高阻抗岩石地貌变电站接地降阻研究

李宗蔚，田燕山，张德坤，晏居川

（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021；2.国家电网公司交流建设分公司，北京 100052）

0 引言

变电站的接地系统是保证电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的重要措施，其功能是通过将故障电流安全引入地下，限制地电位上升，控制地表电位梯度，进而限制跨步电压和接触电压在安全值内［1］。

高阻抗岩石地貌地区土壤电阻率较高，且目前土地资源紧张，变电站向小型化、紧凑型变电站发展，导致常规接地网接地电阻往往难以达到国家有关规程的规定，危及设备和人身安全［2-3］。

以岩石地貌地区较有代表性的220 kV源河变电站工程为例，详细阐述了接地降阻措施的选择过程，并列举了在实际工程中常用的5种接地降阻方案，对这些方案的实施效果开展分析比较，形成接地降阻措施经济技术比较分析表，最终选取最优的解决方案。

1 土壤模型的建立

220 kV源河变电站站址地貌成因类型为剥蚀丘陵，地貌类型为缓坡地。拟建场地上覆地层为第四系全新统残破积层（Q4el+sl），岩性为粉质粘土，下伏基岩为白垩系沉积岩，岩性为泥质砂岩，地表2 m以下即为岩石。

土壤电阻率是单位长度土壤电阻的平均值与截面积的乘积，是决定接地网接地电阻的重要因素，其值大小直接影响接地体接地电阻、地表地电位分布、接触电压及跨步电压。因此，为了合理设计接地装置，工程初期，首先对土壤电阻率进行测量。目前，常采用准确度较高的温纳四极法开展土壤电阻率测量工作，其工作原理如图1所示。

图1 温纳四极法工作原理

图 1 中 P1、P2为电压极，C1、C2为电流极，四个电极分布在一条直线上，电极的入地深度D小于极间距S的1／20，根据电流表读数I和电压表读数V，即可计算土壤电阻率

式中：ρ为计算土壤电阻率，Ω·m。

站址区域内分别按东西向和南北方向布置测线。测得的土壤电阻率如表1所示。

表1 土壤电阻率测量结果

由表中数据可以看出，随土壤深度的增加，土壤电阻率显著增大。

《交流电气装置的接地设计规范》中计算均使用均匀土壤模型开展接地电阻计算，但对于实际工程而言，不存在严格意义上的均匀土壤，因此利用更为准确的CDEGS接地计算软件，通过RESAP模块建立土壤模型，如图2所示。

图2 土壤模型曲线

从图2可以看出，利用土壤电阻率的测量结果，可将站区土壤模拟为3层。

根据CDEGS软件操作手册，当测量值与计算值的方均根误差率小于5%时，土壤模型即可以较为准确的模拟实际站区土壤情况。因此需校验方均根误差率。通过校验，方均根误差率为4.747%，土壤模型是较为准确的。土壤电阻率从浅至深分别为35.46 Ω·m、129.23 Ω·m 及 669.73 Ω·m。

2 入地故障电流的仿真计算

入地故障电流是直接影响地表地电位升高、接触电压及跨步电压的关键因素。因此利用CDEGS软件FCDIST模块进行仿真计算，建立变电站相关输电系统模型，如图3所示。

图3 FCDIST系统关系模型

并设置好各终端站与中心站之间的线路参数，如图4所示。

图4 FCDIST系统线路模型

通过计算机仿真计算，最终绘制出入地电流曲线如图5所示。

图5 入地电流曲线

通过仿真计算入地故障电流，计及主变中性点及站外线路的分流后，入地故障电流约为9.32 kA。

3 降阻前接地电阻计算

源河220 kV变电站降阻措施实施前，采用常规地网设计。在站区范围内敷设以水平接地体为主的人工接地网，接地网均压带采用不等间距布置。利用CDEGS软件MALZ模块进行建模仿真，常规地网模型如图6所示。

