降低高土壤电阻率变电站接地电阻的研究

王金炜，余力行

(国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

0 引言

变电站良好的接地是维护电力系统安全可靠运行、保护运行人员和电气设备安全的重要措施。理论分析和运行经验表明：在土壤电阻率低的地区，地网接地电阻值容易满足要求，但土壤腐蚀问题严重；而在土壤电阻率高的地区，特别是在山区，表面土层一般较薄，下层的土壤往往不止一层，地网的接地电阻很难达到规定值。

在近期对某35 kV变电站接地电阻例行试验后，结果显示其接地电阻达到7 Ω，已大于GB 50056—2011《交流电气装置的接地设计规范》4.2.1条“不接地系统接地电阻不大于4 Ω，高电阻率地区接地电阻不大于10 Ω”的要求。经过现场勘查后发现，该变电站外区域表层为红色粉质粘土，分布于全场区，结构疏松，土质不均匀；中层及其下层均为第3纪重风化石灰岩，分布于全场区，层顶起伏较大，中等风化。该土壤结构属于典型的双层土壤结构。根据岩土报告，土壤电阻率分布为上层土壤(0—5 m)h1=5 m，ρ1=300 Ω·m；下层土壤(5 m以下)h2=13 m，ρ2=1 000 Ω·m。

1 接地网改造方案

目前接地网原材料大多采用扁钢、角钢或钢管，钢材在土壤中腐蚀后，进而腐蚀接地网。金属在土壤中的腐蚀有化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀，其中电化学腐蚀对接地网的腐蚀最为严重。

在高土壤电阻率地区，可采取的降低接地电阻的措施有以下几种：

(1) 若在变电所2 000 m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设外引接地极；

(2) 当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用井式或深钻式接地极；

(3) 填充电阻率较低的物质或降阻剂；

(4) 敷设水下接地网。

该变电站现有的接地网水平接地体采用70×10热镀锌扁钢，沿变电站围墙敷设，埋深为0.8 m。依据该变电站接地网布置图纸，制定接地网改造方案如下：

(1) 沿水平接地网外环周围敷设Φ50铜覆钢管深井接地极；

(2) 深井回填采用“深井压力灌浆”工艺，每口井回填煅烧石油焦炭450 kg，灌浆压力保持在4.5 MPa±0.5 MPa；

(3) 深井接地极连成的环网与原地网间需进行可靠连接，连接点应不少于10处；

(4) 水平接地体与深井接地极、水平接地体之间均采用放热焊接且保证焊接牢固，焊点及周围被氧化部位需涂刷沥青漆进行防腐。

改造后的接地网结构如图1所示。

2 改造方案特点

(1) 全站接地采用铜覆钢接地装置，铜层厚度不小于0.25 mm，具有导电性能优、热稳定性能好、耐腐蚀能力强、施工方便、使用寿命长、投运后检验维护工作量少、无污染等优点。

(2) 全站降阻采用“深井压力灌浆”工艺，以低电阻率的接地工程用煅烧石油焦炭灌注深井，可使低电阻材料填充地层裂隙，增大低电阻区域，有效降低接地体局部接地电阻。

(3) 接地工程用煅烧石油焦炭的碳含量不小于95 %，具有低电阻、低流失、无腐蚀性和无污染的优点。

(4) 全站接地体连接采用放热焊接方式，施工方便，焊接点的电气性能、机械性能、耐腐蚀性均优于传统焊接，有效保障了接地网的电气安全。

图1 等效的接地网结构

3 接地网参数计算

文献1给出以水平接地导体为主、边缘闭合的复合接地网的接地电阻计算公式，该公式考虑了构成水平接地网的水平接地导体之间的电流屏蔽作用，对于任意复杂的接地网都能得到比较准确的接地电阻值。式(1)—(4)为复合接地网接地电阻公式。

式中：Rn——任意形状边缘接地闭合网的接地电阻，Ω；Re——等值方形接地网接地电阻，Ω；S——接地网总面积，m2；d——水平接地极的直径，m；h——水平接地极的埋没深度，m；L0——接地网的外缘边线总长度，m；L——水平接地级的总长度，m。

