高土壤電阻率變電站降阻措施分析及降阻目標(biāo)選擇

鐘 山，周煒明

(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

中國可利用土地資源十分寶貴，變電站選址越來越困難。相當(dāng)多的變電站站址處于山區(qū)，造成站內(nèi)土壤電阻率高且不均勻，接地系統(tǒng)設(shè)計難以滿足規(guī)程規(guī)范要求，尤其對于西南山區(qū)，地質(zhì)條件惡劣，地下水源匱乏，其矛盾更為突出。

在高土壤電阻率變電站，為降低接地系統(tǒng)的接地電阻，工程技術(shù)人員開展了大量研究工作，提出了局部換土、深井接地、引外接地和敷設(shè)接地極(接地模塊或離子棒)等新型降阻措施，并在工程中取得了顯著效果[1-3]。但目前高土壤率變電站接地設(shè)計中，如何結(jié)合工程實際選用技術(shù)經(jīng)濟合理的降阻措施主要還是參考以往工程經(jīng)驗，缺乏對各降阻措施的降阻特性的定量分析來指導(dǎo)工程設(shè)計。而降阻措施的選擇失當(dāng)，不但達(dá)不到期望的降阻效果，反而可能造成巨大的經(jīng)濟浪費。因此，有必要對常用降阻措施及其降阻特性進(jìn)行研究，便于工程應(yīng)用中合理選擇。

此外，即使采用了相應(yīng)的降阻措施，部分變電站的接地電阻仍難以滿足規(guī)程對接地電阻的要求。在確保人員和設(shè)備安全的前提下，合理確定降阻目標(biāo)，避免過度設(shè)計是工程設(shè)計中值得研究的課題。

1 常用降阻措施及特性分析

高土壤電阻率變電站接地裝置的接地電阻往往較大，發(fā)生接地故障后地電位升較高，接觸電壓及跨步電壓難以滿足規(guī)范要求，運行人員及設(shè)備安全難以得到保證。因此，在接地系統(tǒng)設(shè)計時，必須采取降阻措施以確保變電站安全和可靠運行。

在工程應(yīng)用中，較為常用的降阻措施主要有以下幾種：1)回填粘土、礦渣或降阻劑；2)深埋接地體，采用接地深井；3)敷設(shè)外引接地體；4)敷設(shè)接地電極(接地模塊或離子接地棒)[1,4]。

此外，深井爆破法及空腹式接地裝置等新型降阻措施也在近年來的一些變電站接地網(wǎng)設(shè)計及改造中得到應(yīng)用，由于尚未得到廣泛應(yīng)用，下面重點對前述4種降阻措施的降阻特性采用CDEGS軟件包進(jìn)行計算及分析。

為了便于對各種降阻措施的降阻效果進(jìn)行比較，定義降阻率為

(1)

式中：R′為接地網(wǎng)采用降阻措施后的接地電阻，Ω；R為接地網(wǎng)的接地電阻，Ω。

從式(1)可以看出，降阻率越大，說明降阻措施的降阻效果越好。

如無特別說明，仿真計算采用的基本模型為某500 kV變電站工程實例：200 m×150 m的10 m均勻等間距地網(wǎng)，導(dǎo)體為截面60 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼。

1.1 回填粘土、礦渣或降阻劑

回填粘土、礦渣或降阻劑是目前工程中采用較多的降阻方式，通常稱之為換土。換土的方式主要有兩種：部分回填(僅對地網(wǎng)周邊一圈導(dǎo)體進(jìn)行換土回填)和全部回填(對地網(wǎng)中所有導(dǎo)體進(jìn)行換土回填)。

通過改變地網(wǎng)所處土壤的電阻率大小，仿真計算兩種方式的降阻率。

1)部分回填

將地網(wǎng)周邊一圈導(dǎo)體換填直徑為1 m、電阻率為100 Ω·m的粘土，計算結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 部分換土后的降阻率

2)全部回填

將地網(wǎng)中所有導(dǎo)體換填直徑為1 m、電阻率為100 Ω·m的粘土，計算結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 全部換土后的降阻率

采用換填粘土措施降阻，在工程中應(yīng)用較多。從計算結(jié)果可以看出，地網(wǎng)所在區(qū)域土壤電阻率越大，其降阻效果就越好。圖1為兩種換土方式降阻率隨土壤電阻率變化的比較曲線，從曲線可以看出全部換土的降阻效果雖然比部分換土的效果要好，但并無質(zhì)的提高。

圖1 換土后降阻率曲線

根據(jù)上述計算結(jié)果，對于站址附近具備粘土、經(jīng)濟費用不高的工程，可以采用部分換土的方式進(jìn)行降阻，考慮到全部換土的降阻效果并不理想，且工程量太大，因此不建議采用。

