高阻抗巖石地貌變電站接地降阻研究

李宗蔚，田燕山，張德坤，晏居川

（1.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021；2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100052）

0 引言

變電站的接地系統是保證電力系統安全可靠運行、保障運行人員和電氣設備安全的重要措施，其功能是通過將故障電流安全引入地下，限制地電位上升，控制地表電位梯度，進而限制跨步電壓和接觸電壓在安全值內［1］。

高阻抗巖石地貌地區土壤電阻率較高，且目前土地資源緊張，變電站向小型化、緊湊型變電站發展，導致常規接地網接地電阻往往難以達到國家有關規程的規定，危及設備和人身安全［2-3］。

以巖石地貌地區較有代表性的220 kV源河變電站工程為例，詳細闡述了接地降阻措施的選擇過程，并列舉了在實際工程中常用的5種接地降阻方案，對這些方案的實施效果開展分析比較，形成接地降阻措施經濟技術比較分析表，最終選取最優的解決方案。

1 土壤模型的建立

220 kV源河變電站站址地貌成因類型為剝蝕丘陵，地貌類型為緩坡地。擬建場地上覆地層為第四系全新統殘破積層（Q4el+sl），巖性為粉質粘土，下伏基巖為白堊系沉積巖，巖性為泥質砂巖，地表2 m以下即為巖石。

土壤電阻率是單位長度土壤電阻的平均值與截面積的乘積，是決定接地網接地電阻的重要因素，其值大小直接影響接地體接地電阻、地表地電位分布、接觸電壓及跨步電壓。因此，為了合理設計接地裝置，工程初期，首先對土壤電阻率進行測量。目前，常采用準確度較高的溫納四極法開展土壤電阻率測量工作，其工作原理如圖1所示。

圖1 溫納四極法工作原理

圖 1 中 P1、P2為電壓極，C1、C2為電流極，四個電極分布在一條直線上，電極的入地深度D小于極間距S的1／20，根據電流表讀數I和電壓表讀數V，即可計算土壤電阻率

式中：ρ為計算土壤電阻率，Ω·m。

站址區域內分別按東西向和南北方向布置測線。測得的土壤電阻率如表1所示。

表1 土壤電阻率測量結果

由表中數據可以看出，隨土壤深度的增加，土壤電阻率顯著增大。

《交流電氣裝置的接地設計規范》中計算均使用均勻土壤模型開展接地電阻計算，但對于實際工程而言，不存在嚴格意義上的均勻土壤，因此利用更為準確的CDEGS接地計算軟件，通過RESAP模塊建立土壤模型，如圖2所示。

圖2 土壤模型曲線

從圖2可以看出，利用土壤電阻率的測量結果，可將站區土壤模擬為3層。

根據CDEGS軟件操作手冊，當測量值與計算值的方均根誤差率小于5%時，土壤模型即可以較為準確的模擬實際站區土壤情況。因此需校驗方均根誤差率。通過校驗，方均根誤差率為4.747%，土壤模型是較為準確的。土壤電阻率從淺至深分別為35.46 Ω·m、129.23 Ω·m 及 669.73 Ω·m。

2 入地故障電流的仿真計算

入地故障電流是直接影響地表地電位升高、接觸電壓及跨步電壓的關鍵因素。因此利用CDEGS軟件FCDIST模塊進行仿真計算，建立變電站相關輸電系統模型，如圖3所示。

圖3 FCDIST系統關系模型

并設置好各終端站與中心站之間的線路參數，如圖4所示。

圖4 FCDIST系統線路模型

通過計算機仿真計算，最終繪制出入地電流曲線如圖5所示。

圖5 入地電流曲線

通過仿真計算入地故障電流，計及主變中性點及站外線路的分流后，入地故障電流約為9.32 kA。

3 降阻前接地電阻計算

源河220 kV變電站降阻措施實施前，采用常規地網設計。在站區范圍內敷設以水平接地體為主的人工接地網，接地網均壓帶采用不等間距布置。利用CDEGS軟件MALZ模塊進行建模仿真，常規地網模型如圖6所示。

