淺談變電站降低接地電阻的措施

鄭維娟 陳靜

一、前言

隨著電力系統的發展，接地短路電流越來越大，接地裝置對設備和人身安全的影響也越來越大。在山區、高土壤電阻率地區如何有效地降低接地裝置的接地電阻，如何用較少的投資獲得較大的降阻效果，目前仍然是電力系統中廣大工程技術人員面對的主要技術難題。因而有必要對每種降阻措施的作用、適用場所和應注意的問題進行深入的分析和研究， 采用技術經濟分析的方法，具體工程，具體對待，在保證設備和人身安全的前提下，結合具體的工程情況和現場實際，特別是現場的地質、地勢情況，土壤電阻率分布以及具體的工程要求，找出最佳的降阻措施，找出正確合理的降阻方法達到有效降低接地裝置接地電阻的目的。

二、接地電阻的構成及降低接地電阻的措施

改善接地的設計是一個十分復雜，要求又非常嚴格，并涉及地質學，電磁理論，電磁屏蔽，地中電流，電氣測量，應用化學、應用地球物理及地質鉆探技術等多領域，已成為綜合性極強的邊緣學科。分析接地網體系結構，就其接地電阻的構成，與諸多因素相關：接地體的布置，連接，接地體的材質，埋設接地裝置區域的地質及氣候和化學降阻劑的應用等。從理論分析及在工程實踐中去探討降低接裝置電阻的措施，是保證系統安全穩定運行的必要措施。有關規程規范中嚴格規定電力系統各種接地裝置的電阻值，接地網的設計就是以此為目標值。了解接地網電阻構成，在設計中可以在主要影響接地網電阻的環節采取相應的措施，以降低接地網的電阻值。接地網的電阻由以下幾個部分構成：

（1）接地引線電阻，是指由接地體至設備接地母線間引線本身的電阻，其阻值與引線的幾何尺寸和材質有關。

（2）接地體本身的電阻，其電阻值與接地體的幾何尺寸和材質有關。

（3）接地體表面與土壤的接觸電阻，其阻值還與土壤的性質、顆粒、含水量及土壤與接地體的接觸面積及接觸緊密程度有關。

（4）從接地體開始向遠處擴散電流所經過的路徑土壤電阻，即散流電阻。決定散流電阻的主要因素是土壤的電阻率。

接地電阻雖由四部分構成，但前兩項所占接地電阻值的比例甚微，起決定作用的是接觸電阻及散流電阻。因此改善接地網的接地電阻的辦法不外乎以下幾種：

1、外延（擴大）水平接地網

該方案實質是擴大接地網的面積，從而達到直接降低接地網接地電阻之目的。我們知道，在土壤電阻率一定的條件下，接地電阻與接地網面積的平方根成反比，接地網面積增大，則接地電阻減小，因此，利用擴大接地網面積來降低接地電阻是可以預見的有效降阻措施。但是具有這種條件的工程是不多的。這種條件包括地理條件及地質條件。

2、使用降阻劑

該方案實質是減小接地網與地層土壤的接觸電阻，從而達到間接降低接地網接地電阻之目的。接地網的接地電阻主要取決于接地網面積的大小與地層電阻率，在接地網內敷設化學降阻劑對降低接地電阻不起決定性作用。而且化學降阻劑易于流失，受外界氣候、溫度等因素影響較大，且不利于環保。多座變電站或發電廠的接地網的開挖及分析表明，化學降阻劑對接地體的腐蝕有兩種情況：一種是早期生產的降阻劑本身對接地體的腐蝕，這種腐蝕很嚴重；另一種是現在生產的降阻劑，即使其本身對接地體無腐蝕作用或腐蝕很緩慢，但在有、無降阻劑的交界處由于電化學的作用而使接地體的腐蝕速度高于無降阻劑情況下的腐蝕速度。后一種情況不可避免，且難于解決。

3、引外接地

當接地網附近2000米內（一般不超過1000米）有低土壤電阻率（水塘、水田、水洼地、裂隙發育且有低阻充填物、地下水豐富且有斷層構造等），可以敷設輔助接地網與主接地網連接，這種方式叫引外接地。這也是降低接地電阻的有效措施。該方法的實質是通過外設輔助接地網與主接地網并聯，從而達到降低接地網接地電阻之目的。引外接地需注意：距離不能太遠，接地體要深埋，要作好安全保護措施，防止因跨步電位差引起人員和牲畜的觸電事故發生，必須保證引外接地的安全性。