1.2 接地深井

土壤的電阻率通常沿縱深方向分布是不均勻的，不同深度土壤電阻率是不同的。一般接近地面幾米以內(nèi)的電阻率并不穩(wěn)定，會隨季節(jié)氣候的變化而變化。土壤越深，電阻率越穩(wěn)定，特別是在高土壤電阻率及不能用常規(guī)方法埋設(shè)接地裝置的地區(qū)，采用垂直接地極與主接地網(wǎng)并聯(lián)是一種有效降低接地電阻的方法。同時由于垂直接地極方式可以克服場地窄小的缺點，這在城市和山區(qū)是一種行之有效的方法。

采用接地深井的降阻效果主要與接地深井的安裝位置及地網(wǎng)所在區(qū)域深層土壤電阻率密切相關(guān)，采用CDEGS軟件包進(jìn)行仿真計算分析如下：

1)接地井位置對降阻效果的影響

采用基本模型，假設(shè)地網(wǎng)區(qū)域土壤電阻率為2000 Ω·m，計算當(dāng)在地網(wǎng)的中心、邊、角3個不同位置分別設(shè)置1口100 m深的接地井時的降阻效果。計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同位置安裝接地井降阻效果計算結(jié)果

從表3可以看出，在地網(wǎng)角上加入接地極的降阻效果最佳，其次是邊，接地井在地網(wǎng)中心時降阻效果最差。主要原因在于：當(dāng)接地井安裝于地網(wǎng)角上，其與地網(wǎng)的相互屏蔽效應(yīng)最低，散流密度最大，邊次之，接地井在地網(wǎng)中心，屏蔽效應(yīng)最高，所以降阻效果最差。

2)深層土壤電阻率對降阻效果的影響

上例中深層土壤電阻率設(shè)置也為2000 Ω·m，與表層相同，因此深井降阻效果并不理想。采用雙層土壤模型，上層土壤厚度為50 m，土壤電阻率為2000 Ω·m；下層土壤厚度為無窮，改變下層土壤電阻率，計算降阻率，結(jié)果如表4和圖2所示。

表4 不同下層土壤電阻率時降阻效果計算結(jié)果

圖2 下層土壤電阻率對深井降阻的影響曲線

計算結(jié)果表明，下層土壤電阻率越低，采用接地深井降阻的效果越好，且效果非常明顯。如在工程中采用該措施，必須對站區(qū)深層土壤電阻率進(jìn)行勘測，在土壤電阻率低的前提條件下再使用，同時應(yīng)兼顧到深井的設(shè)置位置，使降阻效果達(dá)到最優(yōu)。在1口深井無法滿足降阻需要的時候，可設(shè)置多口，但應(yīng)注意到它們之間的屏蔽作用，盡可能使間距最大。

1.3 外引接地體

對于高土壤電阻率變電站，如果站外附近有低電阻率地區(qū)，比如水塘、水溝等，可以在這些區(qū)域敷設(shè)輔助接地體，從而降低接地系統(tǒng)的接地電阻。影響外引接地體降阻效果的主要因素就是接地網(wǎng)至站外低電阻率地區(qū)的長度。

采用基本模型，并使用2根截面為240 mm2的扁鋼將主地網(wǎng)引入附近的河流中，其土壤電阻率考慮為50 Ω·m。改變地網(wǎng)與河流的距離，計算相應(yīng)外引降阻率。計算結(jié)果如表5和圖3所示。

表5 不同外引接地體降阻效果計算結(jié)果

圖3 不同長度外引接地體時地網(wǎng)的接地電阻

從圖3可以看出，采用外引接地體降阻效果明顯。隨著外引長度的增加，地網(wǎng)接地電阻逐步減小，主要原因在于增加了其散流長度。當(dāng)外引長度在2000 m內(nèi)，降阻效應(yīng)隨長度的增加十分顯著，但是大于2000 m后，曲線趨于平穩(wěn)，且當(dāng)外引達(dá)到一定長度后，接地電阻不降反而有輕微的上升。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是，延長接地體本身也增加了接地系統(tǒng)的電阻，當(dāng)達(dá)到一定長度后增加的電阻大于相應(yīng)的降阻效應(yīng)。

上述仿真說明，具備外部條件的情況下，外引接地體是一種較好的降阻方式。但應(yīng)注意校核外引接地體通過路徑的跨步電壓是否滿足規(guī)程要求，如不符合要求必須采取增加接地體埋深或敷設(shè)瀝青路面措施，同時還應(yīng)定期檢測外引接地體是否完好。

1.4 離子接地極

近年來，采用離子接地極降阻在工程中得到了一定范圍的應(yīng)用。與普通垂直接地極比較，由于其隨時間推移能夠逐步散發(fā)電解離子，可以局部改善周邊的土壤特性，具備更好的降阻效果。對于單根離子接地極的降阻效果的定量分析，通常按式(2)計算。

(2)

式中：Rv為離子棒的等效接地電阻；ρ1為土壤的電阻率；l為離子棒長度；d為離子棒直徑；k為屏蔽系數(shù)，取0.2。

工程經(jīng)驗表明，當(dāng)使用多根離子接地極降阻時，由于存在多根之間的屏蔽作用，其等效接地電阻并不能簡單采用并聯(lián)計算。屏蔽系數(shù)的選擇，由于缺乏試驗測試的數(shù)據(jù)支持，尚無法確定。在工程應(yīng)用中應(yīng)沿接地網(wǎng)邊沿敷設(shè)，其最小間距應(yīng)大于2倍的接地極長度，這樣才能減少屏蔽效應(yīng)，起到良好的效果。

