雷电流波形是一瞬态波，冲击电流持续时间很短，在接地电阻较小的情况下，接地体钢筋的温升是有限的。所以，只要灌注桩基础主筋和接地连接筋满足上述要求，那么，雷电流导致基础混凝土结合力的破坏的可能性几乎为零。

验算结论为：目前的灌注桩基础设计满足雷电流的热效应要求。

3.2雷电流的冲击效应

雷电流的冲击效应是由于雷击于树木或建筑物构件时，被击物体内部瞬时产生大量的热量，使内部水分瞬间蒸发并膨胀，产生巨大的内压力而爆炸，曾有记载雷电劈开百年大树和将钢筋混凝土击出一个大洞的现象。那么，雷电流流过灌注桩基础时，其冲击效应会不会将混凝土击碎呢？根据文献[1]，只要钢筋与混凝土接触面的电流密度满足热稳定要求，就不会产生火花，不会将混凝土击碎。混凝土的热稳定的最大允许电流密度Jy，可按公式（2）计算。

（2）

式中：Jy——最大允许电流密度，A；

γ——1.5×106J/(m3·℃)；

τm——稳定温升，℃；

ρ——接地电阻率，Ω·m；

t ——短路时间，s。

根据公式（2），当稳定温升60℃、混凝土接地电阻率100Ω·m、短路时间为0.62s时，Jy为1205A/m2，即0.1205 A/mm2。文献[1]指出，根据模型试验结果，潮湿状态的混凝土，电流密度的极限值为4.2~15.7 A/mm2，同时，雷电流流过混凝土时，无累积的破坏效应。根据上述计算结果，雷电流流过基础混凝土时钢筋与混凝土接触面的电流密度满足要求。

验算结论为：目前的灌注桩基础设计满足雷电流的冲击效应要求。

4利用铁塔自然接地的工程实例

已建成投运的220kV湛江霞山站至东山岛站过海线路。 2 已建成投运的深圳前湾电厂至平安站220kV送电线路。 3 广州电力设计新设计的110kV振兴线、110kV公益线和110kV石马线。这些线路均未设置人工接地装置，工程由于充分利用灌注桩基础自然接地，节省了资金，也省去了运行部分对人工接地装置的运行维护工作，节省了人力物力。对于规划区、水田河网区、海底腐蚀严重区，敷设、运行维护接地网都存在较大的困难和较高的费用，所以，充分利用灌注桩基础自然接地，具有重要意义。

5结论

(1)利用灌注桩基础的钢筋笼作为自然接地体，是有理论根据的，实践证明也是切实可行的。在新建和大修、技改工程中，应充分利用灌注桩基础的钢筋笼作为自然接地体，且在测量自然接地电阻满足规程规定时，可以取消人工接地装置。这个不仅可以降低工程造价，还可以减化施工程序，无疑对电力建设是非常有利的。

(2)当灌注桩基础钢筋截面和接地连接筋截面超过2371mm2时，雷电流不会引起基础混凝土产生裂纹，不会破坏基础混凝土。根据计算，雷电流108kA、时间0.62s、钢筋为8根Φ20mm圆钢时，温升才达到60℃左右，普通的灌注桩基础完全满足要求。

(3)由于灌注桩基础是深埋基础，其接地电阻率在很大程度上取决于深层土壤湿度，所以受季节的影响较小，因而接地电阻很稳定。