高土壤電阻率地區降阻方案研究

0 引言

接地網電阻阻值的大小通常作為衡量變電所接地系統是否符合安全要求的重要指標。如果接地網阻值偏大，一旦發生短路故障或其他大電流流入大地，接地網的電位會大幅升高，給作業人員的人身安全帶來嚴重威脅。同時，電位的升高還有可能破壞設備的絕緣性能，甚至發生高壓電串入控制室，使監測控制設備發生誤動或拒動甚至燒損，引起事故擴大。

通過對我國西南地區貴州境內鐵路沿線進行現場調查，該地區鐵路沿線地質地貌復雜，大多數牽引變電所建于土壤多為巖石結構的地區，其周圍土壤電阻率遠遠高于平原地區土壤電阻率。接地網阻值的大小很大程度上取決于土壤電阻率的高低。本文基于國內外關于降低接地電阻方法的有關資料和數據，對不同降阻方法進行分析總結。由于其中一些方法（如擴大接地網面積）在某些特殊地理位置（尤其是高土壤電阻率地區）難以實現有效降阻，因此研究一種適合山區或地質條件惡劣地區等高土壤電阻率地區的降阻方案至關重要。

1 常用降低接地電阻方法

1.1 擴大接地網面積及增加接地網埋深

在土壤電阻率比較接近的情況下，牽引變電所接地網的電阻值與接地網面積的平方根近似成反比，因而擴大接地網的面積可以降低接地電阻。

擴大接地網的面積并不適用于所有場地，尤其是山區等高土壤電阻率地區。建于該區的變電所受到地形的限制，無法擴大接地網面積。同時，因為其土壤電阻率較高，通過增加接地網埋深進行降阻的效果也并不理想。

1.2 局部換土

采用局部換土的方式降低土壤電阻率在理論上是可行的，可以采用置換的方式替換高土壤電阻率的土壤。但是在實際施工過程中，山區土壤類型較為復雜，局部換土只能替換掉表層的土壤，而對于巖石層和沙礫層，置換土壤的工程量較大，實施成本較高。

1.3 引外接地

引外接地是指將接地網與變電所外的某一區域（如水源附近）進行連接以降低接地網電阻。其局限性在于變電所周圍需存在土壤電阻率較低的區域。另外，如果變電所和引外接地之間距離過長，則容易產生電位差，特別是在雷電等高頻沖擊作用時。因此，引外接地方式必須確保主接地網與引外接地之間采用多根接地導體連接。

2 方案設計

2.1 現場情況分析

以渝黔鐵路息烽牽引變電所為例，采用銅絞線作為水平接地體，純銅棒作為垂直接地極，垂直接地極的銅棒為j18×3 000 mm，接地網埋深0.8 m。設計物探資料顯示土壤電阻率為27W·m，估算的入地短路電流為15 400 A，設計接地電阻為0.12W。該變電所現場地質情況較為復雜，巖石層較厚，回填土的電阻率也不滿足要求，導致實測土壤電阻率明顯高于設計物探資料數值，且測得的接地電阻值遠大于最后的設計值。

2.2 模型建立

通常認為垂直接地極越多，垂直接地極與水平接地極并聯構成的接地網的接地電阻會越小。而實踐證明，接地網中接地極的并聯并不完全服從電學中電阻并聯的原理，其測量值總大于采用電學方法計算的并聯值。這是因為垂直接地極之間存在電流屏蔽效應（電流流入垂直接地極時，電流的擴散會受到限制，該現象稱為電流屏蔽效應），垂直接地極埋設越近，兩者之間的屏蔽效應越明顯。

根據GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》均勻土壤中垂直接地極的接地電阻計算公式，當垂直接地極的長度遠遠大于接地體直徑時，接地電阻計算式為

式中，Rv為垂直接地極的接地電阻；r為土壤電阻率；l為垂直接地極的長度；d為接地極為圓導體時的直徑（當接地極采用其他形式導體時，可以計算其等效直徑）。

由水平接地極和垂直接地極構成的接地網為復合式接地網，其接地電阻計算式為

式中，Rn為形狀邊緣閉合接地網的接地電阻，Re為等值接地網的接地電阻，S為接地網的總面積，d為水平接地極的直徑或者等效直徑，h為水平接地極的埋設深度，L為接地極的總長度，L0為接地網外邊緣線的總長度，B為中間變量。

