一起變電站接地網接地電阻超標分析處理

云南文山電力股份有限公司 李月芹

云南電網有限責任公司文山供電局 蔣體浩 朱洪明

一起變電站接地網接地電阻超標分析處理

云南文山電力股份有限公司 李月芹

云南電網有限責任公司文山供電局 蔣體浩 朱洪明

變電站接地系統在變電站中有著及其重要的地位，其作用是將故障電流安全引入地下并為變電站內設備提供基準參考電位，起到保護電力系統、電力設備的安全、穩定運行以及運行人員的安全；本文以某220kV變電站接地網接地電阻超標為例，分析接地電阻超標的原因及整改措施，并為后續建設在設計審查、隨工驗收及運行維護等階段提供借鑒。

變電站；接地網；接地電；降阻措施

1 前言

隨著電力系統容量的不斷增加，流經系統接地網的短路電流也越來越大，變電站一次設備及二次保護對接地裝置的要求不斷提高。因此，為確保變電站的安全、穩定運行，確保人身及設備的安全，防止由于一次設備接地、接地網發生問題造成高壓竄入二次回路及操作系統，使保護系統失靈；若短路電流持續時間過長，導致接地網進一步多處燒斷，使變電站內出現高電位差，造成主設備的損傷和人員的傷害。

2 現狀

某220kV變電站所處位置地質情況復雜，其表皮為1～3米的浮土，下層為不規則巖石體，且土壤干燥，土壤電阻率（測量值：ρ=715Ω·m）偏高。在接地網的施工完成后，經過測量發現接地電阻為4.92Ω，遠大于設計要求0.5Ω。其后，共進行了三次接地網改造。第一次施工調整，在原設計25組接地極的基礎上增加了10組，共35組，平均深度在16米。在變電站四周都敷設了接地極，經測試接地電阻從原來4.92Ω下降到1.4Ω。第二次施工調整，在變電站大門左上側圍墻外做一外引地網，地網總長度為390米，每根接地極深9米，共安裝39組，經測試，接地電阻為0.8Ω。第三次施工調整，在變電站大門左側圍墻外，做一扇形地網。地網總長度為120米，每根接地極深3米，共安裝12組，經測試，接地電阻為0.703Ω。經過三次施工改造，變電站的接地電阻仍未滿足設計要求0.5Ω。

3 原因分析

3.1 接地電阻值的要求

根據電力行業標準有關規定，接地裝置的接地電阻值需滿足R≤2000/I，即IR≤2000V。式中I為流經接地裝置的入地短路電流，當接地裝置內、外發生短路時，通過接地裝置流入大地的最大短路電流對稱分量值，該電流在考慮遠景規劃（即5至10年左右）的系統最大運行方式，以及電網系統中各分支接地中性點間的短路電流分配情況；即當系統短路電流I＞4000A時，R≤0.5Ω。

3.2 接地電阻的計算

根據地質條件，結合現場的實際情況，采用簡單計算方法：

S：接地網面積；

L：接地總長度；

L：接地網外緣長度；

h：水平接地體所埋深度；

d：等效半徑；

r：接地電阻。

由上式我們可以得出接地網接地電阻與以下因素有關：

①土壤電阻率（ρ）：接地電阻R與土壤電阻率成正比，特別是土壤干燥的地區，由于土壤電阻率偏高，對系統接地電阻影響較大。

②接地網面積（s）：接地電阻R與接地網面積成反比，當接地網面積越大時，接地電阻越小，但受變電站規模等限制條件，接地網面積不可能無限擴大。

③接地總長度（L）：接地電阻R與接地總長度L反比，接地總長度與接地網的布置間距相關，但接地網長度不能無限延長。

④水平接地體所埋深度（h）：接地電阻R與水平接地體所埋深度(h)成反比，水平接地體的埋設深度一般小于1米。

⑤接地網外緣長度（L）：接地電阻R與接地網外緣長度成反比。

除以上技術因素外，接地電阻偏大還與以下人為因素有關：

①設計階段沒有實際對現場進行勘探測量：在設計時，只根據地質資料查找設計手冊所對應的土壤電阻率。而實際上不同點土壤電阻率的偏差很大，況且同種土壤的電阻率會存在一定的差異。

②測量值存在誤差：設計人員一般現場采用四極法測量原土層的土壤電阻率。這種方法雖然符合設計規范要求，比較科學而且準確的，但是四極法是屬于在場地中抽樣測量，在接地網埋設處地質經常出現斷層，地電阻率是不均勻的，山坡地形還需要在不同的方位、不同的方向進行測量，找出沿橫向、縱向和不同深層的土壤電阻率。

③施工工藝控制不到位：對于不同地區變電站的接地來說，特別對于地形復雜，位于巖石區的變電站，存在接地網水平接地溝槽的開挖和垂直接地極的置入較為困難。而接地施工環節又屬于隱蔽工程，如施工過程中不可能全過程的監督，施工人員往往會偷工減料，存在開挖埋深不夠、焊接搭接面不夠、焊縫焊渣處理不徹底等問題。

④運行維護環節產生變化：一些變電站的接地電阻在剛建成初期是合格的，但運行一定年限后，接地電阻就會變大；綜合分析來除了施工時留下的隱患外，還受以下因素有關：一是受接地體的不斷腐蝕，使接地體與周圍土壤的接觸電阻變大，特別是在山區酸性土壤中，接地體的腐蝕速度相當快，會造成一部分接地體脫離。二是在接地引下線與接地裝置的連接部分，因銹蝕而使接觸電阻變大或嚴重時形成開路。三是受外力破壞，接地網的接地引下線、接地極在運行過程中受外力破壞而損壞等因素影響。