圖6 常規地網模型

軟件自動讀取土壤模型數據，并對模型入地故障電流賦值。經計算未采取任何降阻措施時，全站接地電阻約為1.21 Ω。不能滿足《交流電氣裝置的接地設計規范》中的要求，且大于的放寬要求。進一步校驗其地電位升高，如圖7所示。

由圖7可以看出，地電位升高約11.29 kV，嚴重影響設備可靠運行，將造成避雷器的反向動作，甚至破壞二次設備絕緣，使監測或控制設備發生誤動或拒動而擴大事故。因此考慮采取降阻措施，目標將接地電阻降低到0.5 Ω以下，地電位升高降低到5 kV以下。

圖7 地電位升高分布

4 常規降阻措施分析

為降低接地電阻及地電位升高，提出在實際工程中不同的降阻方案，對降阻效果、施工方法進行仿真模擬，并形成投資估算，具體方案如下。

4.1 全站換土降阻措施

采用全站換土，整個站區考慮換土深度2 m，新換入土壤擬采用低電阻率的田園土（電阻率取20 Ω·m）。利用CDEGS軟件進行仿真計算，實施該方案后地電位升高分布如圖8所示。

圖8 換土方案地電位升高分布

降阻效果。由圖8可以看出，地電位升高由11.29 kV降低至9.25 kV，接地電阻由1.21 Ω降低至0.99 Ω，未達到預期目標。

經濟性分析。單純換土方案需換土土方量1.8萬m3，投入資金約80萬元，欲達到理想的降阻效果需要與接地深井聯合降阻，預計總經濟投入約110萬元，投入較大，且土石方的采購與運輸也存在一定的難度，因此該方案不適用于本站。

4.2 接地網外引降阻措施

由于站址區域附近沒有河流、池塘等地理條件，本方案考慮將接地網向站外5個方向放射狀引接250 m以擴大接地網面積，外引接地網埋深同站內主接地網埋深（0.8 m）。利用CDEGS軟件進行仿真計算，實施該方案后地電位升高分布如圖9所示。

圖9 接地網外引方案地電位升高分布

降阻效果。由圖9可以看出，采取此降阻措施后，地電位升高由11.29 kV降低至4.63 kV，接地電阻由1.21 Ω降低至0.49 Ω，降阻效果顯著。

經濟性分析。經校驗，跨步電壓23.44 V和接觸電壓92.53 V均小于允許值要求 （跨步電壓允許值926.4 V，接觸電壓允許值348.6 V）。該措施需額外鋪設水平接地體共計1250m，預計經濟投入約25萬元。

但由于外引接地網埋深較淺，受人為干預因素影響較大，對變電站征地及站區附近環境也有著較高的要求［4］，通過調研，由于本站站外區域并未征地，無法實現該方案所示的規模化外引，因此該方案可行但不適用于本站。

4.3 接地深井降阻措施

考慮在站內打5眼45 m的接地深井，井中投入降阻劑，通過計算，實施該方案后地電位升高分布如圖10所示。

降阻效果。由圖10可以看出，地電位升高由11.29 kV降低至11.01 kV，接地電阻由1.21 Ω降低至1.18 Ω，收效甚微。如繼續增加深井數量，需要打深井40口，才能將接地電阻降至0.7 Ω左右，仍不能達到預期目標。

經濟性分析。深井數量已達到站內接地深井數量極限值，預計需投入資金80余萬元。因此該方案不適用于本站。

圖10 接地深井方案地電位升高分布

4.4 接地橫井降阻措施

考慮在站內打5眼400 m的接地橫井，先由站內向地下打井至5 m深處，再轉而橫向打井向站外放射狀延伸400 m。通過計算，實施該方案后地電位升高分布如圖11所示。

