牽引變電站接地網(wǎng)的應(yīng)用探討

趙雪峰

[摘 ?要]從接地和變電所接地網(wǎng)概念和使用原理展開，通過對海勒斯壕牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的介紹，重點(diǎn)對接地裝置材料選擇、降低接地電阻措施等影響牽引供電系統(tǒng)接地安全的技術(shù)問題進(jìn)行了分析。通過采用常規(guī)化接地網(wǎng)方式和采用離子接地極方法兩種接地網(wǎng)設(shè)置實(shí)例進(jìn)行了對比分析，總結(jié)得出采用電解離子接地極與水平地網(wǎng)結(jié)合的接地方案的降阻效果更為明顯，能夠在有限的環(huán)境內(nèi)達(dá)到的接地電阻要求。

[關(guān)鍵詞]牽引變電站 ?接地網(wǎng) ?接地極

中圖分類號(hào)：U27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）23-0395-02

引言

牽引變電所是電氣化鐵道供電的核心之一，接地系統(tǒng)是保證牽引變電所安全可靠運(yùn)行、保證人身及設(shè)備安全的重要設(shè)施。由于接地裝置埋設(shè)于地下，維護(hù)較困難，所以確保其設(shè)計(jì)滿足技術(shù)參數(shù)要求，在其運(yùn)行壽命周期內(nèi)，始終能起到其應(yīng)有的作用，是牽引變電所系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須重視的問題。根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009-2005）的規(guī)定，牽引變電所接地網(wǎng)的接地電阻值一般按不大于0.5Ω設(shè)計(jì)。位于高土壤電阻率地區(qū)的牽引變電所，在不采取任何降阻措施的情況下，要達(dá)到此要求非常困難。本文就以“牽引變電站防雷接地網(wǎng)應(yīng)用探討”為課題進(jìn)行研究。

一、課題研究相關(guān)信息

（一）接地的概念

電氣回路或設(shè)備與大地，或與可代替大地的導(dǎo)體之間的導(dǎo)電的連接，可以是有意的連接，也可以是無意的連接。在配電回路或分支回路里，所有的回路和設(shè)備都通過導(dǎo)電連接來互相連通，從而減少它們之間的電位差，或?qū)㈦娢徊钕拗频阶钚≈担Q之為接地。

接地作用如下：

1.提供設(shè)備與近處金屬物體間的低阻抗連接，以減少人身電擊危險(xiǎn);

2.給接地故障電流提供返回電源的低阻抗通路，使熔斷器或斷路器得以動(dòng)作;

3.給雷電感應(yīng)電流提供低阻抗的對地泄放通路;

4.給靜電電荷提供對地泄放通路，以防產(chǎn)生電火花或電弧。

（二）接地網(wǎng)介紹

牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案為敷設(shè)以水平接地體為主的人工接地網(wǎng)，輔以垂直接地極。水平接地體的外緣閉合，外緣各角煨制成圓弧形，圓弧的半徑不小于均壓帶間距的一半。水平接地體的間距不宜小于5 m，而垂直接地極的間距應(yīng)大于或等于其長度的2倍。

接地體是一個(gè)與大地電氣接觸的裸露導(dǎo)體或其它導(dǎo)電，或者埋入與大地有大面積接觸的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)里的裸露導(dǎo)體或其它導(dǎo)電元件。

工頻電流從接地體向周圍的大地散流時(shí)土壤呈現(xiàn)的電阻稱為接地電阻。接地體的特性表現(xiàn)為接地電阻，它被定義為接地體和參照物或遠(yuǎn)處大地之間的有效電阻。接地電阻的數(shù)值等于接地體的電位與通過接地體流入地中電流的比值。接地電阻取決于土壤電阻率ρ，也取決于接地體的幾何尺寸及接地體的設(shè)計(jì)。

目前，國際國內(nèi)防雷理論和工程界比較流行共用接地和等電位連接兩種：

1.共用接地就是把同一建筑物內(nèi)的許多不同性質(zhì)的接地裝置如防雷地、電氣安全接地、交流電源工作地、通信及計(jì)算機(jī)直流地全部地連接在一起，使之成為一個(gè)等電位體;

2.等電位連接是把建筑物內(nèi)及附近的所有金屬物，如混凝土內(nèi)的鋼筋，自來水管、煤氣管及其它金屬管道、電力系統(tǒng)的零線等用電氣連接的方法連接起來（焊接或者可靠的電氣連接），使整座建筑物成為一個(gè)良好的等電位體。當(dāng)雷電來襲時(shí)，由于建筑物內(nèi)部及其附近基本上做到等電位，從而不會(huì)發(fā)生建筑物內(nèi)部的設(shè)備被高電位反擊和人身雷擊的事故。

由于采用了等電位連接，對建筑物接地電阻的要求可以放寬。這一點(diǎn)對干旱、沙漠等土壤電阻率高的地區(qū)尤為重要。所以，在地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

