110kV坦嶺變電站接地網降阻改造

鄭萬 歐陽力 劉鄭哲 厲軍

（衡陽電業局，湖南 衡陽 421008）

110kV坦嶺變電站位于湖南南部丘陵地帶，畔山坡而建，變電站坐落地區土壤以紫色土為主，土層淺薄，土層地質結構較為復雜，原主地網面積4053m2，接地網以不等格水平接地體為主，埋深800mm，外圈網格交叉點輔以2500mm垂直接地體。變電站地網設計值為1.2Ω，2008年9月投產時測試值為2.8 Ω，大大超過設計標準，因該變電站投產供電壓力大，在對變電站操作道進行技術處理后，跨步電勢和接觸電勢達到安全要求及投入運行。但該變電站地處南嶺北麓，屬雷電活動特別強烈區，平均年雷暴日76.3天。因接地網不合格，頻繁的雷電活動對該站設備的安全穩定運行帶來了極大的威脅。

1 改造方案確定

在實際工程設計中一般采取以下一種或幾種綜合降阻方法：外延接地法、降阻劑法、深井降阻法、斜井降阻法、電解電極法、接地模塊法、置換土壤法等。采取哪種降阻法，必須具體分析個案，對需降阻接地網所處環境情況進行綜合分析，采集各類數據，比對各種方案，尋找經濟技術指數最好的方案。

坦嶺變電站地質自上而下分為4層，第一層主要由紫色土組成，層厚1.5～2m，第二層為粘土，稍濕，硬塑狀態、干強度高、韌性高、分布連續均勻，層厚 3～4m，第三層為強風化泥質砂巖，節理構造不清晰，巖芯呈粉狀和層塊狀，含泥質，手捏易碎，層厚 2～6m，第四層為中風化泥質砂巖，泥質塊狀結構，巖質較硬。因坦嶺變為已投運變電站，無法準確測量土壤電阻率，選擇離變電站100m處，相同坡度，相同地貌，相同開挖程度的西南角一塊工地測量土壤電阻率。用四極法測得土壤電阻率如表1。

表1 西南角土壤電阻率實測值

從土壤電阻率測試結果可以看出，本站地質結構單一，表層土壤電阻率偏大是由于地層干燥引起的，土壤電阻率在4m內為逐漸升高趨勢，平均土壤電阻率在400Ω·m左右，4m到10m逐漸降低，最低值為347 Ω·m，然后呈逐漸升高趨勢。

根據接地電阻公式：

式中，ρ 為土壤電阻率，S為接地網面積，R為接地電阻。

平均土壤電阻率取400 Ω·m，可得出接地電阻計算值為3.14 Ω，因為外圈網格交叉點輔以2500mm垂直接地體，有一定的降阻效果，根據實際經驗，附加于水平接地網的垂直接地體，當深度無法和水平接地網的半徑接近時，降阻效果為2.8%～8%[1]。按最大降阻效果計算地網值應為 2.89 Ω，地網改造前實測值為2.88 Ω，與理論值相符。

由式（1）可得需要接地網面積計算公式：

通過式（2）可以計算出，在埋設深度一致，材料方式一致的情況下，接地電阻達到設計的1.2 Ω需要接地網面積27778m2，遠大于原地網的4053m2，如果單純的采取擴大接地網面積來降阻則需四周擴大52m。存在費用、征地、施工等難度，不可能實現。

通過走訪當地農民，了解到坦嶺變地址東北角原有一口長行池塘。通過東北角護坡測量了解到東北角的開挖深度為1.8m，開挖1m深未見塘泥。通過地形勘測，沿變電站東邊圍墻一直往北延伸，為兩座山脊之間的山坳。離變電站東北角100處測得土壤電阻率見表2。

表2 東北角土壤電阻率實測值

通過表2可以得出，東北角的土壤明顯好于西南角土壤。

因為條件和檢測手段，未檢測更深層土壤的土壤電阻率。通過已知的數據可以分析，該變電站東面及北面土壤電阻率偏低，更深土層中也可能存在低土壤電阻率的土層。因為外延地網需與周邊土地使用者簽訂賠償協議，從成本角度考慮，首先在變電站內采用深井技術將該地網改造成近似半球型接地體，在開挖深井過程中對垂直接地極上部土壤進行更換。如果降阻效果不明顯，再實施東北角地網外延和深井技術相結合的改造。

2 改造施工工程

2.1 方案1：站內深井技術

本方案的重點是在變電站四周及中間開挖五個外徑2m，內徑1.5m，深1.5m的環形豎井。在每個環形豎井中均勻打入6根垂直接地極。垂直接地極的打入深度為25～35m不等。垂直接地極使用材料為波蘭伽爾瑪（Galmar）接地棒，由純度達99.9%的電解銅分子覆蓋到低碳鋼芯上制成，接地棒直徑為14.2mm，銅鍍層厚度為0.250mm。在六根接地棒上離地80mm處，用30mm×4mm鍍銅扁鋼環接后與原主接地網連接（雙連接）。處理好各焊接點及防腐處理后用低土壤電阻率的稻田土回填。

