慶陽市某變電站接地網(wǎng)改造工程設(shè)計(jì)

徐 耕，王容鶴

（1．慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000；2.慶陽市資源勘查院，甘肅 慶陽 745000）

雷電是自然界中一種復(fù)雜的大氣物理現(xiàn)象，是帶電荷的云層內(nèi)部、云層與大地、云層與云層之間產(chǎn)生的一種遠(yuǎn)距離的瞬間放電現(xiàn)象，表現(xiàn)出高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射、瞬時(shí)性、突發(fā)性與破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷電發(fā)生頻率顯著升高，由此造成的影響與破壞也日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每分鐘將會發(fā)生2 000次雷電過程，每年由雷擊造成的人員傷亡數(shù)量多于1萬人，由此造成的通信中斷、電力線路故障、火災(zāi)、爆炸等安全事故逐年增多。慶陽市位于甘肅省東部，該地區(qū)的雷電活動較強(qiáng)。特別是在夏季，雷電活動尤為強(qiáng)烈且多發(fā)，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)孛癖姷娜粘Ｉa(chǎn)和生活，甚至危及生命安全。慶陽某變電站位于慶陽市郊處，該地區(qū)土壤電阻率為400Ω·m。地形平坦，地下水位深度約32 m，最大凍土深度約1.15 m。這個(gè)變電站基礎(chǔ)土壤的主要成份為黃土狀亞粘土或輕亞粘土。上部為0.6 m左右厚的耕土，有大孔隙，15 m以下為輕亞粘土夾數(shù)層砂卵石。地質(zhì)構(gòu)造簡單均勻。隨著該變電站運(yùn)行時(shí)間的增長，雷雨天時(shí)站內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率也不斷增加。經(jīng)勘查，主要是因?yàn)樵撜镜慕拥鼐W(wǎng)接地電阻超標(biāo)，不能及時(shí)泄放雷電流造成。因此，做好雷電防護(hù)工作，對于保障大眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。接地網(wǎng)的作用較多，主要有雷電流的泄放、故障電流的泄流、精密儀器設(shè)備的工作接地等。然而接地網(wǎng)在運(yùn)行過程中隨著使用年限的增加，容易出現(xiàn)斷裂、腐蝕的情況，發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)變大[1]。隨著變電站的不斷發(fā)展，接入地網(wǎng)的高精度弱電設(shè)備也逐漸增多，這些設(shè)備需有良好的接地才能正常使用運(yùn)行。這就對變電站接地網(wǎng)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，其運(yùn)行安全也越來越受到重視，其中，接地電阻是衡量地網(wǎng)的一個(gè)極為重要的技術(shù)參數(shù)，在變電站正常運(yùn)行中必須達(dá)到一定的規(guī)范數(shù)值才可以。本文通過對該變電站原地網(wǎng)及地質(zhì)情況的實(shí)際勘察，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)的要求對該站接地網(wǎng)進(jìn)行改造。測量改造完成后，地網(wǎng)的跨步電壓和設(shè)備接觸電壓等均達(dá)到了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1 原接地網(wǎng)存在的隱患

1.1 接地材料存在嚴(yán)重腐蝕、斷裂

在對原接地網(wǎng)開挖檢查發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)接地體銹蝕腐爛嚴(yán)重，腐蝕情況如圖1所示。接地線和接地體的截面積偏小，后對接地體進(jìn)行了電阻測試，發(fā)現(xiàn)其接地電阻阻值也超標(biāo)嚴(yán)重。在地網(wǎng)對角方向，測得接地電阻為0.98Ω，而在另一處對角線方向測量時(shí)接地電阻為1.68Ω。二者接地電阻值相差較大，說明接地網(wǎng)在埋入地下的接地裝置已不是一個(gè)整體，埋入地下的接地扁鐵已被腐蝕斷裂，無法滿足國標(biāo)和電力行業(yè)對接地網(wǎng)的要求。接地網(wǎng)銹蝕除了運(yùn)行時(shí)間較長，另外地網(wǎng)中雜散電流也會加速電化學(xué)腐蝕的進(jìn)程。發(fā)生這種情況后，地網(wǎng)在進(jìn)行雷電流泄流或接入地網(wǎng)的設(shè)備發(fā)生漏電等情況時(shí)，存在很大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致人員安全問題。

圖1 接地帶扁鋼的腐蝕情況

1.2 接地電阻超標(biāo)

接地電阻的目標(biāo)值由下式確定：

式中I為實(shí)際流入接地網(wǎng)的接地短路電流值，該站的I為1 880 A，則接地電阻的理論值應(yīng)該為0.94Ω。而接地電阻實(shí)測值為0.98～1.68Ω，超過了接地電阻的要求，需要對接地網(wǎng)進(jìn)行改造，以達(dá)到降低接地電阻的目的。

