火力發電廠土壤電阻率測量深度取值討論

俞　敏

中國成達工程有限公司　成都　610041

胡振興

中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司　成都　610021

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火力發電廠土壤電阻率測量深度取值討論

俞敏*

中國成達工程有限公司成都610041

胡振興

中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司成都610021

探討火力發電廠土壤電阻率測量深度取值，提出合理取值范圍的建議，同時據此指明采用換地表土作為降阻措施作用不大。

土壤電阻率測量深度換土

火力發電廠土壤電阻率的大小，直接影響接地電阻的大小，從而又直接影響到接地網電位升大小。而接地網電位升，不利情況下可能達到5kV甚至10kV以上，直接影響到電廠中、低壓電氣設備及人身的安全。若接地電阻過高，必須采用降阻措施。火力發電廠一般占地面積較大，降阻措施成本相對較高。如采用的措施不合適，會造成投資浪費或者處理難以到位的情況。

接地電阻計算誤差小、采用降阻措施合適的一個基本前提，就是土壤電阻率測量值誤差小，準確反映土壤狀況。土壤電阻率測量是否準確，測量深度是影響最大的一個因素。

1　土壤電阻率測量深度

1.1規范規定

《接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則》GB/T17949.1-2000第8.1.1條：“大面積接地網為期 18 年的記錄表明，其所測接地電阻值無甚變化，而在同一面積內的土壤電阻率測量表明土壤電阻率變化很大(在淺層達 17: 1)……這表明大面積接地網的接地電阻是正比于深層土壤電阻率測定值的，在該深層土壤，土壤電阻率變化較小”。

《交流電氣裝置的接地設計規范》GB/T50065-2011第4.1.1條提到：“變電站站址的土壤電阻率測量一般最大的極間距為變電站區域的對角線的長度，以反映變電站工頻短路時散流區域的土壤特性。為了測量得到土壤的視在土壤電阻率隨極間距的變化特性，測量時的極間距應包括 1、2、5、10、20、40、75、100、150、200、250、300m，大致以 50m的間隔直到最大極間距。”

《接地系統的測量》IEEE 81也指出，在接地體內或臨近接地體的大地表面，電位梯度主要是上層土壤電阻率的函數。可是接地體的電阻卻主要是深層土壤電阻率的函數，在接地體非常大時更是如此。而沖擊波的大地回路阻抗實際上僅僅受上層幾米土壤層的影響。

1.2文獻依據

日本川瀨太郎著《接地技術及接地系統》1.28.3節，指出土壤電阻率測量中電流在地中滲透的大致深度關系見圖1。

圖1　地中電流滲透深度

圖1為不同深度處相對O點處電流密度比值隨著深度不同而變化的規律，一般電流大概可滲透到2D深度。

(1)

王洪澤等編著《電力系統接地技術手冊》提出對不均勻土壤，宜采用四極法或五極法，并提出一種在變電站4個最大邊長上測量土壤電阻率，取加權平均值的土壤電阻率計算方法，并指出：“設計師們長期應用的經驗表明，這種方法可滿足工頻交流接地工程設計應用的要求”。這種方法，其測量深度大概就是變電站最大邊長的一半。

美國土壤有限公司《地電阻率手冊》資料表明，土壤電阻率深度取4～5倍接地網對角線長度，測得的結果與實際比較接近。

解廣潤《電力系統接地技術》，對均勻土壤、不均勻土壤中直流電流以及交流電流分布均作了分析，指出對均勻土壤，電流極間距為L時，70.5%的電流滲透到深度L/4的地中，50%的電流滲透到深度L/2的地中，29.5%的電流滲透到深度L的地中。靠近接地體附近的交流電流分布與直流完全相同。接地電阻的計算可基于此。

曾永林《接地技術》提供了同傅良魁《電法勘探教程》相同地中電流密度計算公式及與解廣潤《電力系統接地技術》地中電流滲透深度相同結論。并在第286頁提供了一個二層及四層土壤的電阻率測量案例，在案例中指出電流的有效穿透深度必定大于電流極間距離的三分之一。

李景祿等著《實用電力極地技術》中第217頁指出“四極法測得的土壤電阻率，與電極間的距離a有關，當a不大時所測得的電阻率，僅為大地表層的電阻率，其反映的深度隨a的增大而增加，一般測得的ρ值是反映0.75a深處的數值”。

