接地模块在降低变电站接地电阻中的应用

陆德琳

（浙江省富阳市供电局，浙江 富阳 311400）

变电站接地网对于电力系统的可靠运行和变电站工作人员的人身安全起着重要作用，其接地电阻、跨步电压与接触电压是变电站接地系统的重要技术指标，因此,变电站在投入运行前，接地电阻必须达到设计规范及标准要求，否则变电站将无法正常运行。然而，有些变电站由于受地理条件的限制，不得不建在高土壤电阻率地区，导致这些变电站的接地电阻、跨步电压与接触电压的设计计算值偏高，无法满足现行标准的要求。在设计施工过程中如何合理确定接地装置的设计方案，降低接地电阻，这是变电站电气设计施工的重点之一。如何降低电力系统接地装置的接地电阻，长期以来一直是电力系统关心的重要问题之一。接地模块接地技术是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术，通过安装接地模块，起到改善很大范围的土壤导电性能的目的，相当于大范围的土壤改性。本文就以富阳110kV新桐变电站为例，分析其接地系统设计过程，并给出了理论计算与实测结果。

1 接地模块降低接地电阻的原理

1.1 接地模块原理

接地模块是以导电非金属材料为主的接地体，它由导电性、稳定性好的非金属材料、电解质、保湿吸湿剂和防腐金属电极芯组成。模块埋入土壤中后，与土壤紧密接触，大幅度地扩大了接地体的散流面积，有效地降低了接地电阻。模块特有的保湿、吸湿性，使其周围附近的土壤保持较低的电阻率，进一步改善了接地体的导电性能。接地模块通常采用压铸法成型，使低电阻非金属材料与防腐金属电极形成紧密稳固的接触，扩大了金属电极的导电面积，由于非金属材料的自由电子扩散作用，在模块周围形成一个稳固的低电阻区域，达到了非常好的降阻效果，改善了接地模块（接地体）附近土壤电阻率，减少了接触电阻，实现了对接地体的良好降阻效果。

1.2 接地模块性能特点

1）由于接地模块内置防腐金属电极、周围密实包裹着物理化学性质稳定的低电阻导电材料，保证了接地模块的导电性不受季节影响。

2）具有吸湿、保湿特性，接地模块电阻低且能保持长期稳定。

3）在高土壤电阻率地区，能有效降低地网接地电阻。

4）经多次大电流冲击后，阻值不增大，无变硬、发脆、断裂等现象发生。

5）耐腐蚀、无毒害、对环境无污染，使用寿命长，大于30年。

2 接地模块在降低接地电阻中的应用

对于高土壤电阻率变电站的接地系统，由于其复杂的地质，若使用单一接地装置来降低接地电阻，会造成预算增大、无接地施工空间等矛盾。根据施工现场土壤电阻率、可供施工面积、不同地形、投资额度等因素合理选择使用接地装置，是目前变电站接地设计常使用的方案。这样即可保障线路、设备的正常运行，又可以避免接地装置工程投资过高情况的发生。

110kV富阳新桐变电站位于富阳市矿山工业开发区内，占地59m×57m，地质以块石填土、粘土为主，综合考虑，土壤电阻率约为600Ω·m。该站地质条件复杂、土壤电阻率较高及施工现场较为狭窄，其工频接地电阻的设计要求为小于0.5Ω。

2.1 增大接地面积方案

变电站常规接地网一般采用热镀锌扁钢作为水平接地体、2.5m的圆钢或者角钢作为垂直接地体的综合接地，根据发、变电站接地网工频接地电阻的经验公式可得知，在土壤电阻率不变的情况下，面积越大，接地电阻值就越小；但由于该变电站占地面积较小，更没有扩大接地面积的可能，因此采用此种接地方式无法满足设计要求，且难以施工，故未予采纳。

2.2 深井接地方案

深井方案由于在站内处理不会涉及政策处理问题，是最先考虑方案，但由于所内10m以下为风化凝灰岩，土壤电阻率较高，即使土壤电阻率按600Ω·m计算，150m深井的接地电阻约为9Ω，不考虑屏蔽效应，20口150m的深井理论才能降至0.5Ω，但由于变电站面积较小，较多的深井施工无法实施，产生的屏蔽效应也会很强，且 150m的深井施工产生的费用无法估量，故未予采纳。

2.3 外引接地方案

对予面积较小，地质复杂的变电站，外引接地是一很好的选择，可利用其较大的面积、较低的土壤电阻率降低电阻。但外引接地也同时存在较大问题，涉及征地、管理、安全等问题。如浙江省220kV某变电站外引接地至江河中，由于管理不便，存在被偷盗，挖沙船破坏现象，致使接地网不能很好的起到降低接地电阻的作用；以及部分变电站外引接地至耕地，管理不便以致被偷盗，盖房挖断等，接地网严重破坏。110kV富阳新桐变电站位于开发区交通要道边，附近又无可利用土地，故不予采纳。

2.4 局部换土方案

用局部换土的方式来降低高土壤电阻率地区接地电阻，是提高接地效果的有力措施。一般可就近取水塘、稻田泥土或特别低土壤电阻率矿物质土壤，置换范围在接地体周围 0.5m以内和接地体的 1/3处。但根据此站的地理位置，这种取土置换方法对人力和工时耗费都较大，综合费用较高，降阻效果很难达到要求，故不予采纳。

