變電所接地裝置設(shè)計與降阻問題的工程實(shí)踐

祝捷 韓笑 張園豐

引言：變電站接地的目的主要是為了保障系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行和保障人身及設(shè)備的安全。在高土壤電阻率地區(qū)且地網(wǎng)面積受限的情況下，要使接地電阻滿足規(guī)程要求是十分困難的。根據(jù)電氣設(shè)備的類型和系統(tǒng)的運(yùn)行方式、接地的性質(zhì)構(gòu)造等特點(diǎn)，因地制宜，力求做到技術(shù)先進(jìn)合理，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，這是進(jìn)行接地設(shè)計時主要考慮的問題。

一、概述

變電站接地的目的主要是為了保障系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行和保障人身及設(shè)備的安全。在高土壤電阻率地區(qū)且地網(wǎng)面積受限的情況下，要使接地電阻滿足規(guī)程要求是十分困難的，即使通過大量的投入接地電阻滿足了要求，也不能完全無危險，甚至處于技術(shù)經(jīng)濟(jì)均不合理的境地。但是，只要合理設(shè)計，在不過分注重接地電阻的情況下，仍然能夠設(shè)計出滿足安全要求的地網(wǎng)。應(yīng)當(dāng)說，將變電站內(nèi)外的接觸電勢、跨步電勢和轉(zhuǎn)移電勢限制在安全值內(nèi)，乃是確保人身和設(shè)備安全的根本所在。

66kV奧鎂變位于大石橋市城郊8公里的一座小山上。變電站所處的山包為風(fēng)化石響砂土壤，上層土壤電阻率在1800Ω?m左右。下層為巖石，土壤電阻率在2500Ω?m左右。變電站建在小山的半山腰部，為開山填平所建，面積大約為70x70m2，土層厚約0.6m，且為風(fēng)化石土質(zhì)。該變電站接地電阻會隨著氣候，特別隨著土壤干濕度的變化而變化。

二、變電站接地網(wǎng)設(shè)計總則

在進(jìn)行變電站設(shè)計時，必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家的有關(guān)方針和法規(guī)，認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)電氣設(shè)備的類型和系統(tǒng)的運(yùn)行方式、接地的性質(zhì)構(gòu)造等特點(diǎn)，因地制宜，力求做到技術(shù)先進(jìn)合理，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，這是進(jìn)行接地設(shè)計時主要考慮的問題。

（一）對接地電阻的要求

變電站的接地電阻主要是根據(jù)工作接地的要求決定，既要保證在接地故障時，流經(jīng)地網(wǎng)的入地故障電流Ijd在地網(wǎng)上產(chǎn)生的接地電位升不會對人身和設(shè)備安全造成威脅。

遼寧地區(qū)66kV變電所是經(jīng)消弧線圈接地的小接地短路電路系統(tǒng)，由于單相接地故障允許存在2h，所以接地電位升IR的允許值大為降低。66kV奧鎂變高低壓電氣裝置共用接地裝置，需要滿足R≤（120/I）但不應(yīng)大于4Ω。

在高土壤電阻率地區(qū)，要把接地裝置的接地電阻做到上述要求的值，在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)或經(jīng)濟(jì)上極不合理，允許將接地電阻值適當(dāng)提高。對于小接地電流系統(tǒng)中允許提高到R≤30Ω。但是在這種情況下，應(yīng)采取均壓、隔離等措施，將接觸電勢、跨步電勢限制在保證人身和設(shè)備安全所允許的范圍內(nèi)，并抑制轉(zhuǎn)移電勢所帶來的危害。

（二）接觸電勢和跨步電勢允許值

人體能承受的接觸電壓和跨步電壓與人體電阻、通過人體的電流值及持續(xù)時間、電流流經(jīng)人體的途徑、地表電阻率等因素有關(guān)。在小電流接地短路電流系統(tǒng)中，由于單相接地故障允許的持續(xù)時間在2h以內(nèi)，因此，接觸電勢和跨步電勢的允許值為：

Etl=50+0.05ρb

Esl=50+0.2ρb

式中ρb—人腳站立處土壤電阻率，Ω?m

不難看出，提高接觸電勢和跨步電勢允許值最有效的辦法就是增大地表的土壤電阻率ρb，如采用碎石或?yàn)r青混凝土地面等辦法。

三、接地網(wǎng)設(shè)計

（一）接地短路電流的計算值

在計算小接地電流系統(tǒng)的接地電阻時，其接地短路電流Ijd，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，計算電流應(yīng)采取以下數(shù)值。