2.1 盡量采用建筑物地基的鋼筋和自然金屬接地物統(tǒng)一連接來作為接地網(wǎng);

2.2 盡量以自然接地物為基礎(chǔ)，輔以人工接地體補(bǔ)充，外形盡可能采用閉合環(huán)形;

2.3 應(yīng)采用統(tǒng)一接地網(wǎng)，用一點(diǎn)接地的方式接地。

三、牽引變電站防雷接地的應(yīng)用

從目前我國變電站防雷接地技術(shù)的發(fā)展情況來看，隨著科技的發(fā)展，防雷接地技術(shù)也得到了一定的進(jìn)步，整體的發(fā)展逐步從不成熟到成熟，從成熟到方案的優(yōu)化。就以巴準(zhǔn)線牽引變電所接地的應(yīng)用為例進(jìn)行分析。

（一）工程概況

牽引變電所位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯境內(nèi)，地貌被兩川九灣十八溝切割得支離破碎，該站植被稀疏，巖石裸露，水土流失嚴(yán)重，實(shí)測土壤電阻率平均值為210Ω·m，變電站占地面積5297.5m2。地網(wǎng)建設(shè)面積小，土壤電阻率高，地網(wǎng)接地電阻按照以往的接地降阻方式很難滿足接地要求，接地電阻的實(shí)施方案就是總體工程方案的重點(diǎn)之一。

為了保證該站整個(gè)接地網(wǎng)的電氣性能的穩(wěn)定性，抗腐蝕能力強(qiáng)，提高接地網(wǎng)的使用年限，選擇銅質(zhì)材料最為合適。因?yàn)殂~質(zhì)材料有良好的導(dǎo)流效果且電氣性能穩(wěn)定，抗腐蝕能力強(qiáng)，所以水平接地網(wǎng)選用150純銅絞線，-50×5mm鍍鋅扁鋼為接地材料。垂直接地極主要采用Ф20×2.5m純銅接地棒連接地極。所有焊接點(diǎn)采用放熱工藝焊接，提高接地網(wǎng)的防腐性能和泄流性能，來滿足該變電站接地電阻的要求。

合理布置接地網(wǎng)格，充分考慮接觸電壓和跨步電壓從而達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，保證工作人員和設(shè)備安全。避雷針的接地網(wǎng)距離主接地網(wǎng)應(yīng)大于3m。

（二）接地要求

1.接地電阻≤0.5。

2.安全電壓。為了提高地網(wǎng)的安全性，保證工作人員和設(shè)備的安全。則在全站敷設(shè)均壓網(wǎng)格，使接觸電壓和跨步電壓達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，保證工作人員安全。

（三）接地網(wǎng)方案比較

地網(wǎng)接地電阻的推算。地網(wǎng)接地電阻受土質(zhì)、天氣條件、地網(wǎng)水平接地體長度、深度、材質(zhì)、接地體形狀、地網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素影響。準(zhǔn)確地計(jì)算其數(shù)值非常困難。但可以盡量客觀地進(jìn)行測算，避免地網(wǎng)的盲目性實(shí)施，進(jìn)行必要的調(diào)整。

1.方案一：

海勒斯壕南站牽引變電所采用78根垂直接地極主要采用Ф20×2.5m純銅接地棒來接地極，其他條件，土壤電阻率參考值ρ按210Ω·m;接地網(wǎng)面積5297.5m2，周長約293m;地網(wǎng)埋深0.8m;150純銅絞線為水平接地極;-50×5mm鍍鋅扁鋼為接地線;垂直接地極主要采用Ф20×2.5m純銅接地棒來接地極。

1.1 水平接地極的接地電阻：

R：任意形狀閉合接地網(wǎng)電阻值，Ω;S地網(wǎng)的總面積，5297.5m2;ρ：土壤電阻率210Ω·m;：等值（等面積、等水平接地極總長度）方形接地網(wǎng)的接地電阻Ω;d：水平接地極的直徑或等效直徑，;h：水平接地體的埋設(shè)深度0.8m;：接地網(wǎng)的外緣邊線長度，293m;L：水平接地極的總長度，1860m。

水平接地極的接地電阻Ω。

1.2共使用78根純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻：

78根;

L：單根純銅實(shí)體接地棒的長度2.5m;d：單根純銅實(shí)體接地棒的等效直接0.02m;單根純銅實(shí)體接地棒的接地電阻;：78根純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻;n：接地棒數(shù)量78根;：接地棒間的屏蔽系數(shù)0.65。

78根垂直接地極接地電阻Ω

1.3 水平接地網(wǎng)和垂直接地極組合總的接地電阻：

Ω;Ω;水平和垂直接地網(wǎng)間屏蔽系數(shù) ? 0.85。Ω

經(jīng)計(jì)算：要求的接地電阻≤0.5，全站接地電阻在土壤電阻率210Ω·m時(shí)的接地電阻Ω。不滿足接地電阻的要求，需要加強(qiáng)接地措施。