綜合以上可見，電流極間距越大，越受深處土壤電阻率影響。當火力發電廠高壓配電裝置發生短路電流入地時，有廠內接地短路或廠外接地短路兩種情況，兩電流極間的距離也隨之不定，最近可能在廠外靠近電廠的桿塔短路點與變壓器中性點間，最遠可能在系統中性點與電站短路點間。保守考慮應按后者考慮，則電流極間距在幾十或上百公里以上均是可能的。此時根據以上文獻可見接地電流入地會比較深。這與實際工程中僅是表層3～10m內換土的降阻措施實際沒有太大效果的經驗也是一致的。

2　測量深度對接地電阻計算值影響的仿真分析

以ETAP軟件仿真進行對比，計算方法選為有限元法，以一個雙層土壤電阻率土壤為例，接地網300m×300m，網格大小10m×10m。ETAP兩層土壤模型仿真對比見表1。

表1　ETAP兩層土壤模型仿真對比

以CDEGS軟件仿真進行對比，接地網大小為200m×150m，采用間隔10m的均勻網格，接地體為480mm2鍍鋅扁鋼，假設其土壤結構為5層，CDEGS五層土壤模型仿真對比見2。

表2　CDEGS五層土壤模型仿真對比

軟件仿真計算結果表明，土壤電阻率測得越深，接地電阻的計算誤差越小。因此，土壤電阻率應測量得盡量深。

3　測量深度的經濟性考慮

實際上，受制于成本、工程條件等因素影響，土壤電阻率測量深度總是有限的。且大多數工程情況下，上下層土壤電阻率差別不大。通常電流極間距300m以上時受場地影響工作難度較高，一般不宜超過；按50m深及100～150m各測2～3處，如果差別不大，可按50m測，如果差別較大，則應按100～150m深度進行測量，此時對應四極法電流極間距大概在200～300m。按這種建議的做法，與《水力發電廠接地設計技術導則》的執行標準相差不大，可保證有足夠精確度，又減少了不必要的成本，火力發電廠可以借鑒。

經了解，國內防雷接地方面地凱公司采用了一種自行研究的土壤電阻率測量方法，該法經過10多年實踐證明有較高的準確度。

由于電流極往往是接地網及系統中性點，因此電流極直接取為電站內20m×20m地網及廠外另一電流極，見圖2。據地凱公司介紹，其經驗是一般廠外電流極在距離電站300m以上時差別就不大了。

圖2　地凱公司土壤電阻率測量原理

此方法效率和經濟性較高，往往一天之內就可測完，測量的點數和工作量小于常規做法，但其主要用在變電站地網測量，由于變電站占地面積相對較小，誤差較小是合理的。但對于發電廠，該20m×20m網格是放置在升壓站合適，還是全廠各取幾個點再取平均值，尚不清楚。若在發電廠內采用該方法尚需進一步的驗證和研究，且電氣專業無法限定勘測專業采用的測量方法，只能規定其最小測量深度。

4　結語

火力發電廠土壤電阻率測量不宜太淺，土壤電阻率測得越深，接地電阻計算值越準確。電氣專業應對在勘測任務書中提出最小測量深度要求。綜合考慮技術和經濟兩方面因素，深度一般建議在100m～150m間，對應電流極間距在200m～300m左右。但對于土壤電阻率淺層與深層差別不大的地區，測量深度可降至50m，以節省投資。

接觸電勢、跨步電勢允許值主要受地表土壤電阻率的影響，計算該允許值應采用地表1m內土壤電阻率。

避雷針的集中接地裝置，采用的是沖擊接地電阻，計算其接地電阻應采用地表大概5m內土壤電阻率。

有些工程采用更換地表3m～10m深度內土壤為低土壤電阻率土的降阻措施，實際是無用的，唯一的作用是降低地網與地間接觸電阻。而要達到該目的，僅需在接地干線敷設時周圍敷設一圈細土即可，且成本低。

1GB/T50065-2011 ,交流電氣裝置的接地設計規范[S].

2GB/T17949-2000,接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則[S].

3DL/T5091-1999,水力發電廠接地設計技術導則[S].

4NB/T35050-2015,水力發電廠接地設計技術導則[S].

*俞敏： 高級工程師。2000年畢業于四川大學電力系統及其自動化專業。從事電氣設計工作。聯系電話：13541109857，E-mail:yumin@chengda.com。

2016-05-31)