高山地區(qū)變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

白永勝

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

1 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的約束條件

1.1 電網(wǎng)安全對(duì)接地網(wǎng)的要求

變電站的接地系統(tǒng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保證運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的根本保障。隨著電網(wǎng)容量的增大，故障時(shí)經(jīng)地網(wǎng)流散的電流愈來(lái)愈大。調(diào)查表明，我國(guó)曾發(fā)生多起因接地網(wǎng)的接地電阻達(dá)不到要求而導(dǎo)致的重大變電站停電事故和火災(zāi)事故。接地網(wǎng)的可靠關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，故接地網(wǎng)的可靠運(yùn)行和接地電阻的準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要。

1.2 接地電阻允許值

我國(guó)電力行業(yè)接地規(guī)程規(guī)定，接地裝置的接地電阻R不符合R≤2 000/I時(shí)，可通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較增大R，且應(yīng)該R＜5Ω。但是，當(dāng)土壤電阻率特別高時(shí)，即使將R放寬到5Ω，接地網(wǎng)也無(wú)法滿(mǎn)足要求。另一方面，隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，國(guó)內(nèi)某些變電站的短路入地電流已達(dá)30 kA，甚至更大，即使將R降到0．5Ω，其地電位升也有15 kV。從實(shí)際運(yùn)行看，甚至地電位升到14．5 kV都可能不會(huì)造成設(shè)備與人身傷害。一定的地電位升是否會(huì)損壞設(shè)備與采用的設(shè)備及其布置方案等因素相關(guān)。

1.3 土壤結(jié)構(gòu)組成對(duì)接地電阻的影響[1]

土壤的結(jié)構(gòu)對(duì)接地網(wǎng)流散電流的效果影響至關(guān)重要，因不同結(jié)構(gòu)的土壤其反射系數(shù)不同，隨著反射系數(shù)絕對(duì)值的增大，對(duì)于相同厚度的土壤其接地電阻的相對(duì)誤差越來(lái)越大，而且反射系數(shù)為正時(shí)的最大相對(duì)誤差(0%～40%)變化大于反射系數(shù)為負(fù)時(shí)的最大相對(duì)誤差(0%～10%)。以?xún)蓪油寥罏槔?dāng)上層土壤電阻率大于下層土壤電阻率時(shí),用0.618法測(cè)量接地電阻的精度比較高；對(duì)于相同反射系數(shù)的土壤，隨著土壤厚度的增加，相對(duì)誤差先增大后減小，且在上層土壤厚度與接地網(wǎng)半徑相近時(shí)誤差最大。

土壤電阻率ρ的大小主要取決于土壤中導(dǎo)電離子的濃度和土壤中的含水量，它是土壤中所含導(dǎo)電離子濃度A的倒數(shù)A1和單位體積土壤含水量B的倒數(shù)B1的函數(shù)。也就是說(shuō)，土壤中所含導(dǎo)電離子濃度越高，土壤的導(dǎo)電性就越好，ρ就越小；反之就越大。如沙河中河底的ρ較大，就是河底流水的沖刷、導(dǎo)電離子濃度較小所致。土壤越濕，含水量越多，導(dǎo)電性能就越好，ρ就越小；反之就越大。這就是接地體的接地電阻隨土壤干濕變化的原因。當(dāng)含水量達(dá)到15%～20%及以上時(shí)，ρ下降很少。不同土質(zhì)的土壤電阻率不同，甚至相差幾千到幾萬(wàn)倍。溫度對(duì)土壤電阻率的影響也較大。一般來(lái)說(shuō)，土壤電阻率隨溫度的升高而下降。當(dāng)溫度再下降時(shí)，ρ出現(xiàn)明顯的增大；而溫度從0°C上升時(shí)，ρ僅平穩(wěn)下降。土壤的致密性對(duì)土壤電阻率也有一定的影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，溫度不變，單位壓力由1 961 Pa增大10倍到19 610 Pa時(shí)，ρ可下降到原來(lái)的65%。因此，必須將接地體四周的回填土夯實(shí)，使接地極與土壤緊密接觸，才能達(dá)到減小土壤電阻率的效果。

2 高土壤電阻率地區(qū)變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 東山地區(qū)土壤條件概況

