高土壤電阻率地區降阻措施研究

周 潔 李海濱 聶文海 陳 斌

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高土壤電阻率地區降阻措施研究

周 潔1李海濱1聶文海1陳 斌2

（1. 國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100038；2. 江蘇省電力設計院，南京 211102）

位于高土壤電阻率地區的變電站接地網接地電阻較高，且變電站征地困難和費用較高等常規降阻方案難以達到預期效果。本文針對此提出了3種適用的降阻措施。雙層地網系統，適用于底層土壤電阻率較低的情況；離子接地極深井系統，適用于土壤電阻率高的情況；斜長接地系統，適用于土壤電阻率不是很高且底層土壤電阻率不降低的情況。本文對這3種降阻措施分別進行了詳細研究，具有實際參考意義。

降阻措施；雙層地網；離子接地極；斜長接地極

隨著城市用地的緊張，變電站布置越來越緊湊，占地面積越來越小，但同時隨著智能變電站的推行生產運維部門對接地系統的要求越來越高，接地網的設計難度較大[1-3]。特別是在高土壤電阻率地區，接地電阻一般很難達到要求。因此，需要采取各種措施以降低接地電阻。

現在電網工程征地成本高昂，在不增加征地的條件下，本文提出了適用于不同類型高土壤電阻率地區的降阻措施，并對各種措施進行了詳細分析研究，使得變電站接地電阻能達到設計要求值。本文以將接地電阻降低到0.5W以下為目標，研究各降阻措施所需的條件及采取的措施，實際工程中當接地電阻無法滿足要求或為達到目標降阻費用過大時，目標接地電阻可根據相關規程和實際條件適當地放寬要求，但是應做好相關措施，保證人身安全和設備的可靠運行。

1 接地網降阻的基本原理

根據我國相關接地標準中接地網接地電阻值的計算方法如下[4]。

接地網簡化計算法為

加密水平接地網能夠增加接地極長度為，降低接地電阻，但是當增加到一定大小繼續增加對接地電阻的影響較小，且其經濟性較差；外引接地是在水平方向增大接地網面積，雙層接地網和接地井實在垂直方向增加接地網面積，斜長接地極相當于增大了接地網的面積且不需征地；換土、添加降阻劑、離子接地極是人為的減小土壤電阻率[5-6]。

在各種降阻措施中，外引擴網和水平接地體外延需額外征地，水平接地網均壓帶加密對于高土壤電阻地區降阻效果微乎其微，因而本文重點討論雙層地網系統、離子接地極接地深井系統和斜長接地極系統這3種降阻措施。

2 雙層接地網系統論

1）雙層地網降阻原理

雙層接地網是利用下層低土壤電阻率區域以達到降低接地電阻目的的，可以考慮將接地網部分埋于深層土壤，部分埋于表層土壤，該方案能有效降低接地電阻，相關研究表明下層接地網格大小不同，對接地電阻影響不大，因此從經濟角度考慮可采用下層接地網為單一外框的形式[8-9]。雙層地網主要靠底層低土壤電阻率區域實現降阻，因而本文著重研究底層土壤電阻率相對降阻效果的影響。

2）算例分析

假設某變電站接地網面積為114m×87m，導體間距為10m，接地導體為60×8熱鍍鋅扁鋼，最大入地電流為15kA；該站址所處地區為雙層土壤，表層土壤電阻率為400W·m，分層厚度為2m。底層土壤電阻率值選取見表1。

表1 底層土壤電阻率不同對降阻效果的影響

上層接地網埋深0.8m，網格大小10m×10m，下層接地網埋深2.5m，且為減小施難度只保留水平接地網外框。該方案只需在變電所周圍一圈挖深2.5m，所內只需挖深0.8m。敷設示意圖如圖1所示。

圖1 雙層接地網敷設示意圖

經CDEGS計算得到分別輻射單層地網和雙層地網的接地電阻結果如下。

通過計算結果可以看到，當底層土壤電阻率為95W時，采用雙層接地網方式可以將土壤電阻率降低到0.5W以下；通過對比接地電阻降低百分比可以看到，底層土壤電阻率越小，雙層接地網降阻效果越明顯。

3 離子接地極接地深井系統

當土壤電阻率很高時，此時采用雙層接地網或斜長接地極方案獲得降阻效果一般時，考慮到征地費用、民事賠償等問題，可以適當利用深井接地系統、離子接地裝置和一些輔助降阻材料聯合降阻。

1）離子接地極降阻原理

離子接地極降阻技術是將電解離子化合物裝入銅管中制成電解地極，銅管上設有大量呼吸孔，電解離子化合物通過呼吸孔與周圍土壤中的水分發生潮解反應，釋放電解離子，降低周圍土壤電阻率[11]。

