110kV坦嶺變電站接地網(wǎng)降阻改造

鄭萬 歐陽力 劉鄭哲 厲軍

（衡陽電業(yè)局，湖南 衡陽 421008）

110kV坦嶺變電站位于湖南南部丘陵地帶，畔山坡而建，變電站坐落地區(qū)土壤以紫色土為主，土層淺薄，土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復雜，原主地網(wǎng)面積4053m2，接地網(wǎng)以不等格水平接地體為主，埋深800mm，外圈網(wǎng)格交叉點輔以2500mm垂直接地體。變電站地網(wǎng)設(shè)計值為1.2Ω，2008年9月投產(chǎn)時測試值為2.8 Ω，大大超過設(shè)計標準，因該變電站投產(chǎn)供電壓力大，在對變電站操作道進行技術(shù)處理后，跨步電勢和接觸電勢達到安全要求及投入運行。但該變電站地處南嶺北麓，屬雷電活動特別強烈區(qū)，平均年雷暴日76.3天。因接地網(wǎng)不合格，頻繁的雷電活動對該站設(shè)備的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的威脅。

1 改造方案確定

在實際工程設(shè)計中一般采取以下一種或幾種綜合降阻方法：外延接地法、降阻劑法、深井降阻法、斜井降阻法、電解電極法、接地模塊法、置換土壤法等。采取哪種降阻法，必須具體分析個案，對需降阻接地網(wǎng)所處環(huán)境情況進行綜合分析，采集各類數(shù)據(jù)，比對各種方案，尋找經(jīng)濟技術(shù)指數(shù)最好的方案。

坦嶺變電站地質(zhì)自上而下分為4層，第一層主要由紫色土組成，層厚1.5～2m，第二層為粘土，稍濕，硬塑狀態(tài)、干強度高、韌性高、分布連續(xù)均勻，層厚 3～4m，第三層為強風化泥質(zhì)砂巖，節(jié)理構(gòu)造不清晰，巖芯呈粉狀和層塊狀，含泥質(zhì)，手捏易碎，層厚 2～6m，第四層為中風化泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較硬。因坦嶺變?yōu)橐淹哆\變電站，無法準確測量土壤電阻率，選擇離變電站100m處，相同坡度，相同地貌，相同開挖程度的西南角一塊工地測量土壤電阻率。用四極法測得土壤電阻率如表1。

表1 西南角土壤電阻率實測值

從土壤電阻率測試結(jié)果可以看出，本站地質(zhì)結(jié)構(gòu)單一，表層土壤電阻率偏大是由于地層干燥引起的，土壤電阻率在4m內(nèi)為逐漸升高趨勢，平均土壤電阻率在400Ω·m左右，4m到10m逐漸降低，最低值為347 Ω·m，然后呈逐漸升高趨勢。

根據(jù)接地電阻公式：

式中，ρ 為土壤電阻率，S為接地網(wǎng)面積，R為接地電阻。

平均土壤電阻率取400 Ω·m，可得出接地電阻計算值為3.14 Ω，因為外圈網(wǎng)格交叉點輔以2500mm垂直接地體，有一定的降阻效果，根據(jù)實際經(jīng)驗，附加于水平接地網(wǎng)的垂直接地體，當深度無法和水平接地網(wǎng)的半徑接近時，降阻效果為2.8%～8%[1]。按最大降阻效果計算地網(wǎng)值應(yīng)為 2.89 Ω，地網(wǎng)改造前實測值為2.88 Ω，與理論值相符。

由式（1）可得需要接地網(wǎng)面積計算公式：

通過式（2）可以計算出，在埋設(shè)深度一致，材料方式一致的情況下，接地電阻達到設(shè)計的1.2 Ω需要接地網(wǎng)面積27778m2，遠大于原地網(wǎng)的4053m2，如果單純的采取擴大接地網(wǎng)面積來降阻則需四周擴大52m。存在費用、征地、施工等難度，不可能實現(xiàn)。