2.方案二

電解離子接地極降阻。電解離子接地極是通過電極自身的釋放孔吸收空氣中的水分，然后與自然的電解鹽等晶體物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成電解離子，通過小孔釋放到周圍的土壤中去。這樣一來可以不斷的改善周圍土壤電阻率，并增加周圍土壤的導(dǎo)電性，從而降低接地電阻;另一方面，通過向周圍像毛細(xì)血管狀的電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)不斷滲透得可大大增加離子接地極的等效直徑和等效長度，而降低接地電阻。

電解質(zhì)離子接地極理論計(jì)算：

在不改變水平接地網(wǎng)前提下，在水平接地網(wǎng)周邊設(shè)置38根SGR-DLФ54的電解質(zhì)離子接地極，原接地網(wǎng)內(nèi)部的40根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒不變。

2.1使用38根SGR-DL2Ф54的電解質(zhì)離子接地極并聯(lián)后的接地電阻：

a：電解質(zhì)離子接地極的等效直徑0.2m;L：電解質(zhì)離子接地極的長度3m;：38根電解質(zhì)離子接地極并聯(lián)后的接地電阻;：單根電解質(zhì)離子接地極的接地電阻。Ω

2.2 使用40根純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻：

：40根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻;

：單根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒的接地電阻。

Ω

2.3 38根SGR-DLФ54的電解質(zhì)離子接地極，原接地網(wǎng)內(nèi)部的40根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒及水平接地網(wǎng)構(gòu)成的接地裝置的接地電阻：

：水平接地網(wǎng)接地電阻1.05Ω。

R：采用電解質(zhì)離子接地極后接地電阻。

R=0.32Ω

2.4 在水平接地極每邊包裹上5cm的SGR-M2降阻劑，添加降阻劑后可提高降阻效果。填充降阻劑前測量接地電阻為0.32Ω，填充后可降阻15%，整個(gè)接地網(wǎng)接地電阻為：0.32×85%=0.28Ω<0.5Ω滿足要求。

3.方案比較分析

以往接地降阻方法有打深井、加降阻劑和增設(shè)外引地網(wǎng)3種。采用深井接地的方式，工程費(fèi)用較高，而且由于本牽引變電所的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本是巖石，電阻率大大超過表層，打深井接地的降阻效果差。降阻劑的降阻幅度也非常有限，況且大多數(shù)降阻劑對接地體有較大的腐蝕作用，從長期運(yùn)行來看，得不償失。采用增設(shè)外引地網(wǎng)則存在征地困難，以及周邊地質(zhì)條件與本所相近，降阻效果有限。

海勒斯壕南牽引變電所因地形及其他地質(zhì)條件限制，在不改變水平接地網(wǎng)前提下，只能采用增加接地極、填充電阻率較低的物質(zhì)和高效低阻防腐接地材料聯(lián)合實(shí)現(xiàn)降阻措施。

通過本次牽引變電所地網(wǎng)實(shí)例表明，相對于傳統(tǒng)的接地降阻措施，在土壤電阻率比較高或者接地面積比較小的地方，采用電解離子接地極與水平地網(wǎng)結(jié)合的接地方案的降阻效果更為明顯。

五、結(jié)束語

變電所的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)施在提高接地網(wǎng)的使用壽命、降低接地工程造價(jià)的同時(shí)，應(yīng)保證接地系統(tǒng)的可靠性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、耐腐性。在部分牽引變電所建設(shè)時(shí)，由于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件較差，土壤電阻率較高，而征地面積受限的條件下，常規(guī)化的地網(wǎng)設(shè)計(jì)已不可行，本文通過牽引變電所防雷接地網(wǎng)應(yīng)用常規(guī)化接地網(wǎng)方式和采用離子接地極方法進(jìn)行了對比分析。通過這樣一個(gè)課題的研究，采用電解質(zhì)離子接地極系統(tǒng)的方案解決了上述問題。結(jié)合其施工的便利性及相對經(jīng)濟(jì)性，在相應(yīng)的防雷接地工程中更具實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 變電站防雷接地技術(shù)的應(yīng)用剖析;陳秀珍;《山東工業(yè)技術(shù)》;2015年24期.

[2] 對變電站防雷接地的技術(shù)研究;穆玉禮;《科學(xué)中國人》;2015年02期.

[3] 淺談陰極保護(hù)在變電站防雷接地中的應(yīng)用;蘇荔;《中國電業(yè)（技術(shù)版）》;2012年09期.

[4] 淺析變電站防雷接地技術(shù)的應(yīng)用;吳敬柱;《中國高新技術(shù)企業(yè)》;2015年34期.

[5] 35kV變電站防雷與接地技術(shù)及相關(guān)防護(hù);王泉萍;《科技創(chuàng)業(yè)家》;2013年18期.