2 接地網(wǎng)工程改造

原地網(wǎng)的情況如圖2所示，針對該變電站接地網(wǎng)存在的隱患對原接地網(wǎng)進(jìn)行改造。主要有以下措施。

圖2 變電站原地網(wǎng)狀況

（1）挖開已斷裂腐蝕的接地體，用新的熱鍍鋅扁鐵進(jìn)行更換，對新敷設(shè)的接地體采取嚴(yán)格的防腐措施，延長使用壽命[2]。

（2）對電阻率較高的地方，采取有效的降阻措施，利用降阻劑與埋設(shè)新接地極的方法進(jìn)行改造設(shè)計(jì)[3]。

（3）設(shè)計(jì)新的接地網(wǎng)，與原地網(wǎng)好的部分連為一體，增大地網(wǎng)的面積。這樣形成的新地網(wǎng)具有更好的導(dǎo)通性，不但對接入地網(wǎng)的設(shè)備可以重新起到保護(hù)作用，也使地網(wǎng)的跨步電壓和設(shè)備接觸電壓達(dá)到電力部門的要求[4]。

3 接地網(wǎng)改造措施

圖3 文納四級法連接圖

3.1 地網(wǎng)改造方案

變電站站內(nèi)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)：開工前對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)檢查分析，開挖原地網(wǎng)的原則為盡量保護(hù)地面設(shè)施，能不開挖的不開挖，能小面積開挖的小面積開挖，開挖后及時(shí)恢復(fù)原樣。新鋪設(shè)的接地網(wǎng)應(yīng)覆蓋整個(gè)變電站，為保證均壓效果、跨步電壓以及設(shè)備接觸電壓符合要求，全站接地以水平接地體為主，以垂直接地體為輔組成符合接地網(wǎng)。主接地網(wǎng)溝深0.9 m，采用熱鍍鋅圓鋼進(jìn)行敷設(shè)，垂直接地體采用熱鍍鋅角鋼埋設(shè)。降阻劑采用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑，主要使用在土壤電阻率較高的區(qū)域，攪拌均勻后包裹人工接地體，達(dá)到降低土壤電阻率的目的。

經(jīng)對現(xiàn)場檢查分析后，結(jié)合構(gòu)建筑物、電器設(shè)備、道路等相關(guān)設(shè)施位置規(guī)劃，針對部分設(shè)備不能斷電改造的特殊要求，考慮采用新舊地網(wǎng)更換引出線、連接線，不影響設(shè)備正常運(yùn)行的方式，設(shè)計(jì)中提出了2種降阻方案。

方案一：站內(nèi)接地網(wǎng)為7 m×7 m的方孔接地體，材料用的是普通扁鋼。經(jīng)現(xiàn)場測量站后有一塊果林的土壤電阻率約250Ω·m。在該站周圍測試發(fā)現(xiàn)，可以在原地網(wǎng)的狀況上做水平外引接地體。水平外引接地體的長度為120 m，寬度為60 m，圍繞原地網(wǎng)進(jìn)行敷設(shè)，形狀為矩形。然后其內(nèi)部做成30 m×30 m的網(wǎng)孔。再結(jié)合水平外引接地體并使用GPF-94降阻劑包裹接地體可以達(dá)到目標(biāo)要求。完成圖如圖4所示。

圖4 方案一改造后的地網(wǎng)狀況

在此方案中ρ為250Ω·m，地網(wǎng)的面積為7 200 m2計(jì)算得出R=1.91Ω。使用截面為0.2 m×0.15 m（15 kg/m）的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑后，接地電阻降為

式中，Rg2為未施加降阻劑時(shí)的工頻接地電阻；Rg1為施加降阻劑以后，接地裝置的接地電阻；Kf為降阻劑的降阻系數(shù)，其值與施加降阻劑的截面尺寸有關(guān)；這里2種方案里按使用量取值0.6；Kp為地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)，對地網(wǎng)Kp一般為1.2~1.3。

經(jīng)計(jì)算，Rg1為1.91Ω，Kp取1.2，代入公式計(jì)算得到Rg2為1.3Ω。與站內(nèi)接地網(wǎng)并聯(lián)后，由，R1為原地網(wǎng)電阻，2.08Ω，R2為1.3Ω。代入公式得R=0.85Ω符合目標(biāo)值要求。

方案二：站內(nèi)接地網(wǎng)與倉庫外圍自然接地體連接，再結(jié)合水平外引接地體，并使用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑進(jìn)行包裹接地體的方法進(jìn)行敷設(shè)。變電站旁邊有一倉庫，在距離倉庫3 m處，均勻?qū)ΨQ打下4根垂直接地體，在垂直接地體上敷設(shè)一圈水平外引接地體，水平外引接地體與垂直接地體相連?；ハ噙B接后與變電站地網(wǎng)再進(jìn)行并聯(lián)，站內(nèi)接地網(wǎng)為7 m×7 m的方孔接地體，用材為普通扁鋼。變電站旁有一自來水管，地網(wǎng)與站后一段自來水管道連接（長約2 km）。相當(dāng)于使用了自然接地體，可以有效降低電阻。改造后的地網(wǎng)狀況如圖5所示。

圖5 方案二地網(wǎng)改造情況

式中，ρ為土壤電阻率，290Ω·m；A為設(shè)計(jì)地網(wǎng)的面積，18 m2。在此方案中ρ為290Ω·m，地網(wǎng)的面積為18 m2計(jì)算得出R=8.11Ω。

