变电所接地装置设计与降阻问题的工程实践

祝捷 韩笑 张园丰

引言：变电站接地的目的主要是为了保障系统能够安全可靠地运行和保障人身及设备的安全。在高土壤电阻率地区且地网面积受限的情况下，要使接地电阻满足规程要求是十分困难的。根据电气设备的类型和系统的运行方式、接地的性质构造等特点，因地制宜，力求做到技术先进合理，经济节约，这是进行接地设计时主要考虑的问题。

一、概述

变电站接地的目的主要是为了保障系统能够安全可靠地运行和保障人身及设备的安全。在高土壤电阻率地区且地网面积受限的情况下，要使接地电阻满足规程要求是十分困难的，即使通过大量的投入接地电阻满足了要求，也不能完全无危险，甚至处于技术经济均不合理的境地。但是，只要合理设计，在不过分注重接地电阻的情况下，仍然能够设计出满足安全要求的地网。应当说，将变电站内外的接触电势、跨步电势和转移电势限制在安全值内，乃是确保人身和设备安全的根本所在。

66kV奥镁变位于大石桥市城郊8公里的一座小山上。变电站所处的山包为风化石响砂土壤，上层土壤电阻率在1800Ω•m左右。下层为岩石，土壤电阻率在2500Ω•m左右。变电站建在小山的半山腰部，为开山填平所建，面积大约为70x70m2，土层厚约0.6m，且为风化石土质。该变电站接地电阻会随着气候，特别随着土壤干湿度的变化而变化。

二、变电站接地网设计总则

在进行变电站设计时，必须认真贯彻执行国家的有关方针和法规，认真总结经验，根据电气设备的类型和系统的运行方式、接地的性质构造等特点，因地制宜，力求做到技术先进合理，经济节约，这是进行接地设计时主要考虑的问题。

（一）对接地电阻的要求

变电站的接地电阻主要是根据工作接地的要求决定，既要保证在接地故障时，流经地网的入地故障电流Ijd在地网上产生的接地电位升不会对人身和设备安全造成威胁。

辽宁地区66kV变电所是经消弧线圈接地的小接地短路电路系统，由于单相接地故障允许存在2h，所以接地电位升IR的允许值大为降低。66kV奥镁变高低压电气装置共用接地装置，需要满足R≤（120/I）但不应大于4Ω。

在高土壤电阻率地区，要把接地装置的接地电阻做到上述要求的值，在技术上难以实现或经济上极不合理，允许将接地电阻值适当提高。对于小接地电流系统中允许提高到R≤30Ω。但是在这种情况下，应采取均压、隔离等措施，将接触电势、跨步电势限制在保证人身和设备安全所允许的范围内，并抑制转移电势所带来的危害。

（二）接触电势和跨步电势允许值

人体能承受的接触电压和跨步电压与人体电阻、通过人体的电流值及持续时间、电流流经人体的途径、地表电阻率等因素有关。在小电流接地短路电流系统中，由于单相接地故障允许的持续时间在2h以内，因此，接触电势和跨步电势的允许值为：

Etl=50+0.05ρb

Esl=50+0.2ρb

式中ρb—人脚站立处土壤电阻率，Ω•m

不难看出，提高接触电势和跨步电势允许值最有效的办法就是增大地表的土壤电阻率ρb，如采用碎石或沥青混凝土地面等办法。

三、接地网设计

（一）接地短路电流的计算值

在计算小接地电流系统的接地电阻时，其接地短路电流Ijd，在中性点经消弧线圈接地的电网中，计算电流应采取以下数值。

①当变电所有消弧线圈时，计算电流等于消弧线圈额定电流的125%；

②当变电所不接消弧线圈时，计算电流按切断系统最大一台消弧线圈时，在此电网中可能发生的剩余接地短路电流来计算，但不得小于30A。

计算接地短路电流，应按运行中可能发生最大接地短路电流的接线方式确定。

（二）接地装置的计算

对于大多数以接地棒为主的接地装置，在计算中可以不单独计算水平接地体的接地电阻，考虑到它的作用，一般接地棒可减少10%左右，因此可以从接地电阻值直接求出接地棒的数量。

n=0.9Rc/R•ηc，Rc=K•ρ

式中R—接地电阻要求值，Ω

Rc—垂直接地体的扩散电阻，Ω

ρ—土壤电阻率，Ω•cm

ηc—接地体利用系数(一般为0.65～0.75)

K—系数(对于∠50×5角钢为34.85×10-4)

