对降低接地电阻方法的探讨

赵明天

(辽宁立德电力工程设计有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 概述

1.1 接地系统的作用

接地的目的是为了在正常和事故以及雷击的情况下，利用大地作为接地电流回路的一个元件，从而将设备接地处的电位降低为所允许的接地电位。接地电位的大小，除与电流的幅值和波形有关外，还和接地体的几何尺寸以及大地的电性参数有关。

发、变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。电力系统发生接地短路故障或其它大电流入地时，如果接地电阻值比较大，就会造成地网电位异常升高；如果接地系统设计不合理，还会导致接地系统本身局部电位差超过安全值。这样，除给运行人员安全带来威胁外，还很有可能因反击或电缆外皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，高压若窜入控制室，轻则导致监测或控制设备发生误动或拒动，重则破坏监测设备而扩大事故，带来巨大的经济损失和社会影响。国内外曾发生的类似事故不胜枚举。

调查表明，我国曾发生多起由于接地系统未达到要求所导致的事故或事故的扩大。这种事故不仅经济损失巨大，对于人们生产、生活所造成的社会损失则更加严重。

但是，接地技术并不是一门精密的科学，因为接地体的几何形状比较复杂；对地面下的地层结构也没有必要为了接地技术的要求，而花费太大的代价做详尽的了解；人体触电时，造成电击伤害的原因也比较多；种种原因都可能导致测量结果和理论计算值不完全符合。

由于上述原因，我们不应只考虑理论上的完备，而使接地设计变得相当复杂繁琐，脱离了工程实践的需要；同时也不应仅简单用一个接地电阻值作为保护接地的标准，而忽视了对地面电位分布的研究和相应采取的安全措施。

1.2 接地系统设计中存在的主要问题

近年来，由于电力系统容量的迅速扩大，入地短路电流大幅升高，为了保证电力系统的安全、可靠运行，就要求接地电阻值比较低。然而与此对立的一个矛盾是近年新建的变电站为了少占或不占耕地，不再象以前建在良田中，一般都建在山包或其它土壤电阻率较高的地区。在市区内的变电站已经逐渐向GIS发展，GIS的占地面积很小，如何使较小面积的市区变电站的接地电阻达到要求，也是迫切需要解决的问题。

另外，北方地区冬季气候干燥，冻土层很深，有的可达2m深，使得冻土区的土壤电阻率成倍增高，若接地体埋得太深，势必满足不了地面均压的要求。

目前电力部门一般采用的降阻方法主要还是扩大地网面积及采用低电阻率材料，即在地网二维平面上做文章，往往收效甚微。因此如何在这些地质条件差、土壤电阻率较高地区经济有效地降低接地电阻，改善地表电位分布就成为运行部门非常关心的问题。

特别是在一些山区的发、变电站所处地域的土壤电阻率较高，如何采取有效措施，使高土壤电阻率地区地网的接地电阻达到国家标准，就是摆在设计人员与运行单位面前的重要课题。

1.3 一般降低接地电阻的方法

为了降低接地装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行，人们采取了各种各样的措施。常见的措施包括：扩大地网面积、引外接地、增加地网的埋设深度、利用自然接地体、深井接地和局部换土等。

土壤的电阻率通常沿纵深和横向分布都是不均匀的，就纵深来说，不同深度土壤的电阻率是不同的。一般接近地面几米以内的电阻率并不稳定，要随季节气候的变化而变化，亚洲地区，底层平均每增加33m地温增加1度，土壤越深受季节影响越小，电阻率越稳定。深埋接地体与土壤的接触就越紧密，可以降低接地体与土壤的接触电阻。同时还可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有效的方法。

降低接地电阻的方法都有其应用的特定条件，针对不同地区、不同土壤条件采用不同的方法才能有效地降低接地电阻；另外各种方法也不是孤立的，在使用过程中可以相互配合，以获得较好的降阻效果。

2 对三维接地网的探讨

2.1 接地电阻与接地网电容成反比

一般对接地网的设计均在二维平面上。工频电流从接地体向周围的大地散流时，接地电阻的数值等于接地体的电位与通过接地体流入地中电流的比值。工频电流在地中的分布与直流电的分布在原则上是有区别的。但是，由于地的电阻率相当大，所以在计算接地体附近的电流时，由于感应电势引起的电压降与电阻电压降比较起来，可以忽略不计，所以工频的接地计算可以用直流的接地计算代替。

当地电阻率各方向同性时，由高斯定理和欧姆定律的微分形式以及电阻、电容的定义可推出下式：

式中：R为接地体的接地电阻(Ω)；C为接地体的电容(F)；ρ为地电阻率(Ω·m)；ε为地的介电系数(F/m)

由(1)式可以看出，接地体的接地电阻和它的电容成反比，比例常数ρ和ε决定于地的电学性质。从中可以清楚的知道增大接地体的电容是减小接地电阻的主要因素。

2.2 三维接地网的做法

一个由多根水平接地体组成的二维接地网可以近似看成是一块孤立的平板，其电容主要是由它的面积尺寸决定的。附加的垂直接地体(2m～3m)，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，接地电阻减小不多。

