新型放射針狀環繞接地技術研究及應用

孫長海+尚京城+陳百通+王明+文建+吳彥

摘 要：以國家電網公司科技項目——新型長壽命多針式垂直接地技術研究及實現為課題，基于土壤放電機理及熱熔焊技術，研制出一種新型放射針狀垂直接地系統，具有高導電特性及耐腐特性，延長了變電站接地系統的服役壽命，并成功應用于變電站接地系統。新型放射針狀垂直接地系統占地面積較小，接地電阻滿足國家標準及規范，解決了接地系統小型化的工程難題，對變電站的接地技術具有一定的指導。

關鍵詞：接地；放射針狀；新型接地系統；小型化

中圖分類號：TM862 文獻標志碼：A

Abstract： Based on the State Grid Corporation of science and technology project ‘the new long-life multi-pin vertical grounding technology research and implementation ， by the mechanism of soil discharge and the technology of heat fusion welding， developing a new radiate needle shaped encircling grounding system equipped with high conductivity and corrosion resistance， to extend the service life of grounding system in substation. The new radiation needle shaped encircling grounding system occupies a smaller area， and the grounding resistance meets the national standards and specifications. It solves the engineering problem of the miniaturization of the grounding system， and has certain guidance for the grounding technology of the substation.

Keywords：Grounding；Radiate needle； New grounding system； Miniaturization

0 引言

接地是電氣設備正常運行或出現故障時用以泄放能量時最重要的保護手段。有效地降低接地電阻，保證電氣設備的反擊電壓盡可能小，進而保護人身和設備的安全，這是接地設計的首要目標。

現階段，隨著我國城市化進程日益加快，土地資源越來越匱乏，為了滿足接地電阻的要求，無限制地增加水平接地網的面積顯然不切實際，因此大部分科研工作者開始著手研究新型接地技術。馮喬春開展了空腹注水式接地裝置、電解離子接地裝置、深井壓力灌注接地技術、爆破接地技術等新型接地技術研究；馬勇利用PSCAD/EMTDC開展了不同變電站的接地典型模型；王光輝提出了新型抗鹽堿腐蝕材料；何詩昆設計引外接地降低接地網接地阻抗的降阻方法；陳德鑫研究了智能樓宇的供電接地系統。

本文重點研究新型接地系統的設計方法，降低接地系統的接地電阻，提高變電站的運行特性；研究獲得的新型接地技術對于指導新型接地系統的設計及應用具有一定的意義。

1 變電站接地系統存在的問題

接地系統作為電力系統交直流電氣設備接地及防雷保護接地，對系統的安全運行起著至關重要的作用。由于接地系統作為隱性工程容易被忽視，隨著電力系統電壓等級的升高及容量的增加，接地問題屢有發生。鑒于變電站接地系統在電氣設備運行安全中的重要地位，接地問題越來越受到重視。

1.1 接地體材料腐蝕問題

接地體腐蝕是影響電力系統安全運行的重要因素。在我國，因接地網腐蝕而引起的電力系統事故時有發生，每次事故都會產生較大的經濟損失。目前國內的變電站接地系統的設計未調查站區土壤對金屬材料的腐蝕程度及對金屬材料的腐蝕速度。此外，考慮到經濟問題，接地體多采用鋼材，存在鋼材被腐蝕而截面積不斷減少、接地性能不良的問題，接地系統未能高效運行，造成變電站的存在安全隱患。

1.2 接地系統性能不良問題

土壤電阻率是決定接地系統性能的重要參數，由于受到測量設備、方法等條件的限制，土壤電阻率的測量往往不夠準確，無法探測到土壤在水平方向和垂直方向的土壤電阻率變化情況，且不夠重視站區土壤電阻率隨季節的變化情況，進而導致接地系統接地電阻過大，性能不良。目前變電站的接地系統還停留在傳統接地方式，仍然采用單一導體直接入地放電的方式，該接地方式性能不優，釋放電流較差，接地電阻較大，對于目前的高電壓等級、大電流泄放以及智能電氣設備的有效保護不夠，容易造成變電站出現事故、電氣設備出現損傷、維護人員出現意外，造成不必要的損失。

