變電站接地網(wǎng)的降阻設(shè)計(jì)探討

張卓為

（浙江省電力設(shè)計(jì)院， 杭州 310012）

變電站接地網(wǎng)的降阻設(shè)計(jì)探討

張卓為

（浙江省電力設(shè)計(jì)院， 杭州 310012）

高土壤電阻率地區(qū)的變電站，宜著眼于在征地范圍內(nèi)解決降低接地電阻的問(wèn)題，可考慮在進(jìn)站道路路基下設(shè)置外延水平接地體，對(duì)深回填的大面積回填區(qū)設(shè)雙層接地網(wǎng)；盡量利用征地范圍內(nèi)的低土壤電阻率地層。如政策處理允許，也可考慮外引到征地范圍以外。綜合利用以上方法，可使變電站的接地電阻達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

接地電阻；外延；雙層接地網(wǎng)；接地井

工頻接地電阻值是考核接地裝置的主要指標(biāo)，直接關(guān)系到工頻接地短路和雷電流入地時(shí)的地電位升高。位于高土壤電阻率地區(qū)的變電站，須采取各種措施來(lái)降低接地電阻至要求值。有效的降阻措施包括擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、水平接地體外延、雙層接地網(wǎng)、接地井、水平接地網(wǎng)均壓帶加密、降阻劑、電解離子接地極等。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)常用降阻措施的適用性和局限性、應(yīng)用效果、實(shí)施方式和施工要點(diǎn)等予以分析，提出降阻工程中可循用的設(shè)計(jì)思路。

1 常用降阻措施分析

變電站的接地網(wǎng)是以水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)，其接地電阻通常按以下公式計(jì)算[1]：

式中： Rn為任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻； Re為等值（即等面積、等水平接地極總長(zhǎng)度）方形接地網(wǎng)的接地電阻；S為接地網(wǎng)的總面積；ρ為土壤電阻率；d為水平接地極的直徑或等效直徑；h 為水平接地極的埋設(shè)深度；L0為接地網(wǎng)的外緣邊線(xiàn)總長(zhǎng)度；L為水平接地極的總長(zhǎng)度。

由式（1）-（4）可知， 增大接地網(wǎng)面積 S、接地網(wǎng)外緣邊線(xiàn)總長(zhǎng)度 L0和減小土壤電阻率 ρ對(duì)降低接地電阻 Rn的效果明顯；在一定范圍內(nèi)增大水平接地極總長(zhǎng)度 L 對(duì)降低 Rn也有作用， 但當(dāng)L 達(dá)到一定值后再繼續(xù)增大對(duì) Rn的影響變得十分微弱；增大參數(shù) d， h，對(duì)降低接地電阻 Rn作用有限，與其經(jīng)濟(jì)性相比不具備可取性。在變電站有效的降阻措施中，外引擴(kuò)網(wǎng)和水平接地體外延在水平方向上增大了 S， L0， 雙層接地網(wǎng)和接地井相當(dāng)于在垂直方向上增大 S， L0， 降阻劑和電解離子接地極的作用是減小 ρ， 而水平接地網(wǎng)均壓帶加密則起到增大L的作用。

2 外引擴(kuò)網(wǎng)或水平接地體外延

外引擴(kuò)網(wǎng)指在變電站接地網(wǎng)以外（一般 1 km之內(nèi)）的適宜區(qū)域另外敷設(shè)一閉合接地網(wǎng)，與站內(nèi)主接地網(wǎng)相連。水平接地體外延指從站內(nèi)主接地網(wǎng)邊緣某起點(diǎn)外延水平接地體。兩者均是在水平方向擴(kuò)大接地網(wǎng)，通過(guò)站外的擴(kuò)網(wǎng)或外延的水平接地體與站內(nèi)主接地網(wǎng)并聯(lián)來(lái)降低變電站接地電阻。 擴(kuò)網(wǎng)或外延水平接地體的接地電阻按 DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接 地》[1]附錄 A 計(jì)算。

外引擴(kuò)網(wǎng)或水平接地體外延均為十分有效的降阻措施。 例如， 220 kV 青田變電站平均土壤電阻率 2 700 Ω·m，站址處約 3m 下為土壤電阻率2 000～4 000 Ω·m 且層厚大于 30m 的堅(jiān)硬花崗巖層，主網(wǎng)接地電阻約9Ω；青田變的外引接地體位于站址附近高速公路路基下，外引接地體與站內(nèi)主接地網(wǎng)采用架空線(xiàn)連接，過(guò)公路等處用電纜連接。采用了外引擴(kuò)網(wǎng)后，接地電阻降至1Ω。

