高土壤电阻率地区降阻方案研究

2018-09-11

电气化铁道 2018年4期

0 引言

接地网电阻阻值的大小通常作为衡量变电所接地系统是否符合安全要求的重要指标。如果接地网阻值偏大，一旦发生短路故障或其他大电流流入大地，接地网的电位会大幅升高，给作业人员的人身安全带来严重威胁。同时，电位的升高还有可能破坏设备的绝缘性能，甚至发生高压电串入控制室，使监测控制设备发生误动或拒动甚至烧损，引起事故扩大。

通过对我国西南地区贵州境内铁路沿线进行现场调查，该地区铁路沿线地质地貌复杂，大多数牵引变电所建于土壤多为岩石结构的地区，其周围土壤电阻率远远高于平原地区土壤电阻率。接地网阻值的大小很大程度上取决于土壤电阻率的高低。本文基于国内外关于降低接地电阻方法的有关资料和数据，对不同降阻方法进行分析总结。由于其中一些方法（如扩大接地网面积）在某些特殊地理位置（尤其是高土壤电阻率地区）难以实现有效降阻，因此研究一种适合山区或地质条件恶劣地区等高土壤电阻率地区的降阻方案至关重要。

1 常用降低接地电阻方法

1.1 扩大接地网面积及增加接地网埋深

在土壤电阻率比较接近的情况下，牵引变电所接地网的电阻值与接地网面积的平方根近似成反比，因而扩大接地网的面积可以降低接地电阻。

扩大接地网的面积并不适用于所有场地，尤其是山区等高土壤电阻率地区。建于该区的变电所受到地形的限制，无法扩大接地网面积。同时，因为其土壤电阻率较高，通过增加接地网埋深进行降阻的效果也并不理想。

1.2 局部换土

采用局部换土的方式降低土壤电阻率在理论上是可行的，可以采用置换的方式替换高土壤电阻率的土壤。但是在实际施工过程中，山区土壤类型较为复杂，局部换土只能替换掉表层的土壤，而对于岩石层和沙砾层，置换土壤的工程量较大，实施成本较高。

1.3 引外接地

引外接地是指将接地网与变电所外的某一区域（如水源附近）进行连接以降低接地网电阻。其局限性在于变电所周围需存在土壤电阻率较低的区域。另外，如果变电所和引外接地之间距离过长，则容易产生电位差，特别是在雷电等高频冲击作用时。因此，引外接地方式必须确保主接地网与引外接地之间采用多根接地导体连接。

2 方案设计

2.1 现场情况分析

以渝黔铁路息烽牵引变电所为例，采用铜绞线作为水平接地体，纯铜棒作为垂直接地极，垂直接地极的铜棒为j18×3 000 mm，接地网埋深0.8 m。设计物探资料显示土壤电阻率为27W·m，估算的入地短路电流为15 400 A，设计接地电阻为0.12W。该变电所现场地质情况较为复杂，岩石层较厚，回填土的电阻率也不满足要求，导致实测土壤电阻率明显高于设计物探资料数值，且测得的接地电阻值远大于最后的设计值。

2.2 模型建立

通常认为垂直接地极越多，垂直接地极与水平接地极并联构成的接地网的接地电阻会越小。而实践证明，接地网中接地极的并联并不完全服从电学中电阻并联的原理，其测量值总大于采用电学方法计算的并联值。这是因为垂直接地极之间存在电流屏蔽效应（电流流入垂直接地极时，电流的扩散会受到限制，该现象称为电流屏蔽效应），垂直接地极埋设越近，两者之间的屏蔽效应越明显。

根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》均匀土壤中垂直接地极的接地电阻计算公式，当垂直接地极的长度远远大于接地体直径时，接地电阻计算式为

式中，Rv为垂直接地极的接地电阻；r为土壤电阻率；l为垂直接地极的长度；d为接地极为圆导体时的直径（当接地极采用其他形式导体时，可以计算其等效直径）。

由水平接地极和垂直接地极构成的接地网为复合式接地网，其接地电阻计算式为

式中，Rn为形状边缘闭合接地网的接地电阻，Re为等值接地网的接地电阻，S为接地网的总面积，d为水平接地极的直径或者等效直径，h为水平接地极的埋设深度，L为接地极的总长度，L0为接地网外边缘线的总长度，B为中间变量。

当采用误差率较小的计算方法时，Rw=a1Rew，

其余计算方式相同，上式中，g为常数，n为垂直接地极根数，计算得出带垂直接地极与不带垂直接地极接地网之间的降阻率，并通过测试得出垂直接地极对接地网的降阻效果，垂直接地极对地网的降阻作用分析结果如表1所示[5]。

表1 垂直接地极对地网降阻作用的分析结果

通过分析表1可以得出，当垂直接地极的长度l远远小于地网的等值半径b时，降阻效果并不明显，采用垂直接地极时，需要保证垂直接地极的长度与地网等值半径可比拟，使接地网由平面接地网成为立体接地网，此时才可起到一定的降阻作用。