通過走訪當?shù)剞r(nóng)民，了解到坦嶺變地址東北角原有一口長行池塘。通過東北角護坡測量了解到東北角的開挖深度為1.8m，開挖1m深未見塘泥。通過地形勘測，沿變電站東邊圍墻一直往北延伸，為兩座山脊之間的山坳。離變電站東北角100處測得土壤電阻率見表2。

表2 東北角土壤電阻率實測值

通過表2可以得出，東北角的土壤明顯好于西南角土壤。

因為條件和檢測手段，未檢測更深層土壤的土壤電阻率。通過已知的數(shù)據(jù)可以分析，該變電站東面及北面土壤電阻率偏低，更深土層中也可能存在低土壤電阻率的土層。因為外延地網(wǎng)需與周邊土地使用者簽訂賠償協(xié)議，從成本角度考慮，首先在變電站內(nèi)采用深井技術(shù)將該地網(wǎng)改造成近似半球型接地體，在開挖深井過程中對垂直接地極上部土壤進行更換。如果降阻效果不明顯，再實施東北角地網(wǎng)外延和深井技術(shù)相結(jié)合的改造。

2 改造施工工程

2.1 方案1：站內(nèi)深井技術(shù)

本方案的重點是在變電站四周及中間開挖五個外徑2m，內(nèi)徑1.5m，深1.5m的環(huán)形豎井。在每個環(huán)形豎井中均勻打入6根垂直接地極。垂直接地極的打入深度為25～35m不等。垂直接地極使用材料為波蘭伽爾瑪（Galmar）接地棒，由純度達99.9%的電解銅分子覆蓋到低碳鋼芯上制成，接地棒直徑為14.2mm，銅鍍層厚度為0.250mm。在六根接地棒上離地80mm處，用30mm×4mm鍍銅扁鋼環(huán)接后與原主接地網(wǎng)連接（雙連接）。處理好各焊接點及防腐處理后用低土壤電阻率的稻田土回填。

接地電阻通常由三部分組成：①接地裝置本身的金屬電極電阻；②接地裝置與土壤之間的接觸電阻；③接地裝置經(jīng)土壤向外擴散的散流電阻。忽略金屬電極電阻和接觸電阻，關(guān)于半球型接地體的接地電阻，我們只近似計算其散流電阻，采用文獻[2]給出的參考計算模型，其散流電阻Rs為：

式中，ρ 為土壤電阻率，Ω·m；r為半球形接地體半徑，m；Rs為散流電阻，Ω。

按式（3）計算出不同電阻率下改造后的接地電阻如表3，如取平均土壤電阻率400Ω·m，則改造后接地電阻將達到0.71 Ω。

表3 直徑為30m半球型接地體接地電阻在不同電阻率土壤中的近似計算結(jié)果

實際施工過程中，站內(nèi)設(shè)備構(gòu)架影響接地極不可能均勻分布，地質(zhì)結(jié)構(gòu)等原因造成接地極壓入深度不一致等，因此該接地體不能視為半球型接地體，只能按照垂直接地體與環(huán)形接地網(wǎng)并聯(lián)后接地電阻推算方式來計算總個接地網(wǎng)的接地電阻。

單個垂直接地體的接地電阻計算公式為[3]：

式中,R為垂直接地極的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為垂直接地極的長度，m；d為接地極用圓導體時，圓導體的直徑，m。

按式（4）計算出土壤電阻率為 400 Ω·m時，接地極壓入深度不同時的接地電阻見表4。

表3 直徑為0.0142m接地極在400 Ω·m電阻率土壤中不同深度的接地電阻計算結(jié)果

通過文獻[4]得知，在大中型地網(wǎng)降阻過程中，在均勻土壤中，均勻帶交叉點打入垂直接地體的降阻效果為23.8%～53.5%，沿接地網(wǎng)四周打入垂直接地體的降阻效果為22%～52.4%。實際施工圖如圖1。1—5號井每個深井壓入 6根垂直接地極，每根接地極壓入后，均測量了單根接地極的接地電阻，見表4。