外引的擴(kuò)網(wǎng)或外延的水平接地體作為變電站接地網(wǎng)的一部分，其設(shè)計(jì)參數(shù)如埋深、上方敷設(shè)的高電阻率結(jié)構(gòu)層厚度等要滿(mǎn)足規(guī)程[1]規(guī)定； 因位于變電站圍墻以外，還要防止建成后誤遭外力破壞。為盡量減少與站內(nèi)主接地網(wǎng)間的屏蔽，外延的水平接地體宜采用放射狀，起點(diǎn)可選擇主接地網(wǎng)四角處或其它有外引條件的點(diǎn)。擴(kuò)網(wǎng)或外延接地體與原接地網(wǎng)要可靠連接，連接點(diǎn)一般為3點(diǎn)及以上，并防止外力破壞和腐蝕。如擴(kuò)網(wǎng)或外延區(qū)土壤電阻率較低，則降阻效果更好；尤其是含水量相對(duì)高的地塊，如灘涂、小溪等，可鋪水下或岸邊地網(wǎng)。

外引擴(kuò)網(wǎng)或水平接地體外延，如擴(kuò)展到征地范圍以外，就涉及到政策處理；而浙江省內(nèi)變電站建設(shè)工程中征地范圍外的政策處理困難，這是限制其應(yīng)用的最主要因素。

在征地范圍之內(nèi)，可利用變電站配套新建或改造的進(jìn)站道路來(lái)設(shè)置外延接地體。通常進(jìn)行以下設(shè)計(jì)和施工：在已征地進(jìn)站道路的路基下預(yù)埋2根水平接地體，規(guī)格同主網(wǎng)；埋深根據(jù)跨步電勢(shì)要求；上方采用碎石、礫石或卵石的高電阻率結(jié)構(gòu)層， 厚度不小于 200 mm， 以滿(mǎn)足跨步電勢(shì)的要求；每隔 10m 左右可設(shè)置 1根均壓帶。

在進(jìn)站道路下設(shè)置外延接地體，幾乎不涉及政策處理、費(fèi)用低廉、施工方便且與進(jìn)站道路同步建設(shè)，是工程中處理降阻問(wèn)題時(shí)首先可考慮采取的措施。 例如 220 kV 柵浦變， 平均土壤電阻率195 Ω·m， 主網(wǎng)接地電阻 0.54 Ω， 新建進(jìn)站道路長(zhǎng) 250m； 設(shè)計(jì)采用在進(jìn)站道路下預(yù)埋外延水平接地體來(lái)降阻， 變電站接地電阻降至 0.4 Ω。

3 雙層接地網(wǎng)

雙層接地網(wǎng)適用于回填深度超過(guò) 1.5m 的填方區(qū)。 當(dāng)變電站內(nèi)的回填區(qū)占變電站面積 1/3 及以上或回填區(qū)土壤電阻率較低時(shí)，可考慮在回填區(qū)設(shè)雙層接地網(wǎng)。上層接地網(wǎng)為全站共有，設(shè)置于變電站設(shè)計(jì)標(biāo)高下 0.8 m，間距按常規(guī)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)； 下層接地網(wǎng)增設(shè)于填方區(qū)原土層下 0.5m，沿填方區(qū)外緣四圍敷設(shè)1周；內(nèi)部均壓帶間距可不設(shè)，或取 50 m 以上、或根據(jù)填方區(qū)面積和原土層土壤電阻率酌情選取。下層接地網(wǎng)邊緣引上8根接地體與上層接地網(wǎng)可靠連接，上引接地體間距盡量大，下層接地體和上引接地體的規(guī)格均與上層接地體規(guī)格相同。

雙層接地網(wǎng)是個(gè)立體接地網(wǎng)，雖然上下層接地網(wǎng)間相互屏蔽，但從工程應(yīng)用效果看對(duì)降阻仍有一定作用，尤其適用于原土層上部土壤電阻率較低或回填土土壤電阻率較高的填方區(qū)。在實(shí)際工程中，要求回填工密實(shí)緊夯，土壤電阻率低于40Ω，但實(shí)際普遍難以實(shí)現(xiàn)。 回填土通常就地取材，最常見(jiàn)的是部分區(qū)域挖方，部分區(qū)域填方，用挖方土做回填土，回填土的土壤電阻率相對(duì)較高。 例如 220 kV 清漾變， 回填區(qū)原土層上部土壤富水性較好，平均土壤電阻率 70 Ω·m；下方為厚度大于 50m 的砂巖， 平均土壤電阻率 500 Ω·m，變電站主接地網(wǎng)接地電阻 0.95 Ω。 雖然進(jìn)所道路長(zhǎng)僅 50m， 但在進(jìn)站道路下預(yù)埋外延接地體和填方區(qū)設(shè)雙層接地網(wǎng)（下層地網(wǎng)面積 11 210m2）后，變電站實(shí)測(cè)接地電阻降至 0.5 Ω 以下。