①當(dāng)變電所有消弧線圈時，計算電流等于消弧線圈額定電流的125%；

②當(dāng)變電所不接消弧線圈時，計算電流按切斷系統(tǒng)最大一臺消弧線圈時，在此電網(wǎng)中可能發(fā)生的剩余接地短路電流來計算，但不得小于30A。

計算接地短路電流，應(yīng)按運(yùn)行中可能發(fā)生最大接地短路電流的接線方式確定。

（二）接地裝置的計算

對于大多數(shù)以接地棒為主的接地裝置，在計算中可以不單獨(dú)計算水平接地體的接地電阻，考慮到它的作用，一般接地棒可減少10%左右，因此可以從接地電阻值直接求出接地棒的數(shù)量。

n=0.9Rc/R?ηc，Rc=K?ρ

式中R—接地電阻要求值，Ω

Rc—垂直接地體的擴(kuò)散電阻，Ω

ρ—土壤電阻率，Ω?cm

ηc—接地體利用系數(shù)(一般為0.65～0.75)

K—系數(shù)(對于∠50×5角鋼為34.85×10-4)

（三）接地網(wǎng)的布置

遼寧地區(qū)變電所的接地網(wǎng)，無特殊情況，一般均可采用棒形和帶形接地體聯(lián)合組成的接地裝置，對于不同的土壤電阻率，可分別采用不同的接地裝置，一般的要求及布置方式為：

①土壤電阻率ρ≤3×104 Ω?cm時，因電位分布衰減較快，應(yīng)采用以棒形垂直接地體為主的棒帶接地裝置。

②土壤電阻率3×104 ≤ρ≤5×104 Ω?cm時，因電位分布衰減較慢，應(yīng)采用以水平接地體為主的帶棒接地裝置。

③所有的接地裝置應(yīng)埋設(shè)于凍土層以下，一般埋設(shè)深度不小于0.6m。盡量利用固定電纜支、吊架用的預(yù)埋鐵件作為屋內(nèi)接地干線。

④接地裝置的敷設(shè)方式：圍繞屋外配電裝置、屋內(nèi)配電裝置、控制室及其它需要裝設(shè)接地網(wǎng)的建筑物敷設(shè)環(huán)形接地網(wǎng)；各接地網(wǎng)之間的相互連線不應(yīng)少于2根；接地網(wǎng)外緣的各角應(yīng)做成圓弧形。

⑤接地體一般選用∠50×5熱鍍鋅角鋼、Φ120鍍鋅圓鋼和－50×5熱鍍鋅扁鋼，角鋼長度為2.5m；水平敷設(shè)的接地體采用圓鋼或扁鋼，垂直敷設(shè)的接地體可以采用角鋼和圓鋼；為減少接地體間的屏蔽作用，接地體之間的距離不應(yīng)小于3m。

（四）避雷針和避雷器的接地

①一般應(yīng)采用垂直接地體做避雷針和避雷器的集中接地，以加強(qiáng)散泄雷電流的作用。

②獨(dú)立避雷針的接地裝置與接地網(wǎng)的地中距離要求不小于3m；配電裝置構(gòu)架上的避雷針應(yīng)與接地網(wǎng)相連，并在其附近裝設(shè)集中接地裝置。

③獨(dú)立避雷針及其接地裝置與道路或建筑物出入口的距離應(yīng)大于3m；從避雷針與接地網(wǎng)連接處到變壓器或35kV及以下設(shè)備與接地網(wǎng)連接處的接地體長度不能小于15m。

四、接地裝置降阻措施

變電所接地網(wǎng)的接地電阻是一個十分重要的參數(shù)，而如果變電所接地網(wǎng)的接地電阻偏高將直接影響了設(shè)備和人身的安全。對66kV奧鎂變有三種降低接地電阻的措施可以采用，但這些措施在具體的工程實(shí)踐中如何運(yùn)用，如何用較少的投資達(dá)到較大的降阻效果，卻不是一件容易的事。在實(shí)際接地工程中就曾發(fā)生過因采用的降阻措施與現(xiàn)場實(shí)際不符而造成投資大收益小的事情。還有一些在降阻措施使用不當(dāng)而造成高電位外引留下安全隱患的，因而有必要對每種降阻措施的作用、適用場所和應(yīng)注意的問題進(jìn)行深入的分析和研究。

