高土壤電阻率地區(qū)降阻措施研究

周 潔 李海濱 聶文海 陳 斌

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高土壤電阻率地區(qū)降阻措施研究

周 潔1李海濱1聶文海1陳 斌2

（1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038；2. 江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京 211102）

位于高土壤電阻率地區(qū)的變電站接地網(wǎng)接地電阻較高，且變電站征地困難和費(fèi)用較高等常規(guī)降阻方案難以達(dá)到預(yù)期效果。本文針對(duì)此提出了3種適用的降阻措施。雙層地網(wǎng)系統(tǒng)，適用于底層土壤電阻率較低的情況；離子接地極深井系統(tǒng)，適用于土壤電阻率高的情況；斜長(zhǎng)接地系統(tǒng)，適用于土壤電阻率不是很高且底層土壤電阻率不降低的情況。本文對(duì)這3種降阻措施分別進(jìn)行了詳細(xì)研究，具有實(shí)際參考意義。

降阻措施；雙層地網(wǎng)；離子接地極；斜長(zhǎng)接地極

隨著城市用地的緊張，變電站布置越來越緊湊，占地面積越來越小，但同時(shí)隨著智能變電站的推行生產(chǎn)運(yùn)維部門對(duì)接地系統(tǒng)的要求越來越高，接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度較大[1-3]。特別是在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻一般很難達(dá)到要求。因此，需要采取各種措施以降低接地電阻。

現(xiàn)在電網(wǎng)工程征地成本高昂，在不增加征地的條件下，本文提出了適用于不同類型高土壤電阻率地區(qū)的降阻措施，并對(duì)各種措施進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，使得變電站接地電阻能達(dá)到設(shè)計(jì)要求值。本文以將接地電阻降低到0.5W以下為目標(biāo)，研究各降阻措施所需的條件及采取的措施，實(shí)際工程中當(dāng)接地電阻無法滿足要求或?yàn)檫_(dá)到目標(biāo)降阻費(fèi)用過大時(shí)，目標(biāo)接地電阻可根據(jù)相關(guān)規(guī)程和實(shí)際條件適當(dāng)?shù)胤艑捯?，但是?yīng)做好相關(guān)措施，保證人身安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 接地網(wǎng)降阻的基本原理

根據(jù)我國(guó)相關(guān)接地標(biāo)準(zhǔn)中接地網(wǎng)接地電阻值的計(jì)算方法如下[4]。

接地網(wǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算法為

加密水平接地網(wǎng)能夠增加接地極長(zhǎng)度為，降低接地電阻，但是當(dāng)增加到一定大小繼續(xù)增加對(duì)接地電阻的影響較小，且其經(jīng)濟(jì)性較差；外引接地是在水平方向增大接地網(wǎng)面積，雙層接地網(wǎng)和接地井實(shí)在垂直方向增加接地網(wǎng)面積，斜長(zhǎng)接地極相當(dāng)于增大了接地網(wǎng)的面積且不需征地；換土、添加降阻劑、離子接地極是人為的減小土壤電阻率[5-6]。

在各種降阻措施中，外引擴(kuò)網(wǎng)和水平接地體外延需額外征地，水平接地網(wǎng)均壓帶加密對(duì)于高土壤電阻地區(qū)降阻效果微乎其微，因而本文重點(diǎn)討論雙層地網(wǎng)系統(tǒng)、離子接地極接地深井系統(tǒng)和斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)這3種降阻措施。

2 雙層接地網(wǎng)系統(tǒng)論

1）雙層地網(wǎng)降阻原理

雙層接地網(wǎng)是利用下層低土壤電阻率區(qū)域以達(dá)到降低接地電阻目的的，可以考慮將接地網(wǎng)部分埋于深層土壤，部分埋于表層土壤，該方案能有效降低接地電阻，相關(guān)研究表明下層接地網(wǎng)格大小不同，對(duì)接地電阻影響不大，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮可采用下層接地網(wǎng)為單一外框的形式[8-9]。雙層地網(wǎng)主要靠底層低土壤電阻率區(qū)域?qū)崿F(xiàn)降阻，因而本文著重研究底層土壤電阻率相對(duì)降阻效果的影響。