4、局部換土

該方案實質是利用電阻率非常低的土壤（一般ρs<50Ω.m）來置換接地網處原有的高電阻率土壤，通過減小接地網與地層土壤的接觸電阻，從而達到間接降低接地網接地電阻之目的。用換土的方法來降低高土壤電阻率地區接地網接地電阻，這是大家公認的有效措施之一。通常采用的局部換土，只對水平接地帶和垂直接地極的全部或部分實施換土，但在接地網內局部范圍采用置換（換土）或化學方法（降阻劑）改善接地體附近高電阻率土壤，除對消除接觸電阻有顯著效果外，對減小接地電阻的作用不大。而且對所需要的換土的要求非常高。有資料數據表明，即使接地網達到半球形接地體，也只能使接地電阻減小36.4%。

5。、深井接地

采用深井或超深井接地來降低接地電阻，該方法實質是利用下伏（或者深部）的厚度較大的穩定的低電阻率層，通過立體網與水平接地網的并聯，從而達到降低接地網接地電阻之目的。因該方法利用的是深部的低電阻率地層，故不受氣候、溫度等外界因素的影響，改善結果非常穩定，而且深井施工可在站內進行，不與周圍居民發生關系，排除了一定的人為干擾，使得施工有了順利進行的先決條件，因而受到電力系統的偏愛。

6、利用地下水或地下含水層

該方法的實質就是利用水的低電阻率來到達降阻之目的。其實質屬于深水井接地范疇。

7、利用接地模塊

該方法的實質就是利用接地模塊的主體材料與土壤的物理結構相似，能與土壤結合為一體，使接地體與土壤的有效接觸面積比金屬接地體大許多倍，增大了接地體的有效散流面積，極大降低接地體與土壤的接觸電阻，因此能顯著提高接地效率，減少地網占用土地面積。該方法利用的是1米左右的地表電阻率，易受氣候、溫度等外部條件的影響。有些接地模塊由于加入某些吸水、保水材料的作用還具有一定的吸水、保水作用。但接地模塊同導電水泥和固體降阻劑一樣由于不具有滲透和擴散作用，不能改善周圍土壤的土壤電阻率，其降阻作用受到一定的局限。因而只能結合其它降阻方法作為輔助的降阻措施。

上述幾種方法中最有效、且不與當地居民發生關系，又能免維護的只有使用降阻劑和深井接地

三、降阻劑的種類

我國的降阻劑研制始于20 世紀70 年代， 有關部門組織電力部、化工部下屬的10 余個單位成立了降阻劑研制課題組， 1983 年前后列入“七五”重點攻關項目。1997 年以后一種新型的物理降阻劑問世， 從而使降阻劑明顯地分成了化學降阻劑和物理降阻劑兩大類型。

1、化學降阻劑

目前降阻劑品種繁多，但大都屬于化學降阻劑模式。從物態可分為液態和固態降阻劑；從物類則可分為有機和無機降阻劑。 化學降阻劑的共同特點主要是電解質鹽類為導電物，膠凝物對金屬有較強的親和力，緊固后緊密附著在金屬表面，形成多相立體結構。對儲存電解質，減少初期流失有一定的效果。這種低電阻結構比土壤致密度高，只有在有水時電解質電離出帶電離子才能成為導電主體，電解質濃度越高或電離度越大，電阻越低，降阻劑性能越好，但這時陰離子對金屬的腐蝕更加嚴重。季節性地下水位的起落，使得電解質流失，尤其當無水時電解質結晶或低溫結冰，電阻率就會升高而失去降阻能力。

2、物理降阻劑

物理降阻劑是以強堿弱酸鹽為膠凝物，去掉了電解質的離子導電物，以非電解質的固體粉末為導電材料，主要是以炭素自由電子材料和防腐劑組成。其特性為耐酸堿鹽，在干旱的沙漠應用具有明顯優越性。

降阻劑的降阻效果是不可置疑的，因為降阻劑已在實際的接地工程中得到大量的，長期的應用，并被寫進國家標準和相關行業標準，降阻劑的降阻機理主要體現在以下幾方面：

（1）由于降阻劑的擴散和滲透作用，降低接地體周圍的土壤電阻率。關于擴散和滲透作用，一般化學降阻劑強于其他型式的降阻劑，膨潤土類的降阻劑擴散和滲透作用較差，但降阻劑的穩定性和長效性與擴散和滲透作用是矛盾的。擴散和滲透好的降阻劑其穩定性和長效性都比較差，因為擴散和滲透性強的降阻劑容易隨雨水的流失而流失。