图6 常规地网模型

软件自动读取土壤模型数据，并对模型入地故障电流赋值。经计算未采取任何降阻措施时，全站接地电阻约为1.21 Ω。不能满足《交流电气装置的接地设计规范》中的要求，且大于的放宽要求。进一步校验其地电位升高，如图7所示。

由图7可以看出，地电位升高约11.29 kV，严重影响设备可靠运行，将造成避雷器的反向动作，甚至破坏二次设备绝缘，使监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。因此考虑采取降阻措施，目标将接地电阻降低到0.5 Ω以下，地电位升高降低到5 kV以下。

图7 地电位升高分布

4 常规降阻措施分析

为降低接地电阻及地电位升高，提出在实际工程中不同的降阻方案，对降阻效果、施工方法进行仿真模拟，并形成投资估算，具体方案如下。

4.1 全站换土降阻措施

采用全站换土，整个站区考虑换土深度2 m，新换入土壤拟采用低电阻率的田园土（电阻率取20 Ω·m）。利用CDEGS软件进行仿真计算，实施该方案后地电位升高分布如图8所示。

图8 换土方案地电位升高分布

降阻效果。由图8可以看出，地电位升高由11.29 kV降低至9.25 kV，接地电阻由1.21 Ω降低至0.99 Ω，未达到预期目标。

经济性分析。单纯换土方案需换土土方量1.8万m3，投入资金约80万元，欲达到理想的降阻效果需要与接地深井联合降阻，预计总经济投入约110万元，投入较大，且土石方的采购与运输也存在一定的难度，因此该方案不适用于本站。

4.2 接地网外引降阻措施

由于站址区域附近没有河流、池塘等地理条件，本方案考虑将接地网向站外5个方向放射状引接250 m以扩大接地网面积，外引接地网埋深同站内主接地网埋深（0.8 m）。利用CDEGS软件进行仿真计算，实施该方案后地电位升高分布如图9所示。

图9 接地网外引方案地电位升高分布

降阻效果。由图9可以看出，采取此降阻措施后，地电位升高由11.29 kV降低至4.63 kV，接地电阻由1.21 Ω降低至0.49 Ω，降阻效果显著。

经济性分析。经校验，跨步电压23.44 V和接触电压92.53 V均小于允许值要求 （跨步电压允许值926.4 V，接触电压允许值348.6 V）。该措施需额外铺设水平接地体共计1250m，预计经济投入约25万元。

但由于外引接地网埋深较浅，受人为干预因素影响较大，对变电站征地及站区附近环境也有着较高的要求［4］，通过调研，由于本站站外区域并未征地，无法实现该方案所示的规模化外引，因此该方案可行但不适用于本站。

4.3 接地深井降阻措施

考虑在站内打5眼45 m的接地深井，井中投入降阻剂，通过计算，实施该方案后地电位升高分布如图10所示。

降阻效果。由图10可以看出，地电位升高由11.29 kV降低至11.01 kV，接地电阻由1.21 Ω降低至1.18 Ω，收效甚微。如继续增加深井数量，需要打深井40口，才能将接地电阻降至0.7 Ω左右，仍不能达到预期目标。

经济性分析。深井数量已达到站内接地深井数量极限值，预计需投入资金80余万元。因此该方案不适用于本站。

图10 接地深井方案地电位升高分布

4.4 接地横井降阻措施

考虑在站内打5眼400 m的接地横井，先由站内向地下打井至5 m深处，再转而横向打井向站外放射状延伸400 m。通过计算，实施该方案后地电位升高分布如图11所示。

图11 接地横井方案地电位升高分布

降阻效果。由图11可以看出，采取此降阻措施后，地电位升高由11.29 kV降低至4.2 kV，接地电阻由1.21 Ω降低至0.45 Ω，达到了预期目标。

经济性分析。经校验跨步电压27.36 V和接触电压117.05 V均小于允许值要求 （跨步电压允许值926.4 V，接触电压允许值348.6 V）。经市场调研，对于岩石地貌，接地横井价格标准约为300元／m，布置横井总长2 000 m，该措施预计需投入资金约60万元。