（一）外引接地網(wǎng)

在工程中首推的降阻措施為外引接地網(wǎng)。在高土壤電阻率地區(qū)，當(dāng)在變電所2000m以內(nèi)有較低電阻率的土壤時，可敷設(shè)引外引接地極。這就要求在確定降阻方案時要對變電所周圍進(jìn)行認(rèn)真的勘探、測量，測量出變電所四周土壤電阻率沿水平方向上的分布，找出土壤電阻率較低和適合做引外接地的地方。因?yàn)樵谏絽^(qū)、丘陵地區(qū)土壤電阻率在水平方向上大都呈不均勻分布，即總有一些地方的土壤電阻率相對較低，可以的引外接地網(wǎng)。

在降阻措施中外引接地網(wǎng)是最簡單有效的，也是在接地工程中最常應(yīng)用的措施。在決定外引接地網(wǎng)時應(yīng)首先根據(jù)可利用來做外引接地的地形、面積、土壤電阻率和接地裝置應(yīng)降低的電阻值來決定外引接地網(wǎng)的大小。外引接地部分的接地電阻可用面積公式R=0.5進(jìn)行計算，但要注意該公式是在地網(wǎng)的網(wǎng)格達(dá)到一定的密度時才可達(dá)到的值，一般情況是達(dá)不到該值的，只是如有可能可應(yīng)用該公式確定外引接地網(wǎng)的大致數(shù)值。

本工程外引接地以水平地網(wǎng)為主且邊緣閉合，可依下式：

式中h—水平接地體埋深，m

s—地網(wǎng)面積，m2

對于外引接地網(wǎng)除要滿足降阻的需要外，更重的要滿足安全的要求，即要嚴(yán)格限制高電位外引，即對引外接地網(wǎng)要驗(yàn)算外引處的跨步電壓要絕對滿足。

式中ρs—外延處的地表土壤電阻率，Ω?m

t—接地短路電流持續(xù)時間，s

Uk—跨步電壓，v

在設(shè)計外引接地時，應(yīng)首先考慮降阻的需要決定外引地網(wǎng)的大小；再考慮安全的需要決定外引地網(wǎng)的網(wǎng)格布置、埋深和形狀；還要考慮外引地網(wǎng)不被破壞和妨礙以后的建設(shè)等綜合因素。同時在設(shè)計外引接地時還要盡量的考慮減少接地體之間的相互屏蔽，使之發(fā)揮最大的降阻效果，節(jié)約投資。

（二）深井式接地極

當(dāng)?shù)叵律顚佑休^低土壤電阻率的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時可采用深井式接地極進(jìn)行降阻，或構(gòu)成立體地網(wǎng)。采用深井式接地極時要求對接地裝置及其四周測出垂直方向上的土壤電阻率分布?，F(xiàn)場可采周等距四極法測量土壤電阻率，用等距四極法測量土壤電阻率時，改變間距離 a 時，可測出不同深度的土壤電阻率。因?yàn)榈染嗨臉O法測土壤電阻率的極間距離與反應(yīng)的土壤電阻率有0.75a的關(guān)系，所以改變不同的極間距離可測出不同深度的土壤電阻率。單個深井式接地極接地電阻可按下式計算

式中ρ—平均視在土壤電阻率，Ω?m

l—垂直接地極的長度，m

a—垂直接地極的半徑，m

R—接地電阻,Ω

采用深井式接地極可減少占地，接地裝置的接地電阻受氣候影響較小，因接地問題在變電所內(nèi)解決，不與周圍群眾發(fā)生關(guān)系。

但采用深井式接地極同樣要考慮屏蔽問題，深井式接地極一般應(yīng)設(shè)在水平地網(wǎng)的邊緣，深井式接地極之間的間距應(yīng)達(dá)到接地極長度的2—3倍，才能取得較好的降阻效果?，F(xiàn)場適合于采用深井式接地極的場所較少，只有在地下有金屬礦，或北方地表土壤干燥，而地下水豐富的場所才適用。而一般的地區(qū)往往都是深層土壤的土壤電阻率高于表層的土壤電阻率，特別是深層為巖石的山區(qū)和丘陵地區(qū)，深層土壤電阻率往往運(yùn)高于上層土壤的電阻率，這時是不適合于采用深井式接地極的。再則，深井式接地極的施工費(fèi)用往往大于水平接地體施工費(fèi)用的若干倍，就是均勻土壤采用深井式接地極也是不經(jīng)濟(jì)的。對于線路桿塔接地、避雷針接地等以防雷為主要目的的接地裝置就更不宜采用深井式接地極，而應(yīng)以有效降低沖擊接地電阻為主，因?yàn)槔纂娏魇歉哳l電流，有很強(qiáng)的趨膚性，一般沿地表散流，深層土壤散流作用很差，所以深井式接地極對以防雷為主的接地效果不大。