施加截面0.2 m×0.2 m（20 kg/m）的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑后，接地電阻計(jì)算：

在此計(jì)算時(shí)，Rg1為8.11Ω，Kp取1.2，代入公式計(jì)算得出Rg2為4.87Ω。連接自來水管道、并聯(lián)站內(nèi)接地網(wǎng)后接地電阻=0.78Ω降到目標(biāo)值要求的0.94Ω以下。

上述兩套方案均能實(shí)現(xiàn)改造地網(wǎng)的目標(biāo)。但經(jīng)對比，方案一比方案二使用的材料和降阻劑稍多一點(diǎn)，且方案一中涉及使用農(nóng)民的土地（果林），需要給農(nóng)民給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。所以選擇了方案二對該站的接地網(wǎng)進(jìn)行改造。

3.2 降阻劑的選擇

GPF-94降阻劑由多種成份組成，其中含有細(xì)石墨、膨潤土、固化劑、潤滑劑和導(dǎo)電水泥等[5]。在接地體周圍使用這種降阻劑時(shí)，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，形成足夠大的電流流通面；另一方面它能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個(gè)變化平緩的低電阻區(qū)域，這樣使接地體的電阻大大減小。

如果能正確地掌握降阻劑的用量和施工方法會給施工帶來事半功倍的效果。降阻劑與水以3∶2的比例混合。攪拌要充分，整體成漿糊狀為好。均勻施加在接地體的周圍，不能出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象，要不會出現(xiàn)接地體銹蝕等問題。同時(shí)要注意降阻劑用量愈大，降阻率愈大，但降阻劑用量增大到一定程度，降阻效果會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在與土壤交界處的接地極要采取防腐措施，保證施工質(zhì)量，充分發(fā)揮降阻劑的作用，有效降低接地電阻。

3.3 防腐措施

（1）地網(wǎng)改造過程中所用的鋼材都使用熱鍍鋅鋼材，可以有效防止鋼材內(nèi)部的銹蝕。

（2）GPF-94降阻劑成分中含有防腐劑，減少了接地體與土壤接觸面積，降低了接地體被空氣的腐蝕概率。

（3）在水平接地體與垂直接地體焊接位置處涂刷防腐涂料。在涂刷防腐瀝青漆時(shí)需要將虛焊部位的焊渣清理干凈，否則會導(dǎo)致涂刷不全面，不能對焊點(diǎn)起到防腐保護(hù)作用。

4 接地改造效果

4.1 接地電阻測量試驗(yàn)

經(jīng)文納四極法計(jì)算接地電阻，U與I的取值在表1中取值計(jì)算得到。該站接地電阻的目標(biāo)值為0.94Ω，符合要求，說明降阻方案是可行并成功的。

表1 接地電阻試驗(yàn)結(jié)果

4.2 設(shè)備接觸電位試驗(yàn)

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》第3.4條a規(guī)定：在220kV及以上有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或異點(diǎn)兩相接地時(shí)，發(fā)電廠、變電所接地裝置的接觸電位差不應(yīng)超過下列數(shù)值[2]。

式中，ρ為人腳站立地表面的土壤電阻率，Ω·m；t為接地短路（故障）電流持續(xù)時(shí)間，ρ取值為290Ω·m，時(shí)間取2 s，計(jì)算得出E為157 V。

經(jīng)過測試，部分設(shè)備的接觸電壓超過了目標(biāo)值157 V的要求。需在設(shè)備下鋪設(shè)一層高土壤電阻率的礫石，或者鋪設(shè)瀝青。以此保證工作人員在日常維護(hù)設(shè)備時(shí)的人身安全。

4.3 電位分布試驗(yàn)

式中，Usmax為最大跨步電壓，V；Ksmax為最大跨步電壓系數(shù)；Ug為電壓，得出Usmax=KsmaxUg=248.1 V。

沿站四周分別選擇了四個(gè)測試點(diǎn)，每隔0.8 m測量一次，實(shí)際測得最大跨步電壓為20.85 V≤Usmax，所以改造后地網(wǎng)的跨步電壓符合目標(biāo)值要求。

5 結(jié)論

通過對該接地網(wǎng)主要參數(shù)的測量，得出采用此方案進(jìn)行改造后是比較成功的。得出以下結(jié)論：

（1）變電站的接地網(wǎng)改造設(shè)計(jì)工程較為復(fù)雜，包含了現(xiàn)場勘察、接地體的安裝、降阻劑的選擇與使用等，需要綜合考慮后再進(jìn)行設(shè)計(jì)改造方案。

（2）各種措施應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際條件進(jìn)行，不能盲目地照搬國標(biāo)規(guī)范。

（3）降阻劑要慎重選擇。在選擇降阻劑時(shí)，一是要考慮其性能如何。能否在該土壤條件下起到吸水、防腐的性能。二是要考慮其用法，不能盲目的去使用，需要考慮屏蔽作用帶來的影響，以免達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。