雙層接地網(wǎng)的費(fèi)用低廉、施工方便，與場(chǎng)地平整同步建設(shè)；不僅有降阻作用，對(duì)均壓也有好處。工程中處理接地降阻時(shí)，對(duì)回填深度超過(guò)1.5m 的大面積回填區(qū)， 可考慮設(shè)雙層接地網(wǎng)。

4 接地井

式中：Rk為接地井的接地電阻； ρy為原地層的電阻率； ρz為置換材料的電阻率； l為垂直接地體長(zhǎng)度； d 為垂直接地體直徑； d1為接地井計(jì)算直徑。

當(dāng)變電站下層土壤電阻率小于上層土壤電阻率（如有地下水）時(shí)，接地深井應(yīng)用效果良好。 接地深井也可用于土壤電阻率基本均勻的變電站，不建議用于下層土壤電阻率遠(yuǎn)高于上層土壤電阻率（如山區(qū)變電站， 上層為土壤、 下層為巖石）或巖層堅(jiān)硬鉆井困難的變電站。當(dāng)變電站上層土壤電阻率較低時(shí)，也可考慮接地淺井，井深在低土壤電阻率層內(nèi)，但 20 m 之內(nèi)的接地淺井對(duì)于大中型地網(wǎng)的降阻作用很小。

接地井布置時(shí)，必須考慮接地井互相的屏蔽、接地井與主接地網(wǎng)間的屏蔽。在均勻電阻率土壤中，流過(guò)大地的電流，向垂直和水平方向呈半球形等位面擴(kuò)散。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，如以接地井坐標(biāo)為圓心、接地井深度為半徑作圓，該圓與主接地網(wǎng)或其它接地井等效圓的面積重疊部分比例，近似為相互屏蔽的比例。因此，接地井宜設(shè)置于變電站四角，且有足夠深度，深度計(jì)算要考慮屏蔽影響。在均勻電阻率土壤中，多個(gè)接地淺井的作用往往不如1個(gè)接地深井。當(dāng)變電站下層土壤電阻率較小時(shí)，井深應(yīng)盡可能達(dá)到低土壤電阻率地層，深入到地下水位更佳。

220 kV 蘆江變電站的平均土壤電阻率為 300 Ω·m， 主接地網(wǎng)實(shí)測(cè)接地電阻 0.87 Ω； 在站區(qū)四角設(shè)計(jì) 4 口 150m 深井后，變電站實(shí)測(cè)接地電阻

應(yīng)用接地井的實(shí)質(zhì)是在垂直方向上擴(kuò)大接地網(wǎng)。 接地井的接地電阻估算[2]為：降至 0.58 Ω， 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。又如 220 kV 諸暨變電站的平均土壤電阻率 500 Ω·m， 經(jīng)在站區(qū)四角增設(shè) 4口 70 m 深井， 井深到達(dá)了地下水位層，順利解決了接地網(wǎng)降阻問(wèn)題。

采用深井降阻時(shí)，不宜在深井坐標(biāo)附近再用水平接地體放射狀外延，因?yàn)橥庋拥乃浇拥伢w同樣會(huì)與深井的垂直接地極相互屏蔽。但深井可設(shè)置在水平外延接地體的外延終點(diǎn)。

5 其它降阻方法

5.1 加密水平接地網(wǎng)均壓帶

考慮到地表的電位分布均勻和適宜變電站內(nèi)設(shè)備接地引上線(xiàn)的需要， 500~220 kV 變電站主接地網(wǎng)通常采用 13 m× 13 m 的方孔地網(wǎng)， 以 1個(gè) 220 kV 變電站為例， 假設(shè)此時(shí)接地電阻為 R。當(dāng)主接地網(wǎng)孔加密到 8 m×8 m 時(shí)，接地電阻約0.95R； 若將主接地網(wǎng)做成 1 塊鋼板， 接地電阻約0.88R；若僅沿變電站圍墻內(nèi)側(cè)敷設(shè) 1 個(gè)地網(wǎng)輪廓， 接地電阻約 1.4R。 這是由于水平接地體相互之間屏蔽的原因。可見(jiàn)，一味加密水平接地網(wǎng)孔距，其降低接地電阻的效果與經(jīng)濟(jì)性相比是不適宜的。