（三）接地网的布置

辽宁地区变电所的接地网，无特殊情况，一般均可采用棒形和带形接地体联合组成的接地装置，对于不同的土壤电阻率，可分别采用不同的接地装置，一般的要求及布置方式为：

①土壤电阻率ρ≤3×104 Ω•cm时，因电位分布衰减较快，应采用以棒形垂直接地体为主的棒带接地装置。

②土壤电阻率3×104 ≤ρ≤5×104 Ω•cm时，因电位分布衰减较慢，应采用以水平接地体为主的带棒接地装置。

③所有的接地装置应埋设于冻土层以下，一般埋设深度不小于0.6m。尽量利用固定电缆支、吊架用的预埋铁件作为屋内接地干线。

④接地装置的敷设方式：围绕屋外配电装置、屋内配电装置、控制室及其它需要装设接地网的建筑物敷设环形接地网；各接地网之间的相互连线不应少于2根；接地网外缘的各角应做成圆弧形。

⑤接地体一般选用∠50×5热镀锌角钢、Φ120镀锌圆钢和－50×5热镀锌扁钢，角钢长度为2.5m；水平敷设的接地体采用圆钢或扁钢，垂直敷设的接地体可以采用角钢和圆钢；为减少接地体间的屏蔽作用，接地体之间的距离不应小于3m。

（四）避雷针和避雷器的接地

①一般应采用垂直接地体做避雷针和避雷器的集中接地，以加强散泄雷电流的作用。

②独立避雷针的接地装置与接地网的地中距离要求不小于3m；配电装置构架上的避雷针应与接地网相连，并在其附近装设集中接地装置。

③独立避雷针及其接地装置与道路或建筑物出入口的距离应大于3m；从避雷针与接地网连接处到变压器或35kV及以下设备与接地网连接处的接地体长度不能小于15m。

四、接地装置降阻措施

变电所接地网的接地电阻是一个十分重要的参数，而如果变电所接地网的接地电阻偏高将直接影响了设备和人身的安全。对66kV奥镁变有三种降低接地电阻的措施可以采用，但这些措施在具体的工程实践中如何运用，如何用较少的投资达到较大的降阻效果，却不是一件容易的事。在实际接地工程中就曾发生过因采用的降阻措施与现场实际不符而造成投资大收益小的事情。还有一些在降阻措施使用不当而造成高电位外引留下安全隐患的，因而有必要对每种降阻措施的作用、适用场所和应注意的问题进行深入的分析和研究。

（一）外引接地网

在工程中首推的降阻措施为外引接地网。在高土壤电阻率地区，当在变电所2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外引接地极。这就要求在确定降阻方案时要对变电所周围进行认真的勘探、测量，测量出变电所四周土壤电阻率沿水平方向上的分布，找出土壤电阻率较低和适合做引外接地的地方。因为在山区、丘陵地区土壤电阻率在水平方向上大都呈不均匀分布，即总有一些地方的土壤电阻率相对较低，可以的引外接地网。

在降阻措施中外引接地网是最简单有效的，也是在接地工程中最常应用的措施。在决定外引接地网时应首先根据可利用来做外引接地的地形、面积、土壤电阻率和接地装置应降低的电阻值来决定外引接地网的大小。外引接地部分的接地电阻可用面积公式R=0.5进行计算，但要注意该公式是在地网的网格达到一定的密度时才可达到的值，一般情况是达不到该值的，只是如有可能可应用该公式确定外引接地网的大致数值。

本工程外引接地以水平地网为主且边缘闭合，可依下式：

式中h—水平接地体埋深，m

s—地网面积，m2

对于外引接地网除要满足降阻的需要外，更重的要满足安全的要求，即要严格限制高电位外引，即对引外接地网要验算外引处的跨步电压要绝对满足。

式中ρs—外延处的地表土壤电阻率，Ω•m

t—接地短路电流持续时间，s

Uk—跨步电压，v

在设计外引接地时，应首先考虑降阻的需要决定外引地网的大小；再考虑安全的需要决定外引地网的网格布置、埋深和形状；还要考虑外引地网不被破坏和妨碍以后的建设等综合因素。同时在设计外引接地时还要尽量的考虑减少接地体之间的相互屏蔽，使之发挥最大的降阻效果，节约投资。

（二）深井式接地极

当地下深层有较低土壤电阻率的地质结构时可采用深井式接地极进行降阻，或构成立体地网。采用深井式接地极时要求对接地装置及其四周测出垂直方向上的土壤电阻率分布。现场可采周等距四极法测量土壤电阻率，用等距四极法测量土壤电阻率时，改变间距离 a 时，可测出不同深度的土壤电阻率。因为等距四极法测土壤电阻率的极间距离与反应的土壤电阻率有0.75a的关系，所以改变不同的极间距离可测出不同深度的土壤电阻率。单个深井式接地极接地电阻可按下式计算

