電力系統接地網檢測與改善技術研究

高宜凡

(廣東電網有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526000)

電力系統接地網檢測與改善技術研究

高宜凡

(廣東電網有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526000)

接地網為變電站內電氣設備提供公共參考地，能在系統接地故障時快速泄放故障電流，改善變電站地電位分布，因而直接關系到變電站的正常運行，更涉及人身與設備安全，是維護電力系統可靠運行、保障工作人員人身安全的重要設施。現介紹了變電站接地網狀態評估方法，并總結了變電站接地網改善技術，以使接地網處于更好的狀態。

變電站；接地網；腐蝕性；改善

1 接地基本原理

1.1 接地基本概念

接地，比較直觀的解釋就是接大地。實際上，接地是一個系統級的概念，接大地已經不能清晰地描述系統接地的概念了。為了清楚地表達接地的概念，可以引用亨利·奧特的定義：“接地是為電流返回其源提供的低阻抗通道。”從工程實用觀點來看，就是在線路或電氣設備發生接地故障時為故障電流流回電源提供一條低電阻(或低阻抗)路徑。

1.2 接地四要素

電力系統中構成接地必須要滿足如下4個條件：被接地體、接地線、接地電極和大地。接地四要素如圖1所示。

圖1 構成接地系統的四要素

2 接地網腐蝕性診斷

接地網導體及接地引線的腐蝕甚至斷裂，將使接地網的電氣連接性能變壞、接地電阻增高。若發生接地短路故障，將造成接地網本身局部電位差和接地網電位異常增加，除給運行人員帶來威脅外，還可能因反擊或電纜外皮環流使二次設備絕緣遭到破壞，嚴重者可能導致二次設備發生誤動或拒動而擴大事故。接地系統狀態評估其中一項重要內容就是診斷接地網的腐蝕情況，判斷接地系統是否滿足安全運行要求，是否需要改造。

2.1 腐蝕率檢查

(1) 直觀法：開挖地網后，用肉眼觀察其腐蝕情況，并進行拍照做好記錄。

(2) 量直徑法：現場把樣品取回后，去掉泥土、銹跡，用稀硫酸洗凈，在試驗室內用卡尺測量腐蝕圓鋼的直徑，取最細點，判斷其腐蝕程度。

(3) 失重法：本次挖檢采用相對失重法。

1) 相對失重法：從現場找到腐蝕比較嚴重的地方，把樣品帶回試驗室，去掉泥土、銹跡，清洗干凈，在試驗室內用電子天平測量其重量，算出丟失重量。再按下列公式計算相對平均腐蝕率：

(1)

式中，v為腐蝕速率(g/mm)；W1為標準重量(g)；W2為樣品實際重量(g)。

2) 自然失重法：自然失重法是測量金屬腐蝕速率的最經典方法，這種方法的具體測量過程是：先把樣品表面擦洗干凈，晾干或烘干，用分析天平稱出其重量，然后將它埋入待測土壤環境中，經過一定的時間(如4周)后取出，除去表面的銹層，再用稀鹽酸或其他溶液清洗，晾干稱重，最后按下列公式計算其平均腐蝕速率：

(2)

式中，v為腐蝕速率[g/(cm2·a)]；ΔW為樣品N天內失去的重量(g)；A為樣品的表面積(cm2)；N為樣品埋入土壤的天數。

(4) 在試驗室檢測土壤的pH值，找出腐蝕規律。

2.2 接地網腐蝕情況判定標準

因目前我國尚未制定有關標準，根據一般理論，結合實際，對接地網導體腐蝕率的判定參考以下標準：(1) 腐蝕率<10%，腐蝕程度為一般；(2) 10%≤腐蝕率<15%，腐蝕程度為嚴重；(3) 15%≤腐蝕率<25%，腐蝕程度為很嚴重。

3 接地網改善技術

為了確保設備運行的常態化，保障工作人員生命財產安全，屏蔽干擾源并消除靜電聚集產生的各類安全隱患，接地設備均應有較低電阻。舉例來說，僅就變電站和發電廠接地設備而言，相關法律規定接地設備的電阻值不可以超過2 000/IΩ，但對于占用土地面積較小且所處區域土壤電阻率較高的接地設備來說，想要設計出經濟性和技術性均較高的電阻元件是很難做到的。下面筆者簡單介紹一下工程中經常被選用的接地電阻降低方式。

3.1 加大接地體尺寸

眾所周知，接地裝置的接地電阻主要由接地體幾何尺寸和土壤電阻率確定，在大范圍內靠降低土壤電阻率的方法來降低電阻可行性較低，所以增大接地體的尺寸是行之有效的方法。

根據靜電場基本理論，可以直接推導出接地體接地電阻的計算公式，即：

(3)

式中，ε為土壤介電系數；ρ為土壤電阻率(Ω·m)；C為接地體對無窮遠處的電容。

從式(3)可知，接地電阻的大小與接地體對無窮遠處的電容成反比，加大接地體尺寸，能增大其電容，降低接地電阻。

從下面一些典型的接地體接地電阻計算公式，也很容易看出加大接地體尺寸可以降低接地電阻。

(1) 單根垂直接地體：

(4)