4 解決方案

根據上述的分析，我們得知了影響接地電阻的技術及人為原因，那么在設計解決方案時，我們進一步簡化了接地電阻的計算公式，著重考慮了與影響因素相對應的降阻方案。

4.1 降阻方案分析

已知該變電站土壤電阻率ρ=711Ω·m，系統校核要求接地電阻R小于0.5Ω，而變電站面積150米×130米，根據接地電阻公式：

其中：

ρ為土壤電阻率；

S為接地網面積；

R地網接地電阻。

得：

=2.55Ω

即在面積150米×130米的地方做地網只能將接地電阻降至2.55Ω，若要將接地電阻降至0.5Ω，則需要的面積：

由上述分析可以知道，若將該變電站的接地電阻降至0.5Ω以下，需搭建接地網的接地面積511225平方米；綜合現場實際情況，根本無如此大的接地面積來實施，加之該站的土壤電阻率極高，通過外延埋設接地網很難把接地電阻很難降下來；那唯一的辦法只有采用新型的降阻材料，在接地網土壤內布置電解極和布置降阻劑來處理，即將接地網等效于一個半球接地體，如圖1所示：

圖1 半球接地體示意圖

其中r為半球接地體的半徑，其接地電阻的公式：

已知現場土壤電阻率ρ為711Ω·m，要將接地電阻值降到R小于0.5Ω，需將半球接地體的半徑r擴大：

r=ρ/(2πR)

=711/(2×3.14×0.5)

=228(m)

若采用打深井放降阻劑，則變電站要打多個228米的深井，這樣做成本很高,實施困難，暫不選擇。

若采用在土壤中布置電解材料的方法來降低土壤電阻率，即選用電解地極，電解液向砂質粘土的縱深方向和巖石表面的四周滲透，在原來導電率差的的地質結構周圍形成了一個良好的導電通道，可以有效降低土壤電阻率。

綜合分析，最終確定采用構建外延接地網和布置電解極相結合來進行降低接地電阻值。

4.2 制定降阻策略

從變電站自基礎地網預留接地端分別引出外延接地線，各向不同方向外引；外延接地線路徑上，均勻并聯焊接電解地極。即沿進站大門的路邊（往南方向）可以外延大約600米的水平接地線。在北面可以外延大約500米的水平接地線。在東、西面均可以外延大約200米的水平接地線。且在各個方向的水平接地體每隔10米左右打一根垂直接地體。

4．2．1 電解極埋設要求

要求挖深不小于0.8m；將電解極布置在挖好的溝內，把電解極與水平接地網有效連接后，在放置電解極的地方用填料均勻覆蓋，然后再用含砂石少的土回填、夯實即可。

4．2．2 電解極數量的確定

假設N為我們要達到接地電阻R所需的電解極的數量，由公式：

其中：R0為原地網的接地電阻；

R為地網設計接地電阻；

ρ為土壤電阻率；

N為電解極數量；

k為系數。

當：ρ＜200Ω·m，k取3；

200≤ρ＜500Ω·m，k取4；

500≤ρ＜1000Ω·m，k取4.5；

ρ≥1000Ω·m，k取5。

現場土壤電阻率ρ=711Ω·m，k取4.5，原來接地網的接地電阻R=2.55Ω。

電解地極套數：

=22（套）

綜合考慮季節變化等因素，取系數（1.2-1.3），確定全站采用電解極30套。

5 結束語

通過對影響接地電阻因素的分析以及降阻措施的實施，變電站接地網接地電阻進行復測，測量值為0.432Ω，小于設計值0.5Ω，達到預期效果；對于我們在接地網的設計、施工、驗收及運行、改造等環節得到了以下的借鑒意義：

（1）接地網設計應有詳細的設計計算，圖紙資料及施工工藝要求。110kV及以上等級地網改造，須經有關部門進行設計圖紙的審查和工程施工驗收。

（2）改造工程中，新建和改造的接地體應采用熱鍍鋅，且接地干線的連接應采用四面焊接，焊口處應涂防腐劑。接地引下線則必須有熱鍍鋅處理，其表面應涂15至100mm寬度相等的綠色和黃色的條紋。

（3）為延長地網壽命，接地體應埋深0.8米；在有妨礙耕作或受機械外力破壞處，宜埋深1.0米以上。

（4）對大接地短路電流系統，高土壤電阻率地區；當接地電阻不符合要求時，應按要求采用有效的電位隔離措施，以防低電位引入在站內形成高電位差，并應進行接觸電勢和跨步電勢校驗，以確保人身安全。

[1]司恭成．接地裝置在工程中的安裝及應用[J]．科技傳播;2011,14．

[2]宋茂宏．降低青巖110kV變電站接地電阻的方法研究[J]．重慶大學,2004．

[3]曾育新,武安慶．高電阻率土壤220kV變電站接地網設計方案的研究和應用[J]．中國高新技術企業,2011,24．

[4]李志剛,郭立紅．降低接地電阻新方法分析[J]．河北水利,2006(06)．

[5]王東生．關于降低變電站接地電阻的實際應用研究研究[J]．廣西氣象,2006(s2)．

李月芹（1974-），女，云南文山電力股份有限公司工程師，長期從事運行管理及相關技術研究工作。

蔣體浩（1976-），男，云南電網有限責任公司文山供電局工程師，主要從事繼電保護、變電運行管理及相關技術研究工作。

朱洪明（1979-），男，云南電網有限責任公司文山供電局工程師，主要從事變電運行管理及相關技術研究工作。