式中ρ—平均视在土壤电阻率，Ω•m

l—垂直接地极的长度，m

a—垂直接地极的半径，m

R—接地电阻,Ω

采用深井式接地极可减少占地，接地装置的接地电阻受气候影响较小，因接地问题在变电所内解决，不与周围群众发生关系。

但采用深井式接地极同样要考虑屏蔽问题，深井式接地极一般应设在水平地网的边缘，深井式接地极之间的间距应达到接地极长度的2—3倍，才能取得较好的降阻效果。现场适合于采用深井式接地极的场所较少，只有在地下有金属矿，或北方地表土壤干燥，而地下水丰富的场所才适用。而一般的地区往往都是深层土壤的土壤电阻率高于表层的土壤电阻率，特别是深层为岩石的山区和丘陵地区，深层土壤电阻率往往运高于上层土壤的电阻率，这时是不适合于采用深井式接地极的。再则，深井式接地极的施工费用往往大于水平接地体施工费用的若干倍，就是均匀土壤采用深井式接地极也是不经济的。对于线路杆塔接地、避雷针接地等以防雷为主要目的的接地装置就更不宜采用深井式接地极，而应以有效降低冲击接地电阻为主，因为雷电流是高频电流，有很强的趋肤性，一般沿地表散流，深层土壤散流作用很差，所以深井式接地极对以防雷为主的接地效果不大。

（三）采用降阻剂降阻

降阻剂的降阻效果是不可置疑的，因为降阻剂已在实际的接地工程中得到大量长期的应用，并被写进国家标准和相关行业标准，推荐的降阻措施中有“填充电阻率较低的物质或降阻剂”，降阻剂的降阻机理主要体现在以下几方面：

①由于降阻剂的扩散和渗透作用，降低接地体周围的土壤电阻率，关于扩散和渗透作用，一般化学降阻剂强于其他型式的降阻剂，膨润土类的降阻剂扩散和渗透作用较差，但降阻剂的稳定性和长效性与扩散和渗透作用是矛盾的。扩散和渗透好的降阻剂其稳定性和长效性都比较差，因为扩散和渗透性强的降阻剂容易随雨水的流失而流失。

②接地体同周围施加降阻剂后，相当于扩大了接地体的有效截面，这机理对固体降阻剂和膨润土类降阻剂最为明显，而化学降阻剂和树脂状的降阻剂随着时间的流失有效截面的增大则不太明显，会越来越小。

③消除接触电阻。接地体的接地电阻可以分为两部分，一是接地体与周围的大地所呈现的电阻Rd；二是接地体与周围土壤的接触电阻Rj。Rj=Rd+Rj，Rj的大小与接地极周围的土壤有关，一般土质越密实，接触电阻越小，土壤越松散，接触电阻越大。接触电阻还与电极表面状况有关，接地极表面越光滑，接触电阻越小，接地极表面越粗糙，接触电阻越大。接地极生锈后，接触电阻会逐渐增大。接地体施加降阻剂后，会减少或消除接触电阻，但只有某些物理降阻剂和膨润土类降阻剂才具有这方面的功能，而化学降阻剂和流质降阻剂则不具有这方面的功能，有些降阻剂由于腐蚀还会使接触电阻变大。

④降阻剂的吸水性和保水性改善并保持土壤导电性能。土壤的导电性能除了与土壤所含金属导电离子的浓度有关外，还与土壤的含水量有关。某些降阻剂具有较强的吸水性和保水性，如膨润土类降阻剂，具有较强的吸水性，吸水后体积膨胀并能长期保持水分成为浆糊状，使接地电阻一直保持稳定不受气候的影响。

但是降阻剂在实际的工程应用中确实也存在有一系列的问题，比如降阻剂的腐蚀性问题，降阻效果问题，降阻稳定性问题，以及对地下水资源的污染问题。这主要是一些厂家片面追求短期的降阻效果而忽略了降阻稳定性，长效性和对钢接地体的腐蚀，有的还对环境构成了污染，降阻效果也随着时间的推移迅速下降，接地电阻反弹，接地体受到严重的腐蚀。

在降阻剂的使用上要注意降阻剂用在小型接地装置的降阻效果是非常有效的，如66kV及以下的变电所接地，送电线路杆塔接地，避雷针接地和微波信站的接地，使用降阻剂进行降阻是非常有效的。选用合适的降阻剂后，应严把施工工艺关，按要求施工。关于降阻剂的使用，一定要按厂家说明书上的方法使用和施工。要注意降阻剂要均匀的施加在接地体的周围，不能有脱节现象；对施加降阻剂和不施加降阻剂的地方要有过渡措施；降阻剂的埋深要足够，回填土要合格。

五、结束语

在奥镁变工程中采用一种降阻措施并不能把接地电阻降到合格范围，需要利用多种降阻措施进行降阻。我们根据现场的实际情况，综合采用了外引接地网和降阻剂的综合降阻措施。成功地解决了该变电所降阻难题。

采用综合降阻措施时，需要首先分析计算出单一的降阻措施的降阻效果，再决定采用的复合补充措施。如奥镁变采用外引接地网加降阻剂的方法降阻，要首先计算出仅采用外引接地网时的降阻效果，与目标值相比较，看还相差多少，再根据降阻剂的特性计算出使用多少降阻剂。

通过技术经济分析筛选出的最佳降阻方案，使奥镁变在确保安全的情况下使用最少的投资来取得最佳的降阻效果。