接地電阻通常由三部分組成：①接地裝置本身的金屬電極電阻；②接地裝置與土壤之間的接觸電阻；③接地裝置經土壤向外擴散的散流電阻。忽略金屬電極電阻和接觸電阻，關于半球型接地體的接地電阻，我們只近似計算其散流電阻，采用文獻[2]給出的參考計算模型，其散流電阻Rs為：

式中，ρ 為土壤電阻率，Ω·m；r為半球形接地體半徑，m；Rs為散流電阻，Ω。

按式（3）計算出不同電阻率下改造后的接地電阻如表3，如取平均土壤電阻率400Ω·m，則改造后接地電阻將達到0.71 Ω。

表3 直徑為30m半球型接地體接地電阻在不同電阻率土壤中的近似計算結果

實際施工過程中，站內設備構架影響接地極不可能均勻分布，地質結構等原因造成接地極壓入深度不一致等，因此該接地體不能視為半球型接地體，只能按照垂直接地體與環形接地網并聯后接地電阻推算方式來計算總個接地網的接地電阻。

單個垂直接地體的接地電阻計算公式為[3]：

式中,R為垂直接地極的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為垂直接地極的長度，m；d為接地極用圓導體時，圓導體的直徑，m。

按式（4）計算出土壤電阻率為 400 Ω·m時，接地極壓入深度不同時的接地電阻見表4。

表3 直徑為0.0142m接地極在400 Ω·m電阻率土壤中不同深度的接地電阻計算結果

通過文獻[4]得知，在大中型地網降阻過程中，在均勻土壤中，均勻帶交叉點打入垂直接地體的降阻效果為23.8%～53.5%，沿接地網四周打入垂直接地體的降阻效果為22%～52.4%。實際施工圖如圖1。1—5號井每個深井壓入 6根垂直接地極，每根接地極壓入后，均測量了單根接地極的接地電阻，見表4。

圖1 坦嶺變深井垂直接地體施工簡圖

不考慮干擾和屏蔽，通過電阻實測值推算1—4號接地井各接地極平均土壤電阻率見表5。

表4 1—4號接地井各接地極接地電阻

表5 1—4號接地井各接地極平均土壤電阻率

通過表5數據推測，1、2號接地井整體土壤電阻率較低，但在10～20m深處均未發現地下水分布，3號、4號接地井整體土壤電阻率很高，在10～30m深處也未發現地下水分布，可以預計本次改造降阻效果不是特別明顯。在對5號接地井施工完畢后，又在變電站周圍加敷一條封閉接地環網，于2012年6月28日對主接地網接地電阻進行了一次測試，測試結果為1.55 Ω，降阻效果為46.2%。

2.2 方案2：地網外延和外部深井結合

按施工方案計劃及設計，在變電站東北角離主地網外圍20m處山坳內，沿山坳走向敷設一條長40m，寬10m的方形地網，網格設置為10m×10m，在每個均勻帶交叉點壓入垂直接地極。對每根接地極壓入后均測試其接地電阻如表6。

表6 外延地網垂直接地極接地電阻

施工完畢后，該外延地網通過30mm×4mm鍍銅扁鋼環接后與原主接地網雙連接。于2012年7月13日對變電站地網進行重新測試，測試結果為0.61 Ω，遠低于設計要求1.2Ω，降阻效果明顯，外延地網降阻率為60.6%，改造工程總降阻率為78.9%。

3 結論

通過技術人員的摸索和努力，坦嶺變電站接地網降阻改造取得了預期效果。通過此次改造工程，得出如下結論：在深層土層中如果不含地下水或土壤電阻率很低的土層時，在原接地網外沿或均壓帶交叉點采用深井技術，打入垂直接地體有一定的降阻效果，但均不超過50%，對于降阻要求較高的變電站，該方法不適用，只能作為輔助降阻措施。當降阻要求大，變電站周邊地形地貌環境無法進行輻射性地網外延時，我們應考慮地網外延加深井技術，在變電站周邊找到低土壤電阻率區域，敷設小型地網并在外延地網的均壓帶交叉點打入垂直接地體，垂直接地深度宜接觸到地下水或土壤電阻率很低的土層為佳。在采用該技術降阻時，應做好前期地形地貌、土壤特性調查采集工作，并進行理論計劃，以免造成不必要的材料浪費；同時還應注意外延地網的跨步電勢等問題，避免運行過程中造成外部人、畜安全事故。

[1]謝姚良鑄.110kV變電站立體接地網設計問題分體[J].中國電力, 2002, 35(11): 57-59.

[2]潘紅武.變電所接地技術探討[J].湖州師范學院學報, 2006, 28(3): 130-136.

[3]潘東華.變電站三維立體接地網技術的應用分析[J].上海電力, 2004 (3): 248-249.

[4]鄭志煜,杜忠東,何平.垂直接地體對大中型接地網降阻的計算[J].高電壓技術, 2003, 29(7): 19-20.