此种布置方式有效规避了接地网浅埋外引的人为干扰因素，但如在横井敷设路径上遇到地下管线、地下设施、隧道等设施时，将对其造成破坏。同时也存在站外工程建设破坏外引接地导体的可能，不可控因素较多［5］，根据本站实际情况，该方案不适用于本站。

5 深井爆破降阻措施分析

考虑在站内打12眼30 m爆破深井。先用钻机钻出深井，使用炸药爆破使深井周围形成岩石裂缝（裂缝延伸3~5 m）。用压力机将降阻材料（低阻抗混凝土），压入岩石裂缝中，然后埋入垂直接地极，并与水平接地网相连。从整体看构成了一个低电阻率区域，并加强了接地极与土壤（岩石）的接触，改善接地极周围土壤的电阻率分布［6］。其原理如图12所示。

图12 深井爆破接地极原理

式中：Rv为垂直地极的接地电阻，Ω；L为垂直接地极的长度，m；d为接地极用圆导体爆破后的直径，m；ρ为土壤电阻率，Ω·m。

5.1 降阻效果

考虑到本站实际地质情况，爆破深井爆破系数以0.3选取，由式（1）计算可得，单个30 m爆破深井接地电阻5.37 Ω，考虑到接地网屏蔽效应，预估12个爆破深井可将本站接地电阻降低至0.5 Ω以下。根据《交流电气装置的接地设计规范》相关公式计算并校验，跨步电压271.99 V和接触电压242.77 V均小于允许值要求（跨步电压允许值926.4 V，接触电压允许值348.6 V）。

5.2 经济性分析

此方案预计需投资约80万元。

其单个爆破深井接地电阻为

该方案无需站外额外征地，不受站外环境影响，降阻效果明显。但可能对部分构筑物的地基承载力产生影响，因此本方案考虑将爆破深井布置在站区四周，绕开主要建筑物基础，并对部分有关构筑物基础进行地基处理，将影响控制在最小，此方案适用于本站。

在方法的选择中，如果该站站区土地资源较为宽松，扩大征地方便可行，或站区附近有河流、湖泊等低电阻区域，则接地网外引降阻措施就成为最优方案；如果站区附近在变电站全寿命周期中无建筑用地规划，且无站外管线、地下设施、隧道等因素的影响，则接地横井降阻措施又变的合理可行。因此该站的接地降阻措施选择结果对于高阻抗岩石地貌变电站不能一概而论。

6 结语

对高阻抗岩石地貌变电站接地降阻措施的选择过程及方式方法进行深入的探讨。以220 kV源河变电站工程实际情况为例开展分析研究，最终选用深井爆破降阻措施。在开展高阻抗地区接地降阻措施的选择分析时，应紧密结合当地实际情况，从技术与经济角度对各降阻措施进行严谨的对比分析，最终因地制宜地选择最优接地降阻方案。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.交流电气装置的接地设计规范：GB／T 50065—2011［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［2］孟庆波，何金良.降低接地装置接地电阻的新方法［C］∥全国电网中性点接地方式与接地技术研讨会论文集，2005.

［3］唐世宇，莫文强，周艳玲.高土壤电阻率地区变电站接地处理［J］.高电压技术，2006，32（3）：121-122.

［4］鲁志伟，常树生，东方，等.引外接地对降低接地网接地阻抗的作用分析［J］.高电压技术，2006，32（6）：119-121.

［5］葛莺.关于对变电站降低地网电阻的分析与论述［J］.内蒙古石油化工，2006，32（5）：43-44.

［6］安建强，何金良，孟庆波.爆破接地技术在地网改造中的应用［J］.电力建设，2000，21（4）：17-20.