2）算例分析

假設(shè)某變電站接地網(wǎng)面積為114m×87m，導(dǎo)體間距為10m，接地導(dǎo)體為60×8熱鍍鋅扁鋼，最大入地電流為15kA；該站址所處地區(qū)為雙層土壤，表層土壤電阻率為400W·m，分層厚度為2m。底層土壤電阻率值選取見表1。

表1 底層土壤電阻率不同對(duì)降阻效果的影響

上層接地網(wǎng)埋深0.8m，網(wǎng)格大小10m×10m，下層接地網(wǎng)埋深2.5m，且為減小施難度只保留水平接地網(wǎng)外框。該方案只需在變電所周圍一圈挖深2.5m，所內(nèi)只需挖深0.8m。敷設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 雙層接地網(wǎng)敷設(shè)示意圖

經(jīng)CDEGS計(jì)算得到分別輻射單層地網(wǎng)和雙層地網(wǎng)的接地電阻結(jié)果如下。

通過計(jì)算結(jié)果可以看到，當(dāng)?shù)讓油寥离娮杪蕿?5W時(shí)，采用雙層接地網(wǎng)方式可以將土壤電阻率降低到0.5W以下；通過對(duì)比接地電阻降低百分比可以看到，底層土壤電阻率越小，雙層接地網(wǎng)降阻效果越明顯。

3 離子接地極接地深井系統(tǒng)

當(dāng)土壤電阻率很高時(shí)，此時(shí)采用雙層接地網(wǎng)或斜長(zhǎng)接地極方案獲得降阻效果一般時(shí)，考慮到征地費(fèi)用、民事賠償?shù)葐栴}，可以適當(dāng)利用深井接地系統(tǒng)、離子接地裝置和一些輔助降阻材料聯(lián)合降阻。

1）離子接地極降阻原理

離子接地極降阻技術(shù)是將電解離子化合物裝入銅管中制成電解地極，銅管上設(shè)有大量呼吸孔，電解離子化合物通過呼吸孔與周圍土壤中的水分發(fā)生潮解反應(yīng)，釋放電解離子，降低周圍土壤電阻率[11]。

離子接地極降阻法具有占地面積小、安裝過程規(guī)范性，施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)周圍的土壤環(huán)境要求較低，應(yīng)用面較廣。

離子接地極結(jié)合深井系統(tǒng)，同時(shí)向井內(nèi)灌注低電阻率材料，改善接地體與土壤或巖石裂縫中的沉積物，通過樹枝反應(yīng)，改變電流流過路徑，增加接地體占有的面積，有效降低接地電阻。離子接地極的降阻效果示意圖如圖2所示。

2）算例分析

以某變電站為例，該變電站水平地網(wǎng)面積為3813m2，土壤電阻率取值430W·m，水平地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算如下：

圖2 離子接地極降阻效果圖

式中，1為水平地網(wǎng)的接地電阻；為變電站的土壤電阻率；為地網(wǎng)面積。

在主地網(wǎng)外圍均勻布置6口50m的深井，每口深井內(nèi)布置6m長(zhǎng)的離子接地極1套，用95mm2銅絞線引出井外與主地網(wǎng)相連，并向井內(nèi)灌注低電阻率的離子緩釋填料以輔助降阻，每米用量25kg，合計(jì)約7.5t。

單口深井接地系統(tǒng)的接地電阻為

式中，2為單口深井接地系統(tǒng)的接地電阻；為變電站的土壤電阻率；1為單口深井接地極的長(zhǎng)度；為深井接地體的等效直徑；為離子緩釋填料利用系數(shù)。則多組深井接地系統(tǒng)與水平地網(wǎng)并聯(lián)后的綜合電阻為

接地電阻仍不能滿足要求。

在主地網(wǎng)外圍布置20口6m深的淺井，配置6m長(zhǎng)的離子接地極1套，淺井內(nèi)每組配合使用80kg離子緩釋填料以輔助降阻。

20套離子接地極的接地電阻為

20套離子接地極與水平綜合地網(wǎng)、深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合電阻為

式中，5為水平地網(wǎng)、深井接地系統(tǒng)、離子接地極并聯(lián)后的總接地電阻；4為20套離子接地極的接地電阻；3為水平地網(wǎng)與深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合接地電阻。