2.5 综合降阻方案

经过对现场情况、地质报告、地勘报告的分析研究，采取了接地模块、离子接地极等新型接地材料的综合降阻方案。也是目前常用的降阻方案，具体为：该站依然采用常规接地网，辅以接地模块做垂直接地体，离子接地极做接地深井，每个深井回填接地高效回填料，垂直接地体接地模块和水平接地体在回填时采用土壤电阻率较低的土进行回填，确保降阻效果。具体施工方法见图1。

图1 富阳110kV新桐变电站接地网设计示意图

3 降阻的理论计算

本站采用-60mm×8mm的热镀锌扁钢1600m做水平接地网，间隔约为 5m，埋设深度为 0.8m；用500mm×400mm×50mm的接地模块做垂直接地体，数量228个点（256块），用φ55，L=3m的离子接地极做接地深井，深10m，每个深井回填150kg接地高效回填料。垂直接地体接地模块和水平接地体在回填时采用土壤电阻率小于100Ω·m的粘土回填，确保接地体与大地接触电阻达到最小。

3.1 计算条件

1）土壤电阻率 ρ=600Ω·m。

2）地网面积S=3363m2。

3）水平接地体L=1600m。

4）深井接地体L=10m，共12个。

5）垂直接地体接地模块n=256块。

3.2 接地电阻计算

1）水平地网工频接地电阻Rs的计算：

2）垂直接地体接地模块降低接地电阻的计算：

垂直接地体接地模块敷设换土回填对周围土壤环境的影响系数为：γ2=0.9（实验所得）

Rm=0.160ρ2=86.4Ω（单块接地模块的接地电阻）

Rz= Rm/nμa=0.701Ω＞Ry（接地模块并联后的接地电阻）

其中，ρ2为土壤电阻率，取 540Ω·m；n为接地模块点数量，取228；μ为屏蔽系数,取0.6；a为双接地模块利用系数,取0.9。

3）垂直接地体（离子接地极）接地深井降低接地电阻的计算：

垂直接地体深井接地极敷设离子缓释剂对周围土壤环境的影响系数为：γ3=0.38（实验所得）ρ3=ργ3=228Ω·m

单根深井接地极的计算

式（1）中，Rs为单根深井接地极接地电阻（Ω）；ρ3为土壤电阻率（Ω·m）；L为接地极长度（m）；D为灌外回填土的等效垂直接地体直径，取0.152m；K为降阻系数。

当ρ≤50Ω·m K取 5

50≤ρ＜100Ω·m K 取 10

100≤ρ＜500Ω·m K 取 15

500≤ρ＜1000Ω·m K 取 20

ρ≥1000Ω·m K 取 25

当多根深井接地极组成接地系统：

式（2）中，Rc为单根深井接地极接地电阻（Ω）；n为深井接地极数量（根）， 取12；η为利用系数，取0.56；Rn为n根深井接地极的接地电阻（Ω）。

4）变电站工频接地电阻：Rq=1/（1/ Rω+1/Rz+1/Rn）=0.419Ω＜Ry此理论值完全符合接地设计要求小于0.5Ω。

4 实测结果

110kV富阳新桐变接地网施工结束后，富阳市供电局变电检修工区采用大型接地网接地电阻测试仪对接地电阻进行了实测，具体测试以变电站东西侧扁钢作为基准点，向远离变电站方向测试：即东南、东北、西南、西北四点。测试结果为：东南方向0.48Ω；东北方向0.45Ω；西南方向0.46Ω；西北方向0.45Ω。

该测试结果达到了设计要求的目标值：接地电阻＜0.5Ω的要求。由于新桐变的复杂地质条件导致该实测数据与理论计算值有一定的偏差，但该值完全满足设计的要求，接地网总费用控制在预算额度以内，满足运行单位要求。该工程的实测值也说明了接地模块对高土壤电阻率地区变电站降低接地电阻值具有明显的效果，且成本较低，材料容易。由于事先综合考虑了土壤电阻率、施工地点、施工条件等因素，减少了施工的随机性和盲目性，降低工程成本，提高经济效益。同时，接地模块是深埋在土壤中的固体，不会因雨水流失而影响它的降阻效果，接地电阻值基本上是较稳定的且不存在对土质的污染的问题。

5 结论

变电站接地网的设计应结合实际情况进行, 接地装置能否发挥它应起的作用，关键在于设计和施工运行这两个环节。首先是设计，它是保证接地装置效果的前提条件；其次是施工运行维护，施工的工艺和质量是保证接地装置效果的基础，是体现设计目的的手段，而维护是后期地保养及使用期限的延长。因而在高土壤电阻率地区的变电站设计与建设中，必须注重优化设计与综合治理，以充分提高地网建设地经济性与安全运行地可靠性，同时降阻效率高、抗腐蚀性好、成份稳定、价格低廉地新型降阻材料亦将成为接地网降阻研究的主流。

[1]李景禄，郑瑞臣. 关于接地工程中若干问题的分析和探讨[J].高电压技术,2006(6).

[2]贺体龙. 浅谈变电站接地网的降阻措施[J].电气应用,2008年(13).

[3]彭敏放. 高土壤电阻率地区接地网建设中若干问题的探讨[J].华北电力, 2003(2).

[4]姚晓健，张劲松，梁杰. 变电站接地网的特殊降阻措施[J].广东输电与变电技术,2006(4).

[5]王东烨，董刚. 大型变电所地网评估若干问题的探讨[J].高电压技术, 2001(2).

[6]李景禄.关于大中型接地网降阻措施的经验[J].高电压技术,2002(9).