式中，L為接地體的長度(m)；d為接地體的直徑(m)，角鋼d=0.84b(b為角鋼每邊的寬度)，扁鋼d=0.5b(b為扁鋼寬度)。

(2) 水平接地體：

(5)

式中，L為接地體的總長度；h為接地體的埋深；A為形狀系數。

(3) 接地網：

(6)

式中，L為接地體的總長度，包括水平與垂直接地體；S為接地網的面積。

從上述內容中我們可以看出，無論選擇哪種接地設備，加大接地體尺寸都能夠起到降低接地電阻的功效，但就現實情況而言，只使用加大接地體尺寸的方式降低接地電阻對簡單的輸電線路(電線桿接地設備)和接地體而言效果明顯，但對變電站和發電廠接地網效果并不好，增加接地網尺寸雖然可以降低接地電阻，可是如果變電站、發電廠等遇到高土壤電阻率土地，其造價相當昂貴，接地成本過高會使建設變電站的資金不足，甚至個別地區會因此而無法實現工程建設目標，因此在選取該操作方式時必須先對方案的經濟性和技術性進行全面分析，避免上述情況的發生。

3.2 運用降阻劑

大量工程實踐證明，使用降阻劑是降低接地電阻的有效措施。DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》6.1.3條規定：在高土壤電阻率地區，可采取下列降低接地電阻的措施：(1) 當發電廠、變電所2 000 m以內有較低電阻率的土壤時，可敷設外引接地極；(2) 當地下較深處的土壤電阻率較低時，可采用井式或深鉆式接地極；(3) 填充電阻率較低的物質或降阻劑；(4) 敷設水下接地網。GB50169—92《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》之第2.2.6條則對降阻劑的使用提出了要求。

最近，隨著降阻劑的成功應用，其降阻效果已為人們所接受，但是由于降阻劑市場較為混亂，因此，有必要對降阻劑的降阻機理、性能特點和使用中應注意的問題進行認真的討論。降阻劑的降阻機理有以下幾個方面：

3.2.1 增大接地體的有效截面

(1) 半球形接地體：接地體周圍施加降阻劑后擴大了接地體的等效體積，對于一個半徑為r的半球形接地體而言，其接地電阻的50%集中在自接地體的面至距球心2r的半球面內，如果將r～2r的土壤電阻率降低，就可以使接地電阻大大減小。

(2) 水平接地體：埋深為h的水平接地體(圖2)接地電阻為：

(7)

式中，d1為內切于置換截面圓的直徑(m)。

圖2 水平接地體加降阻劑

當ρ1?ρ2，式(7)可改寫為：

(8)

(9)

以上討論了半球形接地體、水平接地體加降阻劑后，相當于增大了接地體的有效截面，降低了接地電阻。但實際降阻劑的形式千差萬別，有的降阻劑施加在接地體周圍，確實相當于加大了接地體的有效截面，如某些固體降阻劑、導電水泥、物理降阻劑和膨潤土降阻劑都具有這方面的特點。特別是膨潤土降阻劑，由于加水后體積會膨脹；有效地擴大了接地體的有效截面，且長期穩定。而有些降阻劑如化學降阻劑和膠質流體降阻劑，施加在接地體周圍，只能改善周圍土壤的電阻率，而且改善后土壤的電阻率是不均勻的，有的會隨著時間的推移發生變化，有的還會隨著雨水的沖刷滲透而流失。特別是位于山區的風化石土壤和沙石土壤，某些化學降阻劑和流體降阻劑的降阻效果，即改善土壤電阻率的效果，會隨著雨水的沖刷或滲透而變小，降阻作用隨時間而失效。因此，降阻劑的使用不能僅僅依靠廠家的自我宣傳，而應根據實際情況考慮。

3.2.2 消除接觸電阻

接地體接地電阻主要包括兩大類：其一為接地體周邊大地呈現電阻Rd，其二為接地體和周邊土地接觸的電阻Rj，前述內容是就理論計算中常說的Rd而言的。當接地體周邊土地和接地體間接觸不良時會產生Rj，其大小和接地極周邊土壤的關聯性極強，通常情況下越細小和密實的土地其接觸電阻越小，而當接地極表層粗糙時，其接觸電阻則較大。個別降阻劑是不具備消除接觸電阻這一功能的，據筆者了解，只有膨潤類、物理和固體類降阻劑才會有此項功能，而化學降阻劑會因腐蝕作用導致接地極接觸電阻增加。

3.2.3 改善周邊土壤的電阻率

降阻劑主要的降阻原理是滲透改善接地設備周邊土壤電阻率。大地導電多因金屬離子的濃度而起，其所含的金屬離子越多則導電性越好，而每一種降阻劑的原理都是增加土地中導電離子的濃度，隨著降阻劑不斷滲透和擴散，就會改善土壤中導電離子的濃度，從而達到降低土壤電阻率的效果。

4 結語

綜合以上分析，本文基本完成了變電站接地網檢測方法和施工技術分析。總的來說，施工技術合理，可有效降低變電站接地網阻抗，確保變電設備可靠運行。

2014-11-03

高宜凡(1982—)，男，湖北襄陽人，工程碩士，工程師，研究方向：接地網技術。