山西太鋼東山石灰窯35 kV變電站地處太行山脈大涼山1 145 m海拔高地，土壤結(jié)構(gòu)成分多為灰?guī)r，屬高土壤電阻率地區(qū)，其土壤電阻率最高為1 300Ω·m左右，變電站內(nèi)面積2 204 m2,地網(wǎng)面積1 664 m2。變電站接地電阻要求不大于4Ω，獨(dú)立避雷針地網(wǎng)要求不大于10Ω，根據(jù)相關(guān)計(jì)算，僅靠常規(guī)接地不能達(dá)到要求。由于地質(zhì)條件差，大部分屬于高土壤電阻率地質(zhì)，接地材料質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)行及人身安全。為此，針對(duì)接地材料的選擇和接地網(wǎng)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)格要求。

2.2 東山石灰窯變電站地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)在變電站原始地表進(jìn)行地質(zhì)勘探，采用鉆孔取樣得到該地區(qū)的土壤分布狀況，如表1。

表1 東山35 kV變電站土壤結(jié)構(gòu)分布圖

2.3 東山土壤接地電阻測(cè)量[2]

土壤的接地電阻與其組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，土壤電阻率是決定接地體電阻的重要因素。為了合理設(shè)計(jì)接地裝置，必須對(duì)土壤電阻率進(jìn)行實(shí)測(cè)，以便用實(shí)測(cè)電阻率作接地電阻的計(jì)算參數(shù)。測(cè)量土壤電阻率的方法之一是對(duì)接地體進(jìn)行接地電阻測(cè)量，測(cè)得接地體接地電阻后，再計(jì)算土壤電阻率。

1）用鋼管或圓鋼作接地體

式中：L為鋼管或圓鋼入地長(zhǎng)度，m；d為鋼管或圓鋼直徑，m；Rj為測(cè)出的接地電阻值，Ω。

2）用扁鋼作接地體

式中：L為扁鋼長(zhǎng)度，m；b為扁鋼厚度，m；h為埋設(shè)深度，m。

上述方法有個(gè)缺點(diǎn)，就是由于存在接地電阻的影響，可能造成很大誤差，如果地層結(jié)構(gòu)不均勻，計(jì)算出來(lái)的土壤電阻率也隨著接地體的尺寸和埋設(shè)方式不同而變化。

3 東山石灰窯35 kV變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)（見(jiàn)表2）

3.1 接地材料的選擇

為提高接地網(wǎng)的流散電流效果，接地極采用表2中地層編號(hào)3。

表2 東山石灰窯35 kV變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)

ALG防腐離子接地體。ALG防腐離子接地體為三部分組成：防護(hù)罩，電極單元，HC高能回填料。防護(hù)罩為工程防爆塑料制造，能直接鋪設(shè)于地面，保證承重5 t以上；電極單元為耐腐蝕的合金材料，主體為銅質(zhì)，電極單元內(nèi)部能緩慢釋放導(dǎo)電離子；回填料具有強(qiáng)吸水性、強(qiáng)吸附能力和離子交換能力。表2接地材料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 接地材料的技術(shù)指標(biāo)

3.2 地質(zhì)條件的改善

換土對(duì)降低土壤電阻率有良好的效果。變電站位于的基層為巖石，采用開(kāi)挖基坑后更換黏土的方法改善土壤條件。該變電站設(shè)計(jì)時(shí)更換地表以下1.5 m的深度巖石為黏土，一方面保證地面含養(yǎng)，保持水分；另一方面便于綠化，改善山區(qū)環(huán)境。黏土的硬度對(duì)接地網(wǎng)的保護(hù)也起到了良好作用。

采用降阻劑回填接地極的方法也改善了接地效果。該變電站采用天然火山灰作為化學(xué)降阻劑，可以有效地降低土壤電阻率。降阻劑技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 降阻劑技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

通過(guò)采用改善土壤結(jié)構(gòu)、增加接地極的長(zhǎng)度和回填降阻劑的方法，最終實(shí)際測(cè)量東山石灰窯35 kV變電站的接地電阻值為1.5Ω，達(dá)到了規(guī)范要求。同一地區(qū)采用普通扁鋼接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，接地電阻值測(cè)量為35Ω。因此，在巖石山地采用防腐離子接地體和銅帶接地網(wǎng)以及換土、回填降阻劑的方法能夠解決高山地區(qū)變電站建設(shè)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。