當采用誤差率較小的計算方法時，Rw=a1Rew，

其余計算方式相同，上式中，g為常數，n為垂直接地極根數，計算得出帶垂直接地極與不帶垂直接地極接地網之間的降阻率，并通過測試得出垂直接地極對接地網的降阻效果，垂直接地極對地網的降阻作用分析結果如表1所示[5]。

表1 垂直接地極對地網降阻作用的分析結果

通過分析表1可以得出，當垂直接地極的長度l遠遠小于地網的等值半徑b時，降阻效果并不明顯，采用垂直接地極時，需要保證垂直接地極的長度與地網等值半徑可比擬，使接地網由平面接地網成為立體接地網，此時才可起到一定的降阻作用。

最初的設計方案采用純銅棒及離子接地體作為接地網的垂直接地極，其尺寸為j130 mm。垂直接地極敷設于水平銅絞線的交叉點以及水平地網的外輪廓線上，如圖1所示。

實際測量結果顯示，在圖1所示接地極中，真正起到降阻作用的是外輪廓線上的接地極，處于交叉點上的接地極由于屏蔽效應，降阻作用受到了相互影響，從而導致絕大部分電流從地網外緣流出而不從內部流出，所以地網內部的垂直接地極的降阻作用有限。

由此可以得出以下結論，地網接地電阻并不隨著垂直接地極數量的增多呈現明顯下降的趨勢，多根垂直接地極之間因電流屏蔽效應而不能發揮有效的降阻作用。雖然深埋接地極在一定程度上可以降低接地網電阻，但還需要考慮其實際敷設情況，這也涉及垂直接地極的布置位置及垂直接地極的根數、長度等問題。

圖1 垂直接地極敷設位置

2.3 垂直接地極根數的選取

如圖2所示為垂直接地極根數與地網阻值的仿真分析。選取8根深井接地極時，接地電阻值趨于恒定，而后再增加接地極數量，相互之間的屏蔽作用增強，增加垂直接地極的數量已不能起到明顯的降阻作用。

圖2 垂直接地極根數與地網阻值關系

2.4 垂直接地極長度的選取

垂直接地極長度選擇與數量是緊密相關的。當垂直接地極長度不能滿足要求時，僅依賴于增加數量并不能達到有效降阻的目的。當垂直接地極長度符合要求時，選擇垂直接地極的數量時則需要考慮其相互間的屏蔽效應。因此，選擇增加垂直接地極時，需重點考慮垂直接地極單位長度的利用率與垂直接地極根數的關系。

單位長度利用率h隨L/req及根數的變化曲線如圖3所示。

圖3 單位長度利用率η隨L/req及根數的變化曲線

從圖3可以看出，垂直接地極越短，其單位利用率越低；垂直接地極越長，成本會相應提高，但是其單位利用率并未顯著增加。當L/req=1時單位長度利用率最大，即垂直接地極長度約等于水平接地網的等值半徑時，其單位長度利用率達到最理想的效果。

2.5 材料選擇

（1）鍍鋅鋼作為接地材料存在如下缺陷，不宜使用：鋼材在土壤中腐蝕較快，在土壤中的使用壽命一般為3～10年；鋼材與土壤的接觸電阻大，土壤電阻率越高（砂石含量較高），接地體的有效散流面積越小；由于鋼材的導磁特性，使得其趨膚效應較為嚴重，沖擊散流能力較差；變電所接地網帶電維修困難，鋼材接地體需要焊接，電焊機會產生嚴重的電磁干擾，影響二次系統的可靠運行。

（2）石墨基柔性接地材料相比于鋼材，具有耐腐蝕、與土壤的接觸電阻小、沖擊散流效果好、運輸及施工簡單、開挖土方量少、長期免維護等優點。大量的實踐應用表明，石墨基柔性接地材料是接地工程的優選材料。

