火力发电厂土壤电阻率测量深度取值讨论

俞　敏

中国成达工程有限公司　成都　610041

胡振兴

中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司　成都　610021



火力发电厂土壤电阻率测量深度取值讨论

俞敏*

中国成达工程有限公司成都610041

胡振兴

中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司成都610021

探讨火力发电厂土壤电阻率测量深度取值，提出合理取值范围的建议，同时据此指明采用换地表土作为降阻措施作用不大。

土壤电阻率测量深度换土

火力发电厂土壤电阻率的大小，直接影响接地电阻的大小，从而又直接影响到接地网电位升大小。而接地网电位升，不利情况下可能达到5kV甚至10kV以上，直接影响到电厂中、低压电气设备及人身的安全。若接地电阻过高，必须采用降阻措施。火力发电厂一般占地面积较大，降阻措施成本相对较高。如采用的措施不合适，会造成投资浪费或者处理难以到位的情况。

接地电阻计算误差小、采用降阻措施合适的一个基本前提，就是土壤电阻率测量值误差小，准确反映土壤状况。土壤电阻率测量是否准确，测量深度是影响最大的一个因素。

1　土壤电阻率测量深度

1.1规范规定

《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》GB/T17949.1-2000第8.1.1条：“大面积接地网为期 18 年的记录表明，其所测接地电阻值无甚变化，而在同一面积内的土壤电阻率测量表明土壤电阻率变化很大(在浅层达 17: 1)……这表明大面积接地网的接地电阻是正比于深层土壤电阻率测定值的，在该深层土壤，土壤电阻率变化较小”。

《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065-2011第4.1.1条提到：“变电站站址的土壤电阻率测量一般最大的极间距为变电站区域的对角线的长度，以反映变电站工频短路时散流区域的土壤特性。为了测量得到土壤的视在土壤电阻率随极间距的变化特性，测量时的极间距应包括 1、2、5、10、20、40、75、100、150、200、250、300m，大致以 50m的间隔直到最大极间距。”

《接地系统的测量》IEEE 81也指出，在接地体内或临近接地体的大地表面，电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数。可是接地体的电阻却主要是深层土壤电阻率的函数，在接地体非常大时更是如此。而冲击波的大地回路阻抗实际上仅仅受上层几米土壤层的影响。

1.2文献依据

日本川濑太郎著《接地技术及接地系统》1.28.3节，指出土壤电阻率测量中电流在地中渗透的大致深度关系见图1。

图1　地中电流渗透深度

图1为不同深度处相对O点处电流密度比值随着深度不同而变化的规律，一般电流大概可渗透到2D深度。

(1)

王洪泽等编著《电力系统接地技术手册》提出对不均匀土壤，宜采用四极法或五极法，并提出一种在变电站4个最大边长上测量土壤电阻率，取加权平均值的土壤电阻率计算方法，并指出：“设计师们长期应用的经验表明，这种方法可满足工频交流接地工程设计应用的要求”。这种方法，其测量深度大概就是变电站最大边长的一半。

美国土壤有限公司《地电阻率手册》资料表明，土壤电阻率深度取4～5倍接地网对角线长度，测得的结果与实际比较接近。

解广润《电力系统接地技术》，对均匀土壤、不均匀土壤中直流电流以及交流电流分布均作了分析，指出对均匀土壤，电流极间距为L时，70.5%的电流渗透到深度L/4的地中，50%的电流渗透到深度L/2的地中，29.5%的电流渗透到深度L的地中。靠近接地体附近的交流电流分布与直流完全相同。接地电阻的计算可基于此。

曾永林《接地技术》提供了同傅良魁《电法勘探教程》相同地中电流密度计算公式及与解广润《电力系统接地技术》地中电流渗透深度相同结论。并在第286页提供了一个二层及四层土壤的电阻率测量案例，在案例中指出电流的有效穿透深度必定大于电流极间距离的三分之一。

李景禄等著《实用电力极地技术》中第217页指出“四极法测得的土壤电阻率，与电极间的距离a有关，当a不大时所测得的电阻率，仅为大地表层的电阻率，其反映的深度随a的增大而增加，一般测得的ρ值是反映0.75a深处的数值”。

