淺談城市戶內變電站接地網的設計

王宏偉（河南琛源電力工程設計有限公司，河南 鄭州 450000）

淺談城市戶內變電站接地網的設計

王宏偉
（河南琛源電力工程設計有限公司，河南 鄭州 450000）

由于城市用地日益緊張，城市變電站大多設計為戶內變電站，占地面積較小；在土壤電阻率較大的地區(qū)，為滿足規(guī)范對接地電阻的要求，可采用雙層水平接地網和深鉆式垂直接地極，并盡可能利用自然接地體，以達到減小接地電阻的目的。

城市變電站；接地電阻；接地網；設計

隨著城市的發(fā)展，城市電網建設步伐加快，越來越多的城市中心變電站正在規(guī)劃和建設。城市中心變電站的建設必須滿足環(huán)境的要求，如對周圍不能造成噪聲和電磁污染，另外減少變電站的占地也是城市變電站的主要目標。為此城市中心變電站一般采用全戶內布置方式，220kV、110kV配電裝置采用GIS，10kV或35kV采用開關柜；主變壓器、GIS、開關柜和其他所有的電氣設備全部布置在配電樓內。城市戶內變電站圍墻內占地面積遠小于普通戶外AIS或GIS變電站，變電站占地面積的減小大大增加了接地網設計的難度。

一、規(guī)范對接地電阻的規(guī)定

1 根據《交流電氣裝置的接地》（DL/T621-1997）的規(guī)定，有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電所電氣裝置保護接地的接地電阻宜符合下列要求：

（1）一般情況下，接地裝置的接地電阻應符合下式要求：

R≤2000/I

式中：

R——考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；

I——計算用的流經接地裝置的入地短路電流，A。

（2）當接地裝置的接地電阻不符合上述要求時，可通過技術經濟比較增大接地電阻，但不得大于5Ω，且應符合如下要求：為防止轉移電位引起的危害，對可能將接地網的高電位引向廠、所外或將低電位引向廠、所內的設施，應采取隔離措施；考慮短路電流非周期分量的影響，當接地網電位升高時，發(fā)電廠、變電所內的3kV～10kV閥式避雷器不應動作或動作后應承受被賦與的能量；設計接地網時，應驗算接觸電位差和跨步電位差。

2 根據《電力設備預防性試驗規(guī)程》（DL/T 596—2005）的規(guī)定，有效接地系統(tǒng)的電力設備的接地電阻要求為：

R≤2000/I或R≤0.5Ω（當I＞4000A）

該規(guī)程另外說明，在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻如按規(guī)定值要求，在技術經濟上極不合理時，允許有較大的數值。但必須采取措施以保證發(fā)生接地短路時，在該接地網上：接觸電壓和跨步電壓均不超過允許的數值；不發(fā)生高電位引外和低電位引內；3kV～10kV閥式避雷器不動作。

顯然，上面兩個規(guī)程對于接地電阻的規(guī)定，《電力設備預防性試驗規(guī)程》更為嚴格；一些供電公司也習慣將0.5Ω作為變電站接地電阻的要求值；因此，在工程設計中，在條件允許的情況下，一般接地電阻按不超過0.5Ω進行設計，并按照規(guī)范的規(guī)定對R≤2000/I是否滿足進行核算，如不滿足則應驗算接觸電位差和跨步電位差，并采取隔離措施。

二、降低戶內站接地電阻的措施

理論上，變電站的接地電阻與土壤電阻率成正比，與接地網面積的開方成反比。由于戶內站占地面積較小，當變電站站址范圍內土壤電阻率較大時，采用常規(guī)方法設計的接地網接地電阻通常是不能滿足要求的，必須采取措施降低接地電阻。通常采用以下幾種方法：（1）當在發(fā)電廠、變電所2000m以內有較低電阻率的土壤時，可敷設引外接地極；（2）當地下較深處的土壤電阻率較低時，可采用井式或深鉆式接地極；（3）填充電阻率較低的物質或降阻劑；（4）敷設水下接地網。對于城市變電站，由于周圍環(huán)境的限制，做引外接地極和敷設水下地網均不大可能。填充電阻率較低的物質或降阻劑工程量大，費用較高，且降阻劑容易產生污染，如果地下水源較淺，也不宜采用。城市變通常地下較深處土壤電阻率較低，因此采用深鉆接地極是比較好的方法。我公司曾進行過多個戶內變電站的設計，在戶內變電站接地設計上總結了一些經驗，有以下方面：

1 采用雙層水平接地網。常規(guī)變電站僅在-0.8m設置一層水平地網，而-0.8m層土壤電阻率一般較高，最高達到數百Ω· m，因此該層地網接地電阻較大。可在配電樓條基上方（高度約-3m～5m）另外做一層地網并與-0.8m地網相連；為節(jié)省工程量，地網的外延可基本等同于條基的外延；如變電站有2棟配電樓，須將兩棟樓條基上方的地網相連。采用這種做法，如果地下較深處土壤電阻率較小，則深層地網的接地電阻會遠小于-0.8m層地網，而兩者有并聯的關系，因此總的接地電阻會大大降低。

