输电线路环形接地装置的设计及电阻计算

孙洪波，于德水

（1.呼伦贝尔市明星电力设计院有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.华电内蒙古能源有限公司土默特发电分公司，内蒙古 包头 014100）

0 引言

随着工程建设质量要求的不断提高，输电线路工程全要素、全过程向着精益化、高品质方向发展。但在建设过程中对输电线路接地电阻的控制过于粗放，前期电阻值仅为估测值，或用简易公式进行粗略计算，偏差很大；设计阶段接地电阻不可控制，只能后期实测，若不满足要求，则采取加装接地模块等方式降低电阻，造成设计变更，给建设管理、设计控制带来很大风险。本文从实际工程出发，在对土壤电阻率进行测量的基础上，在工程设计阶段进行工频接地电阻的精确计算，并将接地电阻控制在合理范围内，以减少和降低后续工程建设中的风险。

1 环形接地装置结构型式

目前输电线路的接地结构型式多为水平放射状，泄流效果较好，但占地面积较大，工序繁杂，必须开挖敷设接地装置的沟道，而且深度在0.8~1.0 m。尤其是在土壤电阻率较大、需要延长接地极时，开挖土方量和施工工作量更大。为解决上述问题，可采用环形接地装置，该装置为上下环结构，如图1所示。

图1 环形结构接地装置

下环分为4个小环，每个小环围绕4个塔脚基础底部单独敷设成方形环或圆形环，埋在约3 m深位置，可以根据基础埋深调整。上环一般在距地面1.0 m处沿整体铁塔基础外缘敷设成一个大环，通过垂直接地引线将上下环连接，上环经接地引下线与铁塔塔脚连接。本装置的优点是：不必额外开挖敷设接地装置的沟道，基础开挖时直接将接地体敷设其中；接地体均围绕基础周围敷设，占地面积较小，提高了工作效率，降低了工程建设难度；采用上下环结构，可通过上下层土壤电阻率的不同改善接地电阻，使其满足要求[1-2]。缺点是：接地装置的连接稍有复杂，若地下水位高时，下环要采取水平敷设方式。

2 环形接地装置工频接地电阻的计算

根据环形接地装置的结构特点，可将其电阻分成4个部分，分别为接地引下线电阻R1，上环（大环）接地电阻R2，上下环连接体接地电阻R3，下环（小环）接地电阻R4。本文仅就方形环接地电阻进行计算，圆形环计算原理一致。电阻采用并联方式，根据工频利用系数修正计算综合接地电阻。

2.1 土壤电阻率的测定

接地电阻都与土壤电阻率有关，采用土壤电阻率测试仪测出不同极距下土壤的视在电阻率，推算出埋深H1和H3（H3=H1+H2）的土壤电阻率ρH1和。然后利用季节系数ψ进行修正。依据电力工程设计手册[5]选取季节系数（如表1所示）。

表1 选取的季节系数

2.2 各部分接地电阻值的计算

按照如图1所示的结构分布，由上而下分别计算各部分的接地电阻值。接地装置采用镀锌圆钢，直径为d，各部分尺寸L1，L2，H1，H2如图1所示。

式中：ρH1为H1处土壤电阻率，ψ查表1取1.35。

式中：ψ·ρH1为H1米处修正后的土壤电阻率。

式中：ρH2为ρH1和ρH3的平均值，ψ查表1取1.2。

式中：ψ·ρH3为H3米处修正后土壤电阻率，ψ查表1取1.05。

2.3 综合接地电阻的计算

将环形接地装置分成上下两部分（如图2所示）。将每根接地引下线和大环接地电阻进行复合计算，计为R上总；然后进行上下环连接体与每个下接地小环接地电阻复合计算，计为R下，4根R下再次复合成R下总；最后将上下两部分再进行最终的复合计算，计为R总。每次进行电阻的并联计算都要基于工频利用系数ηi（i=1，2，…，5，ηi对应每次复合计算中的工频利用系数）的影响进行修正。这些系数的选取将影响综合接地电阻的准确性。根据电力工程设计手册[5]中接地极的冲击利用系数对ηi进行选取、计算，冲击利用系数选取最小值：η1和η4取值参照以水平接地极连接2根垂直接地极情况的数据对应取0.7；而η2、η3和η5取值参照以水平接地极连接4根垂直接地极情况的数据对应取0.8，且每个ηi还要除以0.9进行修正。计算结果如下：

图2 接地装置的上下两部分

上部分R1和R2的复合计算电阻R上总：

下部分R3和R4的复合计算电阻R下：4根R下再次并联成R下总：

R上总和R下总的复合计算电阻R总：

2.4 计及接地模块的复合接地电阻的计算

经过如上计算，若R总不满足规程要求，则要加装接地模块。设n个接地模块的电阻为R模，R模再次与R总进行并联复合计算，即得R模总：

若R模总满足规范要求，则可以确定设计阶段模块数量n。可根据土壤电阻率确定加装位置，采取向四周放射方式敷设。

3 实例计算

以根河至乌尔旗汗110 kV输电线路工程为例计算各杆塔环形接地电阻。选取9基杆塔，环形接地装置接地圆钢直径d=12 mm，下环埋深H3为3.0 m，上环埋深H1为1.0 m，上环边长L1为16 m，下环边长L2为3.6 m，杆塔接地电阻计算结果见表2。根据表2可以确定9基杆塔接地装置电阻是否满足要求。若需加装接地模块，可根据式（9）计算模块数量。

表2 杆塔接地电阻计算结果

4 结束语

目前，输电线路杆塔采用环形接地装置优势显著，其装置结构简单，施工方便快捷，节约用地，节省工程投资，能够准确测算接地电阻值，在设计阶段可确定是否加装模块及模块数量。本计算方法中，工频利用系数不确定性较大，需要在多个工程中进行验证，积累数据，便于今后的工程计算。