综合以上可见，电流极间距越大，越受深处土壤电阻率影响。当火力发电厂高压配电装置发生短路电流入地时，有厂内接地短路或厂外接地短路两种情况，两电流极间的距离也随之不定，最近可能在厂外靠近电厂的杆塔短路点与变压器中性点间，最远可能在系统中性点与电站短路点间。保守考虑应按后者考虑，则电流极间距在几十或上百公里以上均是可能的。此时根据以上文献可见接地电流入地会比较深。这与实际工程中仅是表层3～10m内换土的降阻措施实际没有太大效果的经验也是一致的。

2　测量深度对接地电阻计算值影响的仿真分析

以ETAP软件仿真进行对比，计算方法选为有限元法，以一个双层土壤电阻率土壤为例，接地网300m×300m，网格大小10m×10m。ETAP两层土壤模型仿真对比见表1。

表1　ETAP两层土壤模型仿真对比

以CDEGS软件仿真进行对比，接地网大小为200m×150m，采用间隔10m的均匀网格，接地体为480mm2镀锌扁钢，假设其土壤结构为5层，CDEGS五层土壤模型仿真对比见2。

表2　CDEGS五层土壤模型仿真对比

软件仿真计算结果表明，土壤电阻率测得越深，接地电阻的计算误差越小。因此，土壤电阻率应测量得尽量深。

3　测量深度的经济性考虑

实际上，受制于成本、工程条件等因素影响，土壤电阻率测量深度总是有限的。且大多数工程情况下，上下层土壤电阻率差别不大。通常电流极间距300m以上时受场地影响工作难度较高，一般不宜超过；按50m深及100～150m各测2～3处，如果差别不大，可按50m测，如果差别较大，则应按100～150m深度进行测量，此时对应四极法电流极间距大概在200～300m。按这种建议的做法，与《水力发电厂接地设计技术导则》的执行标准相差不大，可保证有足够精确度，又减少了不必要的成本，火力发电厂可以借鉴。

经了解，国内防雷接地方面地凯公司采用了一种自行研究的土壤电阻率测量方法，该法经过10多年实践证明有较高的准确度。

由于电流极往往是接地网及系统中性点，因此电流极直接取为电站内20m×20m地网及厂外另一电流极，见图2。据地凯公司介绍，其经验是一般厂外电流极在距离电站300m以上时差别就不大了。

图2　地凯公司土壤电阻率测量原理

此方法效率和经济性较高，往往一天之内就可测完，测量的点数和工作量小于常规做法，但其主要用在变电站地网测量，由于变电站占地面积相对较小，误差较小是合理的。但对于发电厂，该20m×20m网格是放置在升压站合适，还是全厂各取几个点再取平均值，尚不清楚。若在发电厂内采用该方法尚需进一步的验证和研究，且电气专业无法限定勘测专业采用的测量方法，只能规定其最小测量深度。

4　结语

火力发电厂土壤电阻率测量不宜太浅，土壤电阻率测得越深，接地电阻计算值越准确。电气专业应对在勘测任务书中提出最小测量深度要求。综合考虑技术和经济两方面因素，深度一般建议在100m～150m间，对应电流极间距在200m～300m左右。但对于土壤电阻率浅层与深层差别不大的地区，测量深度可降至50m，以节省投资。

接触电势、跨步电势允许值主要受地表土壤电阻率的影响，计算该允许值应采用地表1m内土壤电阻率。

避雷针的集中接地装置，采用的是冲击接地电阻，计算其接地电阻应采用地表大概5m内土壤电阻率。

有些工程采用更换地表3m～10m深度内土壤为低土壤电阻率土的降阻措施，实际是无用的，唯一的作用是降低地网与地间接触电阻。而要达到该目的，仅需在接地干线敷设时周围敷设一圈细土即可，且成本低。

1GB/T50065-2011 ,交流电气装置的接地设计规范[S].

2GB/T17949-2000,接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则[S].

3DL/T5091-1999,水力发电厂接地设计技术导则[S].

4NB/T35050-2015,水力发电厂接地设计技术导则[S].

*俞敏： 高级工程师。2000年毕业于四川大学电力系统及其自动化专业。从事电气设计工作。联系电话：13541109857，E-mail:yumin@chengda.com。

2016-05-31)