2采用深鉆式垂直接地極。單根垂直接地極的接地電阻計算公式為：Rv=ρ/2πL（ln8L/d-1）其中：Rv表示垂直接地極的接地電阻，ρ表示土壤電阻率，L表示垂直接地極的長度，d表示接地極用圓鋼時，圓鋼的直徑。從公式可看出，單根接地極的接地電阻隨著接地極長度的增加而減小；目前常用的垂直接地極長度可達10m（由幾段連接而成），單根接地極電阻不大于5Ω。可在較深的地網周圍打上多根10m和2.5m的垂直接地極，有助于減小地網的接地電阻和增加短路電流的泄流能力。

3 充分利用自然接地體。如果配電樓的基礎需要打樁，由于樁底會深入到地下較深處，可能會觸及地下水源，可在樁頂將樁內的鋼筋引出與接地網連接，起到降阻的作用。室內站的出線通常為電纜，并在電纜隧道中引出，將電纜隧道底部沿隧道敷設的接地體連接至變電站接地網，由于隧道較長，也可以起到散流和降阻的作用。但是在利用從站內引向站外的金屬管道（如排水管）時應注意校驗接觸電壓，如不滿足要求則不應與接地網相連，并應采取隔離措施。

下面以我公司設計的某220kV城市戶內變電站為例來說明采取以上措施降低接地電阻取得的效果。該220kV變電站按-0.8m和-4.4m雙層地網設計，并在-4.4m層地網處另外增加了12根10m長的垂直接地極。-0.8m和-4.4m層土壤電阻率分別為308Ω·m和124.6Ω·m，大于-10m處土壤電阻率為36.1Ω·m（以上均已考慮季節(jié)系數）。經計算-0.8m水平地網接地電阻為2.36Ω，-4.4m水平地網接地電阻為1.05Ω，12根10m長垂直接地體接地電阻為0.49Ω，全站水平及垂直接地極復合接地電阻為0.366Ω，滿足規(guī)范要求。

三、接地材料的選擇

目前常用的接地網材料主要為扁鋼、銅材及鍍銅鋼，三種材料各有優(yōu)勢。

1 導電性能。溫度為20℃時，銅的電阻率為0.0179Ω·m，鋼的電阻率為0.1390Ω·m，30%鍍銅鋼的導電率為銅的30%。由此可見，銅接地體的導電性能最好，鍍銅鋼次之。

2 熱穩(wěn)定性。銅的熔點為1083℃，短路時最高允許溫度為450℃；鋼的熔點為1510℃，短路時最高允許溫度為400℃；鍍銅鋼的熔點為1084℃，短路時最高允許溫度為450℃。在接地體截面相同時，銅材熱穩(wěn)定性最好，鍍銅鋼次之。

3 耐腐蝕性。接地網在土壤中敷設時，土壤對接地網存在著腐蝕。在接地網設計中，土壤的腐蝕是必須考慮的問題。腐蝕是由于環(huán)境的作用而導致的金屬物質的變質。土壤中存在著水分、可溶解的金屬鹽和細菌，具有腐蝕性。特別是低電阻率的土壤，具有高腐蝕性的趨勢。接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種形式，在多數情況下，這兩種腐蝕同時存在，銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10～1/50。為了減少鋼材受腐蝕的影響，在目前以鋼材作為主接地網的變電站中，常用的在鋼表面鍍鋅處理等方法，緩解了腐蝕的影響，鍍鋅鋼的耐腐蝕性比鋼材提高了3～15倍，熱鍍鋅扁鋼腐蝕速率一般可按0.065mm/年考慮，而銅接地網可幾乎不考慮腐蝕的影響。

4 經濟性。接地網的總投資包括材料費及現場施工費。銅的材料費最高，鍍銅鋼次之，扁鋼材料費最低。現場施工費包括安裝費及人工費，采用銅和鍍銅鋼的現場施工費差別不大，但高于采用扁鋼的現場施工費。根據我公司以往工程經驗，采用銅接地網總投資大致為采用鍍鋅扁鋼接地網投資的2.5～3倍。采用鍍銅鋼比采用銅接地網投資可節(jié)省約20%。

對于城市戶內變電站，考慮其接地網腐蝕后難以更換，主接地網一般不采用扁鋼；以往工程一般選擇銅排或銅絞線，如考慮施工的方便，銅絞線更優(yōu)于銅排。近年來隨著鍍銅鋼材料的出現和工藝水平的提高，由于其價格優(yōu)勢，鍍銅鋼材料也被廣泛采用。在戶內變電站配電間內部的接地環(huán)網，考慮室內環(huán)境較好，腐蝕較小，可以采用扁鋼，節(jié)省材料費用。

結語

本文對城市戶內變電站接地網的設計進行了研究，認為城市變由于占地面積小，接地電阻值通常較大，難以滿足規(guī)范要求；為降低接地電阻，可采用雙層水平接地網和深鉆式垂直接地極，并盡可能利用自然接地體；接地體的材料宜選擇銅材或鍍銅鋼，具有導電性能和熱穩(wěn)定性好，抗腐蝕能力強的優(yōu)點。

[1]葉云琴.淺談變電站接地網設計[J].沿海企業(yè)與科技，2008（10）：42-44.

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