圖11 接地橫井方案地電位升高分布

降阻效果。由圖11可以看出，采取此降阻措施后，地電位升高由11.29 kV降低至4.2 kV，接地電阻由1.21 Ω降低至0.45 Ω，達到了預期目標。

經濟性分析。經校驗跨步電壓27.36 V和接觸電壓117.05 V均小于允許值要求 （跨步電壓允許值926.4 V，接觸電壓允許值348.6 V）。經市場調研，對于巖石地貌，接地橫井價格標準約為300元／m，布置橫井總長2 000 m，該措施預計需投入資金約60萬元。

此種布置方式有效規避了接地網淺埋外引的人為干擾因素，但如在橫井敷設路徑上遇到地下管線、地下設施、隧道等設施時，將對其造成破壞。同時也存在站外工程建設破壞外引接地導體的可能，不可控因素較多［5］，根據本站實際情況，該方案不適用于本站。

5 深井爆破降阻措施分析

考慮在站內打12眼30 m爆破深井。先用鉆機鉆出深井，使用炸藥爆破使深井周圍形成巖石裂縫（裂縫延伸3~5 m）。用壓力機將降阻材料（低阻抗混凝土），壓入巖石裂縫中，然后埋入垂直接地極，并與水平接地網相連。從整體看構成了一個低電阻率區域，并加強了接地極與土壤（巖石）的接觸，改善接地極周圍土壤的電阻率分布［6］。其原理如圖12所示。

圖12 深井爆破接地極原理

式中：Rv為垂直地極的接地電阻，Ω；L為垂直接地極的長度，m；d為接地極用圓導體爆破后的直徑，m；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

5.1 降阻效果

考慮到本站實際地質情況，爆破深井爆破系數以0.3選取，由式（1）計算可得，單個30 m爆破深井接地電阻5.37 Ω，考慮到接地網屏蔽效應，預估12個爆破深井可將本站接地電阻降低至0.5 Ω以下。根據《交流電氣裝置的接地設計規范》相關公式計算并校驗，跨步電壓271.99 V和接觸電壓242.77 V均小于允許值要求（跨步電壓允許值926.4 V，接觸電壓允許值348.6 V）。

5.2 經濟性分析

此方案預計需投資約80萬元。

其單個爆破深井接地電阻為

該方案無需站外額外征地，不受站外環境影響，降阻效果明顯。但可能對部分構筑物的地基承載力產生影響，因此本方案考慮將爆破深井布置在站區四周，繞開主要建筑物基礎，并對部分有關構筑物基礎進行地基處理，將影響控制在最小，此方案適用于本站。

在方法的選擇中，如果該站站區土地資源較為寬松，擴大征地方便可行，或站區附近有河流、湖泊等低電阻區域，則接地網外引降阻措施就成為最優方案；如果站區附近在變電站全壽命周期中無建筑用地規劃，且無站外管線、地下設施、隧道等因素的影響，則接地橫井降阻措施又變的合理可行。因此該站的接地降阻措施選擇結果對于高阻抗巖石地貌變電站不能一概而論。

6 結語

對高阻抗巖石地貌變電站接地降阻措施的選擇過程及方式方法進行深入的探討。以220 kV源河變電站工程實際情況為例開展分析研究，最終選用深井爆破降阻措施。在開展高阻抗地區接地降阻措施的選擇分析時，應緊密結合當地實際情況，從技術與經濟角度對各降阻措施進行嚴謹的對比分析，最終因地制宜地選擇最優接地降阻方案。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.交流電氣裝置的接地設計規范：GB／T 50065—2011［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］孟慶波，何金良.降低接地裝置接地電阻的新方法［C］∥全國電網中性點接地方式與接地技術研討會論文集，2005.

［3］唐世宇，莫文強，周艷玲.高土壤電阻率地區變電站接地處理［J］.高電壓技術，2006，32（3）：121-122.

［4］魯志偉，常樹生，東方，等.引外接地對降低接地網接地阻抗的作用分析［J］.高電壓技術，2006，32（6）：119-121.

［5］葛鶯.關于對變電站降低地網電阻的分析與論述［J］.內蒙古石油化工，2006，32（5）：43-44.

［6］安建強，何金良，孟慶波.爆破接地技術在地網改造中的應用［J］.電力建設，2000，21（4）：17-20.