降低高土壤電阻率變電站接地電阻的研究

王金煒，余力行

(國網浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

0 引言

變電站良好的接地是維護電力系統安全可靠運行、保護運行人員和電氣設備安全的重要措施。理論分析和運行經驗表明：在土壤電阻率低的地區，地網接地電阻值容易滿足要求，但土壤腐蝕問題嚴重；而在土壤電阻率高的地區，特別是在山區，表面土層一般較薄，下層的土壤往往不止一層，地網的接地電阻很難達到規定值。

在近期對某35 kV變電站接地電阻例行試驗后，結果顯示其接地電阻達到7 Ω，已大于GB 50056—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》4.2.1條“不接地系統接地電阻不大于4 Ω，高電阻率地區接地電阻不大于10 Ω”的要求。經過現場勘查后發現，該變電站外區域表層為紅色粉質粘土，分布于全場區，結構疏松，土質不均勻；中層及其下層均為第3紀重風化石灰巖，分布于全場區，層頂起伏較大，中等風化。該土壤結構屬于典型的雙層土壤結構。根據巖土報告，土壤電阻率分布為上層土壤(0—5 m)h1=5 m，ρ1=300 Ω·m；下層土壤(5 m以下)h2=13 m，ρ2=1 000 Ω·m。

1 接地網改造方案

目前接地網原材料大多采用扁鋼、角鋼或鋼管，鋼材在土壤中腐蝕后，進而腐蝕接地網。金屬在土壤中的腐蝕有化學腐蝕、電化學腐蝕和微生物腐蝕，其中電化學腐蝕對接地網的腐蝕最為嚴重。

在高土壤電阻率地區，可采取的降低接地電阻的措施有以下幾種：

(1) 若在變電所2 000 m以內有較低電阻率的土壤時，可敷設外引接地極；

(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。

該變電站現有的接地網水平接地體采用70×10熱鍍鋅扁鋼，沿變電站圍墻敷設，埋深為0.8 m。依據該變電站接地網布置圖紙，制定接地網改造方案如下：

(1) 沿水平接地網外環周圍敷設Φ50銅覆鋼管深井接地極；

(2) 深井回填采用“深井壓力灌漿”工藝，每口井回填煅燒石油焦炭450 kg，灌漿壓力保持在4.5 MPa±0.5 MPa；

(3) 深井接地極連成的環網與原地網間需進行可靠連接，連接點應不少于10處；

(4) 水平接地體與深井接地極、水平接地體之間均采用放熱焊接且保證焊接牢固，焊點及周圍被氧化部位需涂刷瀝青漆進行防腐。

改造后的接地網結構如圖1所示。

2 改造方案特點

(1) 全站接地采用銅覆鋼接地裝置，銅層厚度不小于0.25 mm，具有導電性能優、熱穩定性能好、耐腐蝕能力強、施工方便、使用壽命長、投運后檢驗維護工作量少、無污染等優點。

(2) 全站降阻采用“深井壓力灌漿”工藝，以低電阻率的接地工程用煅燒石油焦炭灌注深井，可使低電阻材料填充地層裂隙，增大低電阻區域，有效降低接地體局部接地電阻。

(3) 接地工程用煅燒石油焦炭的碳含量不小于95 %，具有低電阻、低流失、無腐蝕性和無污染的優點。

(4) 全站接地體連接采用放熱焊接方式，施工方便，焊接點的電氣性能、機械性能、耐腐蝕性均優于傳統焊接，有效保障了接地網的電氣安全。

圖1 等效的接地網結構

3 接地網參數計算

文獻1給出以水平接地導體為主、邊緣閉合的復合接地網的接地電阻計算公式，該公式考慮了構成水平接地網的水平接地導體之間的電流屏蔽作用，對于任意復雜的接地網都能得到比較準確的接地電阻值。式(1)—(4)為復合接地網接地電阻公式。

式中：Rn——任意形狀邊緣接地閉合網的接地電阻，Ω；Re——等值方形接地網接地電阻，Ω；S——接地網總面積，m2；d——水平接地極的直徑，m；h——水平接地極的埋沒深度，m；L0——接地網的外緣邊線總長度，m；L——水平接地級的總長度，m。

由資料得ρ1=300 Ω·m，S=1 060 m2，L0=134 m，B=0.9，α=0.98，h=0.8 m，則有Rn=4.5 Ω。此電阻與實際測量所得接近。

改造后的接地網參數采用利用系數法計算，需要的垂直接地極鋼管數量見式(5)。

假定需要的接地極鋼管數量n=50，式中ηv為水平接地體的利用系數，查文獻2得ηv=0.96；Rne為接地電阻要求值；Rv為單根接地電阻體的散流電阻Rv=k×ρv，k為雙層土壤的反射系數，取0.326， 求得Rv=97.8 Ω。按式 (5)求得接地極鋼管數量n=23，取50根接地極鋼管。