2 新型接地系統設計研究

2.1 新型接地系統設計原則

（1）為避免溫度、濕度對接地系統的影響，接地體通常埋設在距離土壤表面0.6 m～0.8 m處。

（2）為避免屏蔽效應，接地體間距離D與接地體長度L的設計原則：大電流時，D≥2L；小電流時，D≥L。

（3）接地體間采用并聯閉環連接構成接地系統。

2.2 新型接地系統設計方法

（1）根據建筑或設備的國家標準和實際需求，確定新型接地系統的接地電阻R。

（2）現場確定工程區域，確定接地體可埋設深度及接地體長度。

（3）測量土壤電阻率及酸堿度，利用公式（1）計算單支接地體埋入土壤時的接地電阻R1。endprint

式中，R1、ρ、l、d分別為單支接地體接地電阻（Ω）、土壤電阻率（Ω·m）、接地體長度（m）、接地體等效直徑（m）。

（4）依據變電站接地體設計規范優化設計接地體結構。

（5）運用公式（2）獲得接地體的數量，依據現場環境制定接地系統的結構設計。

3 新型放射針狀垂直接地系統設計

3.1 新型放射針狀垂直接地體結構設計

放射針狀垂直接地體采用銅包鋼合金材料制成，長度設計為2.5m，直徑為25mm，其上間隔50mm垂直熱熔焊接均勻分布4個長25mm、直徑4mm、尖端曲率0.2mm的針狀放電極，如圖1所示。

1—接地極；2—針狀放電極

圖1 放射針狀接地體結構圖

3.2 新型放射針狀垂直接地系統結構設計

新型接地系統設計為同心圓結構，中心處設有與接地引下線相連接的接地體，同心圓各層均勻分布有多支放射針狀接地體，各接地體通過水平接地相互連接，最內層即為第一層同心圓半徑為2m，第n層同心圓半徑為2nm，第x層同心圓上最近兩支接地體間的圓心角為θ，用公式（3）計算最近兩支接地體的距離L。接地體在每層同心圓上均勻分布，每兩支接地體的水平距離至少為2m；以同心圓層數最少和每支接地體到中心接地體的距離最短為依據，確定同心圓層數、接地體數目以及新型放射針狀垂直接地系統中每支放射針狀接地體。

（3）

最內層同心圓上放射針狀垂直接地體可設計數目為3、4、5、6。表1～表4分別為最內層同心圓上接地體數目為3～6時各層最近兩支接地體的直線距離L。

經測試，每支接地體的平均接地電阻為9Ω，為了滿足國家規范要求的2Ω，運用公式（2）計算接地體數目n≥5，由表中可知，當接地體數目n=5且為單層結構時，各接地體間的距離L≥2.8m，由此可初步設計放射針狀垂直接地體數目n=5，L=3，選擇最內層同心圓上放射針狀垂直接地體數目為4的1層同心圓結構作為新型放射針狀垂直接地系統的結構，如圖2所示。

4 新型放射針狀垂直接地系統工程應用

4.1 新型放射針狀垂直接地系統的構建

依據變電站現場的高電阻率土質特點以及站內狹小的施工面積，為了降低接地電阻，最終采用新型放射針狀垂直接地系統工程應用結構：n=7，L=3，如圖3所示。

4.2 新型放射針狀垂直接地系統的安裝

（1）挖設半徑為4m，深4m的圓柱坑道，定位7支接地體埋設位置。（2）圓形坑道內填入0.75m深的細黃土，夯實并澆實。（3）將熱熔焊接好的接地系統下設到圓柱坑道內，周圍加入降阻劑，并用水澆實。（4）從新型接地系統中心接地體處引出接地引下線。（5）用細黃土回填，不斷夯實土壤，用標準混凝土灌封。

4.3 新型放射針狀垂直接地系統的接地電阻測試

利用地網電阻測試儀，采用國家標準的測試方法對變電站新型接地系統測試接地電阻，測試結果如圖4所示。

新型接地系統占地面積僅為28.26m2，為普通接地系統的1/20，接地電阻為0.183Ω，小于變電站接地系統國家規范值，實現了新型接地系統小型化及安全可靠性，保障了變電站電氣設備的高效運行。

結論

本文依托于土壤放電理論及熱熔焊技術，設計了一套新型接地系統，成功實現了接地工程應用，高效解決了接地系統的小型化的工程問題。主要研究成果如下：

（1）以土壤高壓放電理論為指導，采用熱熔焊接技術，研究探索了新型接地技術，將尖端放電技術嫁接到接地體，設計了基于同心圓結構的新型接地系統，提高了接地體的放電效率，保障了變電站的安全性。

（2）依托新型接地技術，依據高土壤電阻率的變電站環境，優化接地系統結構，成功完成了工程應用，接地系統占地28.26m2，接地電阻為0.183Ω，保證了變電站的穩定運行狀態。

（3）該技術及工程案例可為變電站接地系統改造及優化設計提供參考。

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