實(shí)際工程中，可通過(guò)計(jì)算適當(dāng)加密主接地網(wǎng)孔，但應(yīng)經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。

5.2 人工改善土壤電阻率

用低電阻率土壤置換高電阻率土壤，這種方法雖有效果，但對(duì)大中型地網(wǎng)而言，由于工程量太大而很少采用。在接地體和自然土壤之間敷設(shè)優(yōu)質(zhì)降阻劑，可改善接地裝置附近的土壤電阻率、增大接地體的等效截面積、增大接地體和土壤的接觸面積、降低接地體與土壤間的接觸電阻，對(duì)降低工頻接地電阻有一定效果。降阻劑對(duì)提高接地網(wǎng)瞬間泄流能力、降低沖擊接地電阻也有一定效果。雷電沖擊電流下，接地裝置呈現(xiàn)的沖擊電阻與平常工頻電流下的工頻接地電阻的比值，稱(chēng)為沖擊系數(shù)。有數(shù)據(jù)顯示，填充優(yōu)質(zhì)降阻劑相對(duì)自然土壤，可降低沖擊系數(shù)約 10%。

但是對(duì)于大中型地網(wǎng)，當(dāng)降阻劑應(yīng)用于水平接地網(wǎng)內(nèi)時(shí)，由于水平接地網(wǎng)的屏蔽作用，降低地網(wǎng)接地電阻的效果并不顯著，主要還是起到均壓的作用。同時(shí)，當(dāng)降阻劑應(yīng)用于水平接地網(wǎng)內(nèi)時(shí)，施工量大，降阻效果與施工質(zhì)量密切相關(guān)，對(duì)施工的要求高。 因此， 浙江省內(nèi) 220 kV 以上變電站很少在水平接地網(wǎng)內(nèi)采用降阻劑作為主要降阻措施。

不過(guò)，在接地井內(nèi)壓力灌降阻劑卻是十分必要的。從式（5）可見(jiàn)，接地井內(nèi)灌壓優(yōu)質(zhì)降阻劑，能降低接地井單孔電阻。接地井與主接地網(wǎng)并聯(lián)，從而降低了全站接地電阻。

為保證降阻效果，使用的降阻劑應(yīng)電阻率低、無(wú)污染無(wú)毒性、對(duì)接地極無(wú)腐蝕作用，且最好能保護(hù)接地極不受腐蝕；穩(wěn)定、長(zhǎng)效，不隨地下水流失；有良好的導(dǎo)電滲透功能。

另外，電解離子接地極的作用類(lèi)似降阻劑，且施工較降阻劑簡(jiǎn)單，在工程中有一定應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

在變電站的降阻設(shè)計(jì)中要針對(duì)工程實(shí)際，對(duì)站址作認(rèn)真詳實(shí)的勘測(cè)，根據(jù)站區(qū)和周邊的地形、一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)土壤電阻率、水資源分布情況等綜合分析，既要滿(mǎn)足征地政策處理的要求，也要考慮變電站建成后接地網(wǎng)維護(hù)的方便。實(shí)際工程中，降阻措施的選用通常不是單一的，而是幾種措施的綜合，最終通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較才能確定較好的降阻方案。

[1]DL/T 621-1997 交 流 電 氣 裝 置 的 接 地[S]. 北 京 ： 中 國(guó)電力出版社，1998.

[2]戈?yáng)|方，鐘大文.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣一次部分）[M].北京：水利電力出版社，1989.

（本文編輯：楊 勇）

Discussion on Design of Reducing Resistance of Substation Grounding Grid

ZHANG Zhuo-wei
（Zhejiang Electric Power Design Institute， Hangzhou 310012， China）

For substations in the district with high soil resistance rate,it is suitable to solve the problem of reducing grounding resistance within the land acquisition area.It is recommended to install the horizontal extended grounding body under the bed of access road to substation,set up a double-layer grounding grid in large deep backfilled area,make full use of low resistance rate land layer within the land acquisition area to lead the grounding body to that area.Grounding body can be extended outside the land acquisition area only if allowed by the policy.By using these comprehensivemethods， the substation grounding resistance can be reduced tomeet the design requirement.

grounding resistance； access road to substation； double-layer grounding grid； groundingwell

TM862

： B

： 1007-1881（2010）07-0011-04

2010-04-27

張卓為 (1974-)， 女， 浙江杭州人， 工程師， 從事變電工程設(shè)計(jì)工作。