離子接地極降阻法具有占地面積小、安裝過程規范性，施工簡單的優點，而且對周圍的土壤環境要求較低，應用面較廣。

離子接地極結合深井系統，同時向井內灌注低電阻率材料，改善接地體與土壤或巖石裂縫中的沉積物，通過樹枝反應，改變電流流過路徑，增加接地體占有的面積，有效降低接地電阻。離子接地極的降阻效果示意圖如圖2所示。

2）算例分析

以某變電站為例，該變電站水平地網面積為3813m2，土壤電阻率取值430W·m，水平地網的接地電阻計算如下：

圖2 離子接地極降阻效果圖

式中，1為水平地網的接地電阻；為變電站的土壤電阻率；為地網面積。

在主地網外圍均勻布置6口50m的深井，每口深井內布置6m長的離子接地極1套，用95mm2銅絞線引出井外與主地網相連，并向井內灌注低電阻率的離子緩釋填料以輔助降阻，每米用量25kg，合計約7.5t。

單口深井接地系統的接地電阻為

式中，2為單口深井接地系統的接地電阻；為變電站的土壤電阻率；1為單口深井接地極的長度；為深井接地體的等效直徑；為離子緩釋填料利用系數。則多組深井接地系統與水平地網并聯后的綜合電阻為

接地電阻仍不能滿足要求。

在主地網外圍布置20口6m深的淺井，配置6m長的離子接地極1套，淺井內每組配合使用80kg離子緩釋填料以輔助降阻。

20套離子接地極的接地電阻為

20套離子接地極與水平綜合地網、深井接地系統并聯后的綜合電阻為

式中，5為水平地網、深井接地系統、離子接地極并聯后的總接地電阻；4為20套離子接地極的接地電阻；3為水平地網與深井接地系統并聯后的綜合接地電阻。

4 斜長接地極系統

1）斜接地極降阻原理

斜接地極降阻原理與垂直接地極相似，但由于其與地面垂直方向存在一定的角度，能夠在不額外征地的情況下增加接地網面積，從而降低接地電阻。

實際工程中可根據地下土壤分層情況、地下設施的布置情況調整斜井接地極與地面的夾角，達到預期的降阻效果[5-13]。本文針對均勻土壤模型，主要從斜接地極長度方面研究接地極的降阻效果。斜長接地極方案如圖3所示。

圖3 斜長接地方案示意圖

2）算例分析

假設土壤模型為均勻土壤，土壤電阻率為150W·m。該變電所水平接地網面積為114m×87m，導體間距為10m，接地導體采用60×8熱鍍鋅管扁鋼，最大入地電流為15kA。在0.8m深處埋設網格為10m的上層水平接地網，在接地網基礎上，增加斜長接地極，沿主接地網邊緣設置8根斜長接地極，與水平面夾角為20°，長度分別見表2。

通過計算結果可以看到，采用斜長接地極可以獲得一定的降阻效果，斜長接地極越長，降阻效果越好。以本節模型為例，接地電阻想要降低到0.5W以下，需采用60m長的斜長接地極。斜長接地極方案在不增加征地面積的情況下，通過線性延伸地網擴大地網面積，從而獲得了不錯的降阻效果。

表2 斜接地極長度對降阻效果的影響

5 結論

本文針對高土壤電阻率地區的變電站，提出了雙層接地網、離子接地極接地深井系統和斜長接地極系統3種降阻方案。

1）雙層地網系統適用于底層存在低阻層的區域，底層土壤電阻率越低其降阻效果越好。

2）離子接地極深井系統適用于土壤電阻率很高的地區，通過離子接地極和深井的結合，獲得較好的降阻效果。

3）在土壤電阻較高且底層土壤電阻率不降低的情況下，可以采用斜長接地極系統以降低接地電阻。

在實際工程接地設計中要綜合考慮站址地形地貌、土壤分層情況、地下水分布情況等，并經過經濟技術比較選擇合適的降阻方案。當單一降阻方案無法達到預期效果時，可以采取幾種降阻的組合方案。

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Research on decreasing soil resistivity in high soil resistivity regions

Zhou Jie1Li Haibin1Nie Wenhai1Chen Bin2

(1. State Grid Jibei Electric Economic Research Institute, Beijing 100038;2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102)

High soil resistance rate in the substation could result in high grounding resistivity. Conventional method to solve this problem such as enlarging the grounding grid area is hard to implement due to the high land acquisition cost. Hence, three methods to decrease the soil resistivity without redundant land are proposed. Double-layer ground grid method is used when the deeper soil obtains low soil resistivity; ion earthing electrode method is used for the region which has rather high soil resistivity; inclined electrode methodis suitable for the area with uniformly distributed soil and intermediate soil resistivity. These methods have been analyzed and proved to be effective in engineering practice.

decreasing soil resistivity; double-layer ground grid; ion earthing electrode; inclined electrode

2017-12-06

周 潔（1989-），女，北京人，碩士，工程師，從事電網項目咨詢工作。