4 斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)

1）斜接地極降阻原理

斜接地極降阻原理與垂直接地極相似，但由于其與地面垂直方向存在一定的角度，能夠在不額外征地的情況下增加接地網(wǎng)面積，從而降低接地電阻。

實(shí)際工程中可根據(jù)地下土壤分層情況、地下設(shè)施的布置情況調(diào)整斜井接地極與地面的夾角，達(dá)到預(yù)期的降阻效果[5-13]。本文針對(duì)均勻土壤模型，主要從斜接地極長(zhǎng)度方面研究接地極的降阻效果。斜長(zhǎng)接地極方案如圖3所示。

圖3 斜長(zhǎng)接地方案示意圖

2）算例分析

假設(shè)土壤模型為均勻土壤，土壤電阻率為150W·m。該變電所水平接地網(wǎng)面積為114m×87m，導(dǎo)體間距為10m，接地導(dǎo)體采用60×8熱鍍鋅管扁鋼，最大入地電流為15kA。在0.8m深處埋設(shè)網(wǎng)格為10m的上層水平接地網(wǎng)，在接地網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加斜長(zhǎng)接地極，沿主接地網(wǎng)邊緣設(shè)置8根斜長(zhǎng)接地極，與水平面夾角為20°，長(zhǎng)度分別見表2。

通過計(jì)算結(jié)果可以看到，采用斜長(zhǎng)接地極可以獲得一定的降阻效果，斜長(zhǎng)接地極越長(zhǎng)，降阻效果越好。以本節(jié)模型為例，接地電阻想要降低到0.5W以下，需采用60m長(zhǎng)的斜長(zhǎng)接地極。斜長(zhǎng)接地極方案在不增加征地面積的情況下，通過線性延伸地網(wǎng)擴(kuò)大地網(wǎng)面積，從而獲得了不錯(cuò)的降阻效果。

表2 斜接地極長(zhǎng)度對(duì)降阻效果的影響

5 結(jié)論

本文針對(duì)高土壤電阻率地區(qū)的變電站，提出了雙層接地網(wǎng)、離子接地極接地深井系統(tǒng)和斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)3種降阻方案。

1）雙層地網(wǎng)系統(tǒng)適用于底層存在低阻層的區(qū)域，底層土壤電阻率越低其降阻效果越好。

2）離子接地極深井系統(tǒng)適用于土壤電阻率很高的地區(qū)，通過離子接地極和深井的結(jié)合，獲得較好的降阻效果。

3）在土壤電阻較高且底層土壤電阻率不降低的情況下，可以采用斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)以降低接地電阻。

在實(shí)際工程接地設(shè)計(jì)中要綜合考慮站址地形地貌、土壤分層情況、地下水分布情況等，并經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較選擇合適的降阻方案。當(dāng)單一降阻方案無法達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，可以采取幾種降阻的組合方案。

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Research on decreasing soil resistivity in high soil resistivity regions

Zhou Jie1Li Haibin1Nie Wenhai1Chen Bin2

(1. State Grid Jibei Electric Economic Research Institute, Beijing 100038;2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102)

High soil resistance rate in the substation could result in high grounding resistivity. Conventional method to solve this problem such as enlarging the grounding grid area is hard to implement due to the high land acquisition cost. Hence, three methods to decrease the soil resistivity without redundant land are proposed. Double-layer ground grid method is used when the deeper soil obtains low soil resistivity; ion earthing electrode method is used for the region which has rather high soil resistivity; inclined electrode methodis suitable for the area with uniformly distributed soil and intermediate soil resistivity. These methods have been analyzed and proved to be effective in engineering practice.

decreasing soil resistivity; double-layer ground grid; ion earthing electrode; inclined electrode

2017-12-06

周 潔（1989-），女，北京人，碩士，工程師，從事電網(wǎng)項(xiàng)目咨詢工作。