接地模塊在降低變電站接地電阻中的應用

陸德琳

（浙江省富陽市供電局，浙江 富陽 311400）

變電站接地網對于電力系統的可靠運行和變電站工作人員的人身安全起著重要作用，其接地電阻、跨步電壓與接觸電壓是變電站接地系統的重要技術指標，因此,變電站在投入運行前，接地電阻必須達到設計規范及標準要求，否則變電站將無法正常運行。然而，有些變電站由于受地理條件的限制，不得不建在高土壤電阻率地區，導致這些變電站的接地電阻、跨步電壓與接觸電壓的設計計算值偏高，無法滿足現行標準的要求。在設計施工過程中如何合理確定接地裝置的設計方案，降低接地電阻，這是變電站電氣設計施工的重點之一。如何降低電力系統接地裝置的接地電阻，長期以來一直是電力系統關心的重要問題之一。接地模塊接地技術是近年發展起來的降低接地裝置接地電阻的新技術，通過安裝接地模塊，起到改善很大范圍的土壤導電性能的目的，相當于大范圍的土壤改性。本文就以富陽110kV新桐變電站為例，分析其接地系統設計過程，并給出了理論計算與實測結果。

1 接地模塊降低接地電阻的原理

1.1 接地模塊原理

接地模塊是以導電非金屬材料為主的接地體，它由導電性、穩定性好的非金屬材料、電解質、保濕吸濕劑和防腐金屬電極芯組成。模塊埋入土壤中后，與土壤緊密接觸，大幅度地擴大了接地體的散流面積，有效地降低了接地電阻。模塊特有的保濕、吸濕性，使其周圍附近的土壤保持較低的電阻率，進一步改善了接地體的導電性能。接地模塊通常采用壓鑄法成型，使低電阻非金屬材料與防腐金屬電極形成緊密穩固的接觸，擴大了金屬電極的導電面積，由于非金屬材料的自由電子擴散作用，在模塊周圍形成一個穩固的低電阻區域，達到了非常好的降阻效果，改善了接地模塊（接地體）附近土壤電阻率，減少了接觸電阻，實現了對接地體的良好降阻效果。

1.2 接地模塊性能特點

1）由于接地模塊內置防腐金屬電極、周圍密實包裹著物理化學性質穩定的低電阻導電材料，保證了接地模塊的導電性不受季節影響。

2）具有吸濕、保濕特性，接地模塊電阻低且能保持長期穩定。

3）在高土壤電阻率地區，能有效降低地網接地電阻。

4）經多次大電流沖擊后，阻值不增大，無變硬、發脆、斷裂等現象發生。

5）耐腐蝕、無毒害、對環境無污染，使用壽命長，大于30年。

2 接地模塊在降低接地電阻中的應用

對于高土壤電阻率變電站的接地系統，由于其復雜的地質，若使用單一接地裝置來降低接地電阻，會造成預算增大、無接地施工空間等矛盾。根據施工現場土壤電阻率、可供施工面積、不同地形、投資額度等因素合理選擇使用接地裝置，是目前變電站接地設計常使用的方案。這樣即可保障線路、設備的正常運行，又可以避免接地裝置工程投資過高情況的發生。

110kV富陽新桐變電站位于富陽市礦山工業開發區內，占地59m×57m，地質以塊石填土、粘土為主，綜合考慮，土壤電阻率約為600Ω·m。該站地質條件復雜、土壤電阻率較高及施工現場較為狹窄，其工頻接地電阻的設計要求為小于0.5?。

2.1 增大接地面積方案

變電站常規接地網一般采用熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體、2.5m的圓鋼或者角鋼作為垂直接地體的綜合接地，根據發、變電站接地網工頻接地電阻的經驗公式可得知，在土壤電阻率不變的情況下，面積越大，接地電阻值就越小；但由于該變電站占地面積較小，更沒有擴大接地面積的可能，因此采用此種接地方式無法滿足設計要求，且難以施工，故未予采納。

2.2 深井接地方案

深井方案由于在站內處理不會涉及政策處理問題，是最先考慮方案，但由于所內10m以下為風化凝灰巖，土壤電阻率較高，即使土壤電阻率按600Ω·m計算，150m深井的接地電阻約為9?，不考慮屏蔽效應，20口150m的深井理論才能降至0.5?，但由于變電站面積較小，較多的深井施工無法實施，產生的屏蔽效應也會很強，且 150m的深井施工產生的費用無法估量，故未予采納。

2.3 外引接地方案

對予面積較小，地質復雜的變電站，外引接地是一很好的選擇，可利用其較大的面積、較低的土壤電阻率降低電阻。但外引接地也同時存在較大問題，涉及征地、管理、安全等問題。如浙江省220kV某變電站外引接地至江河中，由于管理不便，存在被偷盜，挖沙船破壞現象，致使接地網不能很好的起到降低接地電阻的作用；以及部分變電站外引接地至耕地，管理不便以致被偷盜，蓋房挖斷等，接地網嚴重破壞。110kV富陽新桐變電站位于開發區交通要道邊，附近又無可利用土地，故不予采納。