（2）接地體周圍施加降阻劑后，相當于擴大了接地體的有效截面，這對固體降阻劑和膨潤土類降阻劑最為明顯，而化學降阻劑和樹枝狀的降阻劑隨著時間的流失有效截面的增大則不太明顯，會越來越小。

（3）消除接觸電阻，接地體的接地電阻可以分為兩部分，一是接地體與周圍的大地所呈現的電阻Rd；二是接地體與周圍土壤的接觸電阻Rj， Rj的大小與接地極周圍的土壤有關，一般土質越密實，接觸電阻越小，土壤越松散，接觸電阻越大；接觸電阻還與電極表面狀況有關，接地極表面越光滑，接觸電阻越小，接地極表面越粗糙，接觸電阻越大。接地極生銹后，接觸電阻會逐漸增大。接地體施加降阻劑后，會減少或消除接觸電阻，但只有某些物理降阻劑和膨潤土類降阻劑才具有這方面的功能，而化學降阻劑和流質降阻劑則不具有這方面的功能，有些降阻劑由于腐蝕還會使接觸電阻變大。

（4）降阻劑的吸水性和保水性改善并保持土壤導電性能，土壤的導電性能除了與土壤所含金屬導電離子的濃度有關外，還與土壤的含水量有關。某些降阻劑具有較強的吸水性和保水性，如膨潤土類降阻劑，具有較強的吸水性，吸水后體積膨脹并能長期保持水分成為漿糊狀，使接地電阻一直保持穩定不受氣候的影響。

但是降阻劑在實際的工程應用中確實也存在一系列的問題，比如降阻劑的腐蝕性問題，降阻效果問題，降阻穩定性問題，以及對地下水資源的污染問題。這主要是前一個時期降阻劑市場混亂，缺乏監督，一些廠家片面追求短期的降阻效果而忽略了降阻穩定性，長效性和對鋼接地體的腐蝕，有的還對環境構成了污染，降阻效果也隨著時間的推移迅速下降，接地電阻反彈，接地體受到嚴重的腐蝕，形成了很大的負面影響，造成一些用戶對降阻劑產生了抵觸情緒，有些單位甚至下文規定不準使用降阻劑。

在使用降阻劑時，必須滿足下列條件：

（1）降阻劑的電阻率。要想獲得理想的降阻效果，首先降阻劑本身的電阻率ρ值要小。在選擇降阻劑時首先要考慮的就是降阻劑自身的標稱電阻率，一般情況下，降阻劑自身的標稱電阻率越小越好。

（2）降阻劑對鋼接地體的腐蝕率。降阻劑對鋼接地體的腐蝕率要低，一些降阻劑對鋼接地體有腐蝕作用，但也有一些降阻劑對鋼接地體有防腐保護作用。降阻劑是否具有防腐作用，一般要看其對鋼接地體的平均年腐蝕率是否低于當地土壤對鋼接地體的腐蝕率。如果降阻劑對鋼接地體的腐蝕率低于當地土壤對鋼接地體的腐蝕率就認為降阻劑對鋼接地體具有防腐作用；否則就認為具有腐蝕作用。

（3）降阻劑的穩定性和長效性。我們希望接地裝置的接地電阻一直穩定在某個值以下，不希望其經常變化，而某些降阻劑的降阻效果會隨土壤干濕度的變化而變化，特別是一些無機降阻劑，離子類降阻劑，一旦缺水就會析出顆粒狀的晶體，失去導電特性，還有一些靠非電解質導電粉末的降阻劑，或固體降阻劑，導電水泥等，其降阻效果受土壤干濕度的影響也較大。另外，有些降阻劑雖然具有較強的滲透性、護散性，在短期內降阻效果好，但容易隨水分而流失，隨著時間的推移逐漸失去其降阻效果，甚至失效，使接地電阻回升，這是我們特別應該注意的。