垂直接地極根數從10—70根時，接地網的接地電阻隨垂直接地極數量的變化曲線如圖1所示。由圖1看出，在水平地網保持不變的情況下，接地網的接地電阻R隨垂直接地極根數n的增大而降低；當n達到一定數值時，R值趨于恒定。這是由于垂直極間距減小后，相互間的屏蔽作用增強，垂直接地極根數越多，屏蔽系數越大。當垂直接地極根數增加到一定程度后，屏蔽作用已非常明顯，再增加已無意義。

圖1 接地網電阻與垂直接地極根數的關系

驗算接地電阻見式(6）。

由于該變電所為雙層土壤，所以需要計算由于雙層土壤影響而增加的電阻，見式(7)—(9)。

式中，Rad為垂直接地體由于雙層土壤影響而增加的電阻，當土壤電阻率為100 Ω·m，埋深3 m時查表取Rad=1.98 Ω，在經過換算后取Rad=0.2 Ω；F為雙層土壤的影響系數，可以根據土壤的反射系數和接地體底部的埋深計算而得，取F=1.7；土壤的反射系數K見式(8)；R1為垂直接地體僅埋設在上層土壤中的接地電阻，見式(9)。綜上，通過式(7)可求得R′。

R′=F(R1+Rad)=1.7×(0.2+2)=3.74 Ω

改造后的總接地電阻見式(10)。

R=Rne+R′=3.74+1.8=5.54 Ω (10)

改造后的實際接地網接地電阻測量值為1.86 Ω，滿足規范要求的不接地系統接地電阻不大于4 Ω的要求。

4 接觸電位差與跨步電位差

根據文獻1要求，35 kV不接地系統發生單相接地故障后，當不迅速切除故障時，此時變電站接地裝置的接觸電位差Ut和跨步電位差Us不應該超過式(11)和式(12)。

其中ρf為人腳站立處地表面的土壤電阻率。取ρf=300 Ω·m，計算得允許值Ut=65 V，Us=56 V。

接地網最大接觸電位差和最大跨步電位差的公式見式(13)，(14)。

其中：KTL，KTh，KTd，KTs，KTN和KTm分別為最大接觸電位差的形狀、埋深、直徑、地網面積、接地導體根數和網孔數目影響系數；KSL，KSh，KSd，KSs，KSN和KSm分別為最大跨步電位差的形狀、埋深、直徑、地網面積、接地導體根數和網孔數目影響系數；V為接地網故障電流時的最大接地位升高。當I=1 000 A(根據系統參數所得的計算值)，地網接地電阻R=1.86 Ω時，接觸電位差的影響系數為0.018。驗算得：

即最大接觸電位差小于允許電壓。變電站內跨步電位差也不會威脅運行人員的巡視安全。

5 結束語

從安全經濟方面考慮，新建深井接地極連成的環網應根據不同部位的腐蝕特點采用必要的防腐措施。新建環網要特別注意接地體的防腐能力，鋼材本身要作防腐處理，如熱鍍鋅；焊接處應去掉焊渣后，涂厚度約2 mm的瀝青；電纜溝相對濕度較大，構成電化學腐蝕條件，故電纜溝內的扁鐵除采用鍍鋅防腐外，還應從降低電纜溝濕度的角度減緩腐蝕。防腐的另一項措施是水平接地體回填土要夯實。從地網開挖發現，腐蝕嚴重處大多是土壤與水平接地體間有空洞或不緊密的地方，而土塊緊粘在扁鐵外的腐蝕就比較少。

在實施接地網改造時，必須按圖紙施工，以保證施工質量和接地扁鐵之間的焊接質量。首先要保證搭接面積，嚴禁點焊，必要時可以在焊接處搭接一根相當于扁鐵截面的圓鋼，圓鋼長度要大于其直徑的12倍；其次在折彎處禁止采用高溫加熱處理，因為高溫加熱后，鋼鐵的有效截面會發生變化，不能保證足夠的通流面積；另外，禁止設備接地引下線串接，以防某處地線斷開時造成后面串接設備失地。為避免遺留事故隱患，接地網回填土之前必須經專業人員驗收，驗收資料及改造圖紙存檔待查。

參考文獻:

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

2 鋼鐵企業電力設計手冊編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996.