这就使我们想到将接地体由二维接地网改为三维立体接地网，该网在不增加占地面积的前提下，增加了与土壤接触的有效面积，增加电容量，从而减小接地网的接地电阻。

具体做法如下：

在地面下0.8m深处根据接触电势和跨步电势计算要求敷设水平接地网，以满足接触电势和跨步电势的要求；根据工程的具体地质情况在3～5m左右的深度再敷设网格一般不超过16孔的接地网；使每个网孔的交叉点与上层接地网相连接。

这样就形成上下两层相连接立体接地网，下层做成16孔的原因是接地网孔超过16孔时，接地电阻减少的很慢，若超过16孔，说明接地网面积很大，一般就没有必要做双层了。即使是大型接地网，网孔个数超过32孔时对接地电阻的影响也是相当小的。

2.3 三维接地网接地电阻的计算

假设一个50m×50m的复合接地网，埋深0.8m，土壤电阻率为100Ω·m，接地网的等效半径为28.2m。

按《交流电气装置的接地》中简易计算式：

如果将该接地网做成立体网，即在距上层2m处敷设同面积的下层接地网，网孔16个，每个网孔交叉点用扁钢与上层相连接。此时上、下层接地网的等效面积应将侧面积也计算在内，计算如下：

等效半径：41.46m

工频接地电阻： R = 0.68Ω

2.4 三维接地网接地电阻分析

通过上述计算可以知道，以往的单层接地体相当于一个孤立的平板电容器，而三维立体的接地体则趋近于一个半球形电容器。以埋深为零米半径为r的圆盘和半径为r的半球的电容之比4εr/2πεr，可以得到其接地电阻减小36.3%的结果，这与上边的计算结果基本一致。但实际接地电阻的测量结果往往要比计算结果大一些，这主要是由于土壤电阻率的不均匀和上、下层之间互相影响所致。

一些工程中，即使接地电阻降低30%也不能达到需要值，这时还应该结合其他降阻措施，以满足工程需要。

3 三维接地网的其它问题

3.1 三维接地网可减小季节的影响

我国东北地区冬季的冻土深度一般在-1.6m以上，按普通接地网埋深-0.8m敷设接地网，正好在冻土层中，其土壤电阻率到冬季会增加几十倍，接地电阻也会相应提高，随着气候干燥程度的变化，土壤电阻率数值的变化很难估计，因此对电力系统的运行安全造成一定的威胁。若将接地网深埋在冻土层下，则地面的均压作用很难保障，一旦发生故障接触电势会对人身安全造成伤害。

三维接地网可以成功地解决以上问题，因为上层接地网即使在冬季也同样起到均压作用，土壤电阻率的变化对其影响很小；而下层接地网都会埋在冻土层以下，该处的土壤电阻率随季节变化很小，接地电阻值几乎不会受到影响。

3.2 三维接地网可减小回填土层的影响

一般发、变电站的地面层大多数都以回填土为主，有的甚至深达到2m左右，若将回填土层换成土壤电阻率低的土质，势必会减少地耐力，这对土建专业是十分不利的。三维接地网的下层最小应埋深2.5m，即埋在原土层内，尽可能的减小了回填土层对接地电阻的影响。

3.3 三维接地网可降低冲击接地电阻

在冲击电流作用下，由于接地体的电感作用，接地网上的电位很不均匀，离开冲击电流引入点越远的地方，接地体上的电位就越低，甚至电位为零，其变化规律按指数曲线衰减，只有冲击电流引入点附近一小块接地网才起着散流的作用，而且散流的程度与这一小块面积上的电位分布成正比。冲击电流波头为3～6 μs时，发、变电站水平接地网的面积不论有多大，对冲击接地电阻的影响仅与冲击电流引入点附近一小块接地网有关。由于任何部位上层的垂直接地体的下端连接有下层接地网，使冲击电流引入点附近一小块接地网得以加强，其散流效果是显而易见的，这里不再作详细分析。

3.4 三维接地网的经济比较

仍假设一个50m×50m的复合接地网，埋深0.8m，若按常规每隔10m打一个2.5m的垂直接地极，需要36根接地极，接地极若采用Ф50直径，壁厚5mm的钢管，其总长度为90m(不含损耗)，重量约为500kg；而增加16孔同面积的下层接地网，若采用60×5扁钢，总长度为550m，总重量为1300kg；增加钢材800kg，若按5000元/t计算，增加投资4000元。

4 结论

在我国颁布的电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中规定的一般情况下，接地装置的接地电阻应符合R≤2000/I的要求，由于电力系统容量的迅速扩大，入地短路电流大幅升高，为了保证电力系统的安全、可靠运行，目前接地电阻值一般要求比较低，工程中如何降低接地电阻已成为一大课题。经过以上讨论我们认为敷设三维接地网，降低接地电阻30%左右是可行的。虽然增加投资1万元左右(包括敷设时的土方量)，但与采用降阻剂的方法相比还是节省许多投资的(一般接地网全部采用降阻剂降低接地电阻也不超过40%)。我们曾经在两个南方110kV变电站采用此项技术，效果是相当满意的。