由资料得ρ1=300 Ω·m，S=1 060 m2，L0=134 m，B=0.9，α=0.98，h=0.8 m，则有Rn=4.5 Ω。此电阻与实际测量所得接近。

改造后的接地网参数采用利用系数法计算，需要的垂直接地极钢管数量见式(5)。

假定需要的接地极钢管数量n=50，式中ηv为水平接地体的利用系数，查文献2得ηv=0.96；Rne为接地电阻要求值；Rv为单根接地电阻体的散流电阻Rv=k×ρv，k为双层土壤的反射系数，取0.326， 求得Rv=97.8 Ω。按式 (5)求得接地极钢管数量n=23，取50根接地极钢管。

垂直接地极根数从10—70根时，接地网的接地电阻随垂直接地极数量的变化曲线如图1所示。由图1看出，在水平地网保持不变的情况下，接地网的接地电阻R随垂直接地极根数n的增大而降低；当n达到一定数值时，R值趋于恒定。这是由于垂直极间距减小后，相互间的屏蔽作用增强，垂直接地极根数越多，屏蔽系数越大。当垂直接地极根数增加到一定程度后，屏蔽作用已非常明显，再增加已无意义。

图1 接地网电阻与垂直接地极根数的关系

验算接地电阻见式(6）。

由于该变电所为双层土壤，所以需要计算由于双层土壤影响而增加的电阻，见式(7)—(9)。

式中，Rad为垂直接地体由于双层土壤影响而增加的电阻，当土壤电阻率为100 Ω·m，埋深3 m时查表取Rad=1.98 Ω，在经过换算后取Rad=0.2 Ω；F为双层土壤的影响系数，可以根据土壤的反射系数和接地体底部的埋深计算而得，取F=1.7；土壤的反射系数K见式(8)；R1为垂直接地体仅埋设在上层土壤中的接地电阻，见式(9)。综上，通过式(7)可求得R′。

R′=F(R1+Rad)=1.7×(0.2+2)=3.74 Ω

改造后的总接地电阻见式(10)。

R=Rne+R′=3.74+1.8=5.54 Ω (10)

改造后的实际接地网接地电阻测量值为1.86 Ω，满足规范要求的不接地系统接地电阻不大于4 Ω的要求。

4 接触电位差与跨步电位差

根据文献1要求，35 kV不接地系统发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时变电站接地装置的接触电位差Ut和跨步电位差Us不应该超过式(11)和式(12)。

其中ρf为人脚站立处地表面的土壤电阻率。取ρf=300 Ω·m，计算得允许值Ut=65 V，Us=56 V。

接地网最大接触电位差和最大跨步电位差的公式见式(13)，(14)。

其中：KTL，KTh，KTd，KTs，KTN和KTm分别为最大接触电位差的形状、埋深、直径、地网面积、接地导体根数和网孔数目影响系数；KSL，KSh，KSd，KSs，KSN和KSm分别为最大跨步电位差的形状、埋深、直径、地网面积、接地导体根数和网孔数目影响系数；V为接地网故障电流时的最大接地位升高。当I=1 000 A(根据系统参数所得的计算值)，地网接地电阻R=1.86 Ω时，接触电位差的影响系数为0.018。验算得：

即最大接触电位差小于允许电压。变电站内跨步电位差也不会威胁运行人员的巡视安全。

5 结束语

从安全经济方面考虑，新建深井接地极连成的环网应根据不同部位的腐蚀特点采用必要的防腐措施。新建环网要特别注意接地体的防腐能力，钢材本身要作防腐处理，如热镀锌；焊接处应去掉焊渣后，涂厚度约2 mm的沥青；电缆沟相对湿度较大，构成电化学腐蚀条件，故电缆沟内的扁铁除采用镀锌防腐外，还应从降低电缆沟湿度的角度减缓腐蚀。防腐的另一项措施是水平接地体回填土要夯实。从地网开挖发现，腐蚀严重处大多是土壤与水平接地体间有空洞或不紧密的地方，而土块紧粘在扁铁外的腐蚀就比较少。

在实施接地网改造时，必须按图纸施工，以保证施工质量和接地扁铁之间的焊接质量。首先要保证搭接面积，严禁点焊，必要时可以在焊接处搭接一根相当于扁铁截面的圆钢，圆钢长度要大于其直径的12倍；其次在折弯处禁止采用高温加热处理，因为高温加热后，钢铁的有效截面会发生变化，不能保证足够的通流面积；另外，禁止设备接地引下线串接，以防某处地线断开时造成后面串接设备失地。为避免遗留事故隐患，接地网回填土之前必须经专业人员验收，验收资料及改造图纸存档待查。

参考文献:

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

2 钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.