2 降阻目標(biāo)的選擇

《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，接地網(wǎng)的接地電阻宜滿足式(3)的要求：

R≤2000/IG

(3)

式中：R為采用季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；IG為計算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流有效值，A。

當(dāng)接地網(wǎng)的接地電阻不符合式(3)要求時，可通過技術(shù)經(jīng)濟比較適當(dāng)增大接地電阻[5]。這就給設(shè)計人員提供了一個較大選擇空間，同時也提出了一個問題，接地電阻降到多少是合適的。

通常一個500 kV變電站，其接地費用約150萬元左右；而對于高土壤電阻率變電站，由于需采取降阻措施，其接地系統(tǒng)費用高達(dá)300～500萬元，甚至仍有上升趨勢：因此，合理選擇降阻目標(biāo)是十分重要的，可以避免不必要的經(jīng)濟浪費。

2.1 確定降阻目標(biāo)的主要因素

大量研究成果表明，高土壤電阻率變電站的降阻目標(biāo)主要由以下兩個因素決定：

1)滿足接觸電壓和跨步電壓要求

確保人身及設(shè)備安全是接地系統(tǒng)設(shè)計的首要目標(biāo)。接觸電壓和跨步電壓要求在文獻(xiàn)[5]中均有相應(yīng)要求，不再贅述。通常高土壤電阻率變電站降阻后，跨步電壓較易滿足，而接觸電壓難度較大，可通過敷設(shè)碎石或瀝青混凝土地面等輔助措施來解決。

2)避免轉(zhuǎn)移電位的危害

由于接地電阻較大，造成變電站地電位升比較高，為確保設(shè)備及人身安全，應(yīng)避免高電位引出地網(wǎng)和低電位引入地網(wǎng)，主要有以下幾個方面需注意：

(1)向站外供電的三相四線制低壓的隔離；

(2)對外通訊線路的隔離；

(3)鐵軌和金屬管道的隔離；

(4)閥型避雷器的誤動作。

設(shè)計人員應(yīng)主要從以上兩個方面來考慮，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較確定具體工程接地系統(tǒng)的允許接地電阻。

2.2 設(shè)定降阻目標(biāo)的誤區(qū)

由于地電位升與地網(wǎng)的接觸電壓及跨步電壓密切相關(guān)，地電位升越高，接觸電壓及跨步電壓計算值越大，越難以滿足該接地系統(tǒng)的允許值。因此，通常通過降阻來降低地網(wǎng)的地電位升，并消除過大的地電位升帶來的危害。但兩者是否存在線性關(guān)系，其實不然。

某500 kV變電站接地電阻和分流系統(tǒng)計算情況如表6所示。相應(yīng)地電位升與接地電阻關(guān)系如圖4所示。

圖4 地電位升與地網(wǎng)接地電阻的關(guān)系曲線

表6 不同接地電阻分流系數(shù)計算結(jié)果

由計算結(jié)果可以看出，即使當(dāng)接地電阻從10 Ω降低至1 Ω時，其地電位升并未明顯降低，而在低于1 Ω后，地電位升則下降明顯。算例表明，降低地網(wǎng)的接地電阻，并不能象通常認(rèn)為的能等比例地降低地電位升，原因在于當(dāng)接地電阻降低，其分流系數(shù)也將降低，入地電流反而增大，地電位升隨之增大，從而抵消或部分抵消降阻對降低地電位升的影響。因此，選擇降阻目標(biāo)必須慎重，過度設(shè)計或盲目降阻將可能造成巨大的經(jīng)濟浪費。

3 結(jié) 語

前面對工程應(yīng)用中的主要降阻措施進(jìn)行了仿真分析，并探討了如何設(shè)定降阻目標(biāo)，主要結(jié)論如下：

1)換土降阻的效果并不理想，其降阻率偏低，在代價不高情況下，可在地網(wǎng)邊沿采用部分換土回填方式降阻。

2)深井接地極在深層土壤電阻率低的前提下，降阻效果明顯，接地井應(yīng)設(shè)置在地網(wǎng)邊角上，使降阻效果最優(yōu)。

3)低土壤電阻率區(qū)域在距離地網(wǎng)2000 m范圍內(nèi)時，外引接地體降阻效果明顯，超過該距離降阻效果與延長接地體增加的電阻將相互抵消。

4)工程實踐表明，離子接地體具有一定降阻效果，在采用多根離子接地體降阻時應(yīng)考慮屏蔽效應(yīng)的影響。

5)接地網(wǎng)的降阻目標(biāo)應(yīng)主要考慮滿足接觸電壓及跨步電壓的需要，同時避免轉(zhuǎn)移電位的危害。

6)地網(wǎng)的地電位升應(yīng)根據(jù)分流系數(shù)的計算結(jié)果確定，盲目采用降低電阻的方式降低地電位升不可取。