2.4 局部換土方案

用局部換土的方式來降低高土壤電阻率地區接地電阻，是提高接地效果的有力措施。一般可就近取水塘、稻田泥土或特別低土壤電阻率礦物質土壤，置換范圍在接地體周圍 0.5m以內和接地體的 1/3處。但根據此站的地理位置，這種取土置換方法對人力和工時耗費都較大，綜合費用較高，降阻效果很難達到要求，故不予采納。

2.5 綜合降阻方案

經過對現場情況、地質報告、地勘報告的分析研究，采取了接地模塊、離子接地極等新型接地材料的綜合降阻方案。也是目前常用的降阻方案，具體為：該站依然采用常規接地網，輔以接地模塊做垂直接地體，離子接地極做接地深井，每個深井回填接地高效回填料，垂直接地體接地模塊和水平接地體在回填時采用土壤電阻率較低的土進行回填，確保降阻效果。具體施工方法見圖1。

圖1 富陽110kV新桐變電站接地網設計示意圖

3 降阻的理論計算

本站采用-60mm×8mm的熱鍍鋅扁鋼1600m做水平接地網，間隔約為 5m，埋設深度為 0.8m；用500mm×400mm×50mm的接地模塊做垂直接地體，數量228個點（256塊），用φ55，L=3m的離子接地極做接地深井，深10m，每個深井回填150kg接地高效回填料。垂直接地體接地模塊和水平接地體在回填時采用土壤電阻率小于100Ω·m的粘土回填，確保接地體與大地接觸電阻達到最小。

3.1 計算條件

1）土壤電阻率 ρ=600?·m。

2）地網面積S=3363m2。

3）水平接地體L=1600m。

4）深井接地體L=10m，共12個。

5）垂直接地體接地模塊n=256塊。

3.2 接地電阻計算

1）水平地網工頻接地電阻Rs的計算：

2）垂直接地體接地模塊降低接地電阻的計算：

垂直接地體接地模塊敷設換土回填對周圍土壤環境的影響系數為：γ2=0.9（實驗所得）

Rm=0.160ρ2=86.4Ω（單塊接地模塊的接地電阻）

Rz= Rm/nμa=0.701Ω＞Ry（接地模塊并聯后的接地電阻）

其中，ρ2為土壤電阻率，取 540Ω·m；n為接地模塊點數量，取228；μ為屏蔽系數,取0.6；a為雙接地模塊利用系數,取0.9。

3）垂直接地體（離子接地極）接地深井降低接地電阻的計算：

垂直接地體深井接地極敷設離子緩釋劑對周圍土壤環境的影響系數為：γ3=0.38（實驗所得）ρ3=ργ3=228Ω·m

單根深井接地極的計算

式（1）中，Rs為單根深井接地極接地電阻（?）；ρ3為土壤電阻率（?·m）；L為接地極長度（m）；D為灌外回填土的等效垂直接地體直徑，取0.152m；K為降阻系數。

當ρ≤50?·m K取 5

50≤ρ＜100?·m K 取 10

100≤ρ＜500?·m K 取 15

500≤ρ＜1000?·m K 取 20

ρ≥1000?·m K 取 25

當多根深井接地極組成接地系統：

式（2）中，Rc為單根深井接地極接地電阻（?）；n為深井接地極數量（根）， 取12；η為利用系數，取0.56；Rn為n根深井接地極的接地電阻（?）。

4）變電站工頻接地電阻：Rq=1/（1/ Rω+1/Rz+1/Rn）=0.419Ω＜Ry此理論值完全符合接地設計要求小于0.5Ω。

4 實測結果

110kV富陽新桐變接地網施工結束后，富陽市供電局變電檢修工區采用大型接地網接地電阻測試儀對接地電阻進行了實測，具體測試以變電站東西側扁鋼作為基準點，向遠離變電站方向測試：即東南、東北、西南、西北四點。測試結果為：東南方向0.48Ω；東北方向0.45Ω；西南方向0.46Ω；西北方向0.45Ω。

該測試結果達到了設計要求的目標值：接地電阻＜0.5?的要求。由于新桐變的復雜地質條件導致該實測數據與理論計算值有一定的偏差，但該值完全滿足設計的要求，接地網總費用控制在預算額度以內，滿足運行單位要求。該工程的實測值也說明了接地模塊對高土壤電阻率地區變電站降低接地電阻值具有明顯的效果，且成本較低，材料容易。由于事先綜合考慮了土壤電阻率、施工地點、施工條件等因素，減少了施工的隨機性和盲目性，降低工程成本，提高經濟效益。同時，接地模塊是深埋在土壤中的固體，不會因雨水流失而影響它的降阻效果，接地電阻值基本上是較穩定的且不存在對土質的污染的問題。

5 結論

變電站接地網的設計應結合實際情況進行, 接地裝置能否發揮它應起的作用，關鍵在于設計和施工運行這兩個環節。首先是設計，它是保證接地裝置效果的前提條件；其次是施工運行維護，施工的工藝和質量是保證接地裝置效果的基礎，是體現設計目的的手段，而維護是后期地保養及使用期限的延長。因而在高土壤電阻率地區的變電站設計與建設中，必須注重優化設計與綜合治理，以充分提高地網建設地經濟性與安全運行地可靠性，同時降阻效率高、抗腐蝕性好、成份穩定、價格低廉地新型降阻材料亦將成為接地網降阻研究的主流。

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