圖1 坦嶺變深井垂直接地體施工簡圖

不考慮干擾和屏蔽，通過電阻實測值推算1—4號接地井各接地極平均土壤電阻率見表5。

表4 1—4號接地井各接地極接地電阻

表5 1—4號接地井各接地極平均土壤電阻率

通過表5數(shù)據(jù)推測，1、2號接地井整體土壤電阻率較低，但在10～20m深處均未發(fā)現(xiàn)地下水分布，3號、4號接地井整體土壤電阻率很高，在10～30m深處也未發(fā)現(xiàn)地下水分布，可以預計本次改造降阻效果不是特別明顯。在對5號接地井施工完畢后，又在變電站周圍加敷一條封閉接地環(huán)網(wǎng)，于2012年6月28日對主接地網(wǎng)接地電阻進行了一次測試，測試結(jié)果為1.55 Ω，降阻效果為46.2%。

2.2 方案2：地網(wǎng)外延和外部深井結(jié)合

按施工方案計劃及設(shè)計，在變電站東北角離主地網(wǎng)外圍20m處山坳內(nèi)，沿山坳走向敷設(shè)一條長40m，寬10m的方形地網(wǎng)，網(wǎng)格設(shè)置為10m×10m，在每個均勻帶交叉點壓入垂直接地極。對每根接地極壓入后均測試其接地電阻如表6。

表6 外延地網(wǎng)垂直接地極接地電阻

施工完畢后，該外延地網(wǎng)通過30mm×4mm鍍銅扁鋼環(huán)接后與原主接地網(wǎng)雙連接。于2012年7月13日對變電站地網(wǎng)進行重新測試，測試結(jié)果為0.61 Ω，遠低于設(shè)計要求1.2Ω，降阻效果明顯，外延地網(wǎng)降阻率為60.6%，改造工程總降阻率為78.9%。

3 結(jié)論

通過技術(shù)人員的摸索和努力，坦嶺變電站接地網(wǎng)降阻改造取得了預期效果。通過此次改造工程，得出如下結(jié)論：在深層土層中如果不含地下水或土壤電阻率很低的土層時，在原接地網(wǎng)外沿或均壓帶交叉點采用深井技術(shù)，打入垂直接地體有一定的降阻效果，但均不超過50%，對于降阻要求較高的變電站，該方法不適用，只能作為輔助降阻措施。當降阻要求大，變電站周邊地形地貌環(huán)境無法進行輻射性地網(wǎng)外延時，我們應(yīng)考慮地網(wǎng)外延加深井技術(shù)，在變電站周邊找到低土壤電阻率區(qū)域，敷設(shè)小型地網(wǎng)并在外延地網(wǎng)的均壓帶交叉點打入垂直接地體，垂直接地深度宜接觸到地下水或土壤電阻率很低的土層為佳。在采用該技術(shù)降阻時，應(yīng)做好前期地形地貌、土壤特性調(diào)查采集工作，并進行理論計劃，以免造成不必要的材料浪費；同時還應(yīng)注意外延地網(wǎng)的跨步電勢等問題，避免運行過程中造成外部人、畜安全事故。

[1]謝姚良鑄.110kV變電站立體接地網(wǎng)設(shè)計問題分體[J].中國電力, 2002, 35(11): 57-59.

[2]潘紅武.變電所接地技術(shù)探討[J].湖州師范學院學報, 2006, 28(3): 130-136.

[3]潘東華.變電站三維立體接地網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用分析[J].上海電力, 2004 (3): 248-249.

[4]鄭志煜,杜忠東,何平.垂直接地體對大中型接地網(wǎng)降阻的計算[J].高電壓技術(shù), 2003, 29(7): 19-20.