最初的设计方案采用纯铜棒及离子接地体作为接地网的垂直接地极，其尺寸为j130 mm。垂直接地极敷设于水平铜绞线的交叉点以及水平地网的外轮廓线上，如图1所示。

实际测量结果显示，在图1所示接地极中，真正起到降阻作用的是外轮廓线上的接地极，处于交叉点上的接地极由于屏蔽效应，降阻作用受到了相互影响，从而导致绝大部分电流从地网外缘流出而不从内部流出，所以地网内部的垂直接地极的降阻作用有限。

由此可以得出以下结论，地网接地电阻并不随着垂直接地极数量的增多呈现明显下降的趋势，多根垂直接地极之间因电流屏蔽效应而不能发挥有效的降阻作用。虽然深埋接地极在一定程度上可以降低接地网电阻，但还需要考虑其实际敷设情况，这也涉及垂直接地极的布置位置及垂直接地极的根数、长度等问题。

图1 垂直接地极敷设位置

2.3 垂直接地极根数的选取

如图2所示为垂直接地极根数与地网阻值的仿真分析。选取8根深井接地极时，接地电阻值趋于恒定，而后再增加接地极数量，相互之间的屏蔽作用增强，增加垂直接地极的数量已不能起到明显的降阻作用。

图2 垂直接地极根数与地网阻值关系

2.4 垂直接地极长度的选取

垂直接地极长度选择与数量是紧密相关的。当垂直接地极长度不能满足要求时，仅依赖于增加数量并不能达到有效降阻的目的。当垂直接地极长度符合要求时，选择垂直接地极的数量时则需要考虑其相互间的屏蔽效应。因此，选择增加垂直接地极时，需重点考虑垂直接地极单位长度的利用率与垂直接地极根数的关系。

单位长度利用率h随L/req及根数的变化曲线如图3所示。

图3 单位长度利用率η随L/req及根数的变化曲线

从图3可以看出，垂直接地极越短，其单位利用率越低；垂直接地极越长，成本会相应提高，但是其单位利用率并未显著增加。当L/req=1时单位长度利用率最大，即垂直接地极长度约等于水平接地网的等值半径时，其单位长度利用率达到最理想的效果。

2.5 材料选择

（1）镀锌钢作为接地材料存在如下缺陷，不宜使用：钢材在土壤中腐蚀较快，在土壤中的使用寿命一般为3～10年；钢材与土壤的接触电阻大，土壤电阻率越高（砂石含量较高），接地体的有效散流面积越小；由于钢材的导磁特性，使得其趋肤效应较为严重，冲击散流能力较差；变电所接地网带电维修困难，钢材接地体需要焊接，电焊机会产生严重的电磁干扰，影响二次系统的可靠运行。

（2）石墨基柔性接地材料相比于钢材，具有耐腐蚀、与土壤的接触电阻小、冲击散流效果好、运输及施工简单、开挖土方量少、长期免维护等优点。大量的实践应用表明，石墨基柔性接地材料是接地工程的优选材料。

（3）适当使用垂直接地体有助于降低接地电阻，减小季节系数的影响。由于土壤表层电阻率受天气及季节影响较大，而2 m以下的土壤受天气的影响较小，适当使用垂直接地体将水平接地网与2 m以下的土壤连接，有助于降低接地电阻，减小季节系数的影响。常用的镀锌钢垂直接地体可起到上述作用，但仍然存在腐蚀问题，影响其使用寿命。自身抗腐蚀性较好的离子接地体，可改变其周围土壤电阻率，而对于大面积的降阻并不适用，且离子棒释放出的离子还可能腐蚀其附近的金属接地体，对变电所的正常运行造成影响。柔性石墨组合垂直接地体可以避免上述问题，具备长期稳定、免维护、施工简单、成本低、受季节变化影响较小等特点，是垂直接地体的首选。

3 方案实施

息烽牵引变电所位于贵州省息烽县，所内水平接地网面积为7 670 m2（65×118），接地体水平方向9根，垂直方向14根。原有接地网主材采用截面150 mm2的铜绞线，辅有81根j18 mm的3 m铜棒，且在接地网四角敷设了4根离子接地体，未能将接地电阻降到要求水平。在该变电所正门方向的围墙外围放置了10个空腹型接地装置进行接地网改造，测得息烽牵引所接地网阻值为0.683W，也未能达到降阻要求。

通过现场勘查水平接地网、周围地质及土壤情况，得出息烽变电所受场地的限制，引外接地涉及征地等政策问题，不易实施。息烽所属于牵引变电所与配电所合建，场地面积较大，同时具有地下含水层，可采用钻井的方案，采用垂直接地极降低接地电阻。同时，息烽变电所附近存在分散的低电阻率土壤区域，回填土取材较为方便。

通过大量的仿真计算，分析研究了垂直接地极的布置位置、长度与数量选择规律，得到如下方案：

采用布置深井垂直接地极的方式进行接地降阻。在原接地网四周放置8个深40 m的深井垂直接地极，如图4中的垂直粗线部分所示。按照该地网设置方式进行仿真计算，接地电阻值结果为0.42W。