（3）適當使用垂直接地體有助于降低接地電阻，減小季節系數的影響。由于土壤表層電阻率受天氣及季節影響較大，而2 m以下的土壤受天氣的影響較小，適當使用垂直接地體將水平接地網與2 m以下的土壤連接，有助于降低接地電阻，減小季節系數的影響。常用的鍍鋅鋼垂直接地體可起到上述作用，但仍然存在腐蝕問題，影響其使用壽命。自身抗腐蝕性較好的離子接地體，可改變其周圍土壤電阻率，而對于大面積的降阻并不適用，且離子棒釋放出的離子還可能腐蝕其附近的金屬接地體，對變電所的正常運行造成影響。柔性石墨組合垂直接地體可以避免上述問題，具備長期穩定、免維護、施工簡單、成本低、受季節變化影響較小等特點，是垂直接地體的首選。

3 方案實施

息烽牽引變電所位于貴州省息烽縣，所內水平接地網面積為7 670 m2（65×118），接地體水平方向9根，垂直方向14根。原有接地網主材采用截面150 mm2的銅絞線，輔有81根j18 mm的3 m銅棒，且在接地網四角敷設了4根離子接地體，未能將接地電阻降到要求水平。在該變電所正門方向的圍墻外圍放置了10個空腹型接地裝置進行接地網改造，測得息烽牽引所接地網阻值為0.683W，也未能達到降阻要求。

通過現場勘查水平接地網、周圍地質及土壤情況，得出息烽變電所受場地的限制，引外接地涉及征地等政策問題，不易實施。息烽所屬于牽引變電所與配電所合建，場地面積較大，同時具有地下含水層，可采用鉆井的方案，采用垂直接地極降低接地電阻。同時，息烽變電所附近存在分散的低電阻率土壤區域，回填土取材較為方便。

通過大量的仿真計算，分析研究了垂直接地極的布置位置、長度與數量選擇規律，得到如下方案：

采用布置深井垂直接地極的方式進行接地降阻。在原接地網四周放置8個深40 m的深井垂直接地極，如圖4中的垂直粗線部分所示。按照該地網設置方式進行仿真計算，接地電阻值結果為0.42W。

圖4 垂直接地極的分布

該方案選用石墨基柔性接地材料，垂直接地體與水平接地體連接時，銅絞線和石墨基柔性接地體之間的連接方式如圖5所示。

圖5 銅絞線與石墨接地體的連接方式

通過在特定點鉆深井，敷設柔性石墨接地材料作為垂直接地極，并且在深井中加入高能回填料，最后將垂直接地極與水平地網連接。施工完成后對接地網的接地電阻進行測量，選取主變、斷路器、電壓互感器附近等不同的測量點，測量結果均在0.42W左右，降阻效果較好。

4 結論

渝黔鐵路貴陽段位于黔中隆起帶，大多為壓扭性斷裂，息烽段具盆狀構造特征，其土壤電阻率遠遠高于常規值。本文通過分析接地極的敷設方式、材料對接地性能的改善，得出以下結論：

（1）接地極根數越多，降阻效果越好，但因接地極之間的相互屏蔽作用會隨根數的增多增強，而使降阻效果存在臨界點。

（2）當接地極L/req=1時，單位長度利用率最大，即垂直接地極長度約等于水平接地網的等值半徑時，可達到最理想的降阻效果。

（3）采用銅絞線和石墨基柔性接地體端部焊接的方式，且在深井中加入高能回填料，可以有效降低接地電阻。

本文所述的降阻方案已應用于該項目工程中，可達到高土壤電阻率地區的降阻要求。

參考文獻：

[1]劉湘蒞.高土壤電阻率地區發電廠-變電所接地設計[D].鄭州大學，2003.

[2]余曉東.高土壤電阻率地區變電所接地設計與降阻技術[D].重慶大學，2009.

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[4]范小楷.牽引變電所接地網腐蝕故障診斷算法研究[D].蘭州交通大學，2013.

[5]孫一奇，張洋.淺析垂直接地極對地網的降阻作用[J].山西電力，2011，（2）：34-36.