（4）對環境有無污染，選擇降阻劑時一定要選無污染，無毒性，使用安全的降阻劑，對降阻劑要看其組分，要查有無環保部門的檢測報告。

一般來說，小面積地網如35Kv以下變電所接地、輸電線路桿塔接地、避雷針接地、微波通信站接地等采用降阻劑降阻的工程實例較多，而變電站（所）采用的相對較少，一般降阻劑的性能難以達到理想化程度。對降阻劑的使用褒貶不一，仁者見仁，智者見智，但比較一致的意見是由于相互屏蔽作用，降阻劑對大中型接地網的降阻效果很小，建議大中型接地網不宜使用降阻劑來作為主要的降阻措施。這一點在《水利發電廠接地設計技術導則》有明確說明。P79頁原文如下：人工降阻（P16頁指出人工降阻包括使用降阻劑和低電阻材料置換）成本高，僅對單個或集中接地體的工頻接地電阻具有顯著效果，對小地網也有一定效果，對大、中型地網沒有任何作用。

四、深井接地的種類

在電力系統中，輸電線路和電氣設備需要可靠接地。為降低接地電阻值，往往要采取深井接地方式。深井接地方式分為以下三種：

（1）常規的深井接地。采用一種簡單的長垂直接地極，可說成是短垂直接地極在長度上的延伸。常規深井接地極主要利用下列措施來降低接地電阻：增加接地極的長度L；利用電阻率較低的深層土壤，降低土壤的平均視在電阻率ρ。該方法在地層電阻率縱向上表現為上高下低，在電測深曲線類型為K或D時常為首選降阻措施。

（2）深井爆破接地。爆破接地技術是近年發展起來的降低接地裝置接地電阻的新技術，通過爆破制裂，再用壓力機將低電阻率材料壓入爆破裂隙中，從而起到改善很大范圍的土壤導電性能的目的。其基本原理是采用鉆孔機在地層中垂直鉆一定直徑、深度的孔，在鉆孔中插入接地電極，用清水把孔灌滿，然后沿孔的

整個深度，隔一定的距離，放置定量的炸藥，實施爆破，將巖石爆裂、爆松，然后將調成漿狀的低電阻材料，用壓力機壓入深孔中和爆破制裂產生的縫隙中，通過低電阻率材料將地下大范圍的巖石內部構通，加強接地極與巖土的接觸，從而達到較大幅度降低接地電阻的目的。

（3）深水井接地 。深水井接地是利用自身的結構形成匯集地下水的空間和地下水流動通道，從而改變接地極周圍土壤的地下水分布，人為增加接地極周圍土壤濕度，降低這部分土壤的電阻率。深水井接地的降阻作用主要在于充分利用土壤中的地下水，在深水井接地極周圍形成一個由遠到近、土壤的濕度逐漸增大、土壤電阻率逐漸降低的區域（降低幅度取決于土壤和地下水的條件）；地下水使接地極導體與周圍土壤之間的空隙可以得到很好填充，從而降低接地極與土壤的接觸電阻。

常規深井接地對土壤的類型、地下水含量沒有特殊要求。它適用于土壤均勻的地區，或上層土壤厚度小、下層土壤電阻率很低的土壤結構分層的地區，不適用于上層土壤厚度小于接地極長度、下層土壤電阻率較高的地區。

深井爆破接地適用于裂隙較多、土壤干燥或巖石地區，如固結堅硬的沉積巖、巖漿巖、變質巖地區，硬度稍差的各種砂巖、片巖地區，特別是在地下水奇缺、土壤電阻率極高的巖石地區使用有無可比擬的優點。

深水井接地適用于有一定地下水含量、透水能力強、空隙度大的土壤，更適用于土壤分層結構、在各層土壤中有一層是明顯的含水層或隔水層的地區。

常規深井接地適用于中、低電阻率土壤，深井爆破接地適用于高電阻率土壤，深水井接地適用于中、高電阻率土壤，三種深井接地方式有很強的互補性。

五、結束語

對于一個接地工程往往需要多種降阻措施進行降阻，表現形式為以某種方法為主，某種方法為輔。如采用外延接地加降阻劑法；深井接地加降阻劑法；或置換、引外。但使用某種方法時，必須具備該方法實施的一系列前提條件。筆者認為到目前為止，常規深井接地對土壤的類型、地下水含量沒有特殊要求，它適用于土壤均勻的地區，或上層土壤厚度小、下層土壤電阻率很低的土壤結構分層的地區，采用深井接地技術，通過增加接地極的長度，充分利用電阻率較低的深層土壤，降低土壤的平均視在電阻率來改善整個地網的接地是行之有效的一種手段。

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