（三）采用降阻劑降阻

降阻劑的降阻效果是不可置疑的，因?yàn)榻底鑴┮言趯?shí)際的接地工程中得到大量長期的應(yīng)用，并被寫進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推薦的降阻措施中有“填充電阻率較低的物質(zhì)或降阻劑”，降阻劑的降阻機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾方面：

①由于降阻劑的擴(kuò)散和滲透作用，降低接地體周圍的土壤電阻率，關(guān)于擴(kuò)散和滲透作用，一般化學(xué)降阻劑強(qiáng)于其他型式的降阻劑，膨潤土類的降阻劑擴(kuò)散和滲透作用較差，但降阻劑的穩(wěn)定性和長效性與擴(kuò)散和滲透作用是矛盾的。擴(kuò)散和滲透好的降阻劑其穩(wěn)定性和長效性都比較差，因?yàn)閿U(kuò)散和滲透性強(qiáng)的降阻劑容易隨雨水的流失而流失。

②接地體同周圍施加降阻劑后，相當(dāng)于擴(kuò)大了接地體的有效截面，這機(jī)理對固體降阻劑和膨潤土類降阻劑最為明顯，而化學(xué)降阻劑和樹脂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(xiàn)的電阻Rd；二是接地體與周圍土壤的接觸電阻Rj。Rj=Rd+Rj，Rj的大小與接地極周圍的土壤有關(guān)，一般土質(zhì)越密實(shí)，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(guān)，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(xué)降阻劑和流質(zhì)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(dǎo)電性能。土壤的導(dǎo)電性能除了與土壤所含金屬導(dǎo)電離子的濃度有關(guān)外，還與土壤的含水量有關(guān)。某些降阻劑具有較強(qiáng)的吸水性和保水性，如膨潤土類降阻劑，具有較強(qiáng)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(wěn)定不受氣候的影響。

但是降阻劑在實(shí)際的工程應(yīng)用中確實(shí)也存在有一系列的問題，比如降阻劑的腐蝕性問題，降阻效果問題，降阻穩(wěn)定性問題，以及對地下水資源的污染問題。這主要是一些廠家片面追求短期的降阻效果而忽略了降阻穩(wěn)定性，長效性和對鋼接地體的腐蝕，有的還對環(huán)境構(gòu)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(yán)重的腐蝕。

在降阻劑的使用上要注意降阻劑用在小型接地裝置的降阻效果是非常有效的，如66kV及以下的變電所接地，送電線路桿塔接地，避雷針接地和微波信站的接地，使用降阻劑進(jìn)行降阻是非常有效的。選用合適的降阻劑后，應(yīng)嚴(yán)把施工工藝關(guān)，按要求施工。關(guān)于降阻劑的使用，一定要按廠家說明書上的方法使用和施工。要注意降阻劑要均勻的施加在接地體的周圍，不能有脫節(jié)現(xiàn)象；對施加降阻劑和不施加降阻劑的地方要有過渡措施；降阻劑的埋深要足夠，回填土要合格。

五、結(jié)束語

在奧鎂變工程中采用一種降阻措施并不能把接地電阻降到合格范圍，需要利用多種降阻措施進(jìn)行降阻。我們根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，綜合采用了外引接地網(wǎng)和降阻劑的綜合降阻措施。成功地解決了該變電所降阻難題。

采用綜合降阻措施時，需要首先分析計算出單一的降阻措施的降阻效果，再決定采用的復(fù)合補(bǔ)充措施。如奧鎂變采用外引接地網(wǎng)加降阻劑的方法降阻，要首先計算出僅采用外引接地網(wǎng)時的降阻效果，與目標(biāo)值相比較，看還相差多少，再根據(jù)降阻劑的特性計算出使用多少降阻劑。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析篩選出的最佳降阻方案，使奧鎂變在確保安全的情況下使用最少的投資來取得最佳的降阻效果。