220kV變電站GIS室防雷接地網的合理布置研究

中國石化茂名分公司 肖旭榮

按設計圖紙施工原本是建設施工人員必須遵循的一項最基本原則，然而在2019年10月檢查某化工廠220kV變電站GIS室防雷接地工程施工質量時，竟然出現按圖施工還發生基礎地板中的鋼筋沒有焊接成網和環形接地母線連接的質量事故，經查找原因竟然是設計方面的錯誤所致。

在GIS室地板混凝土已經澆筑完畢的情況下，設計院新的設計整改方案是，在GIS室設備基礎下的范圍內重新布設100cm×100cm的鋼筋網片并焊接成方格網與基礎槽鋼接地扁鋼焊接，再從此方格網下引8～9個與已完成的樓板內鋼筋焊接連接，最后與室內環形接地母線連接，完成了整改。此次質量事故整改后雖經驗收符合GB50169—2016施工驗收規范的相關規定，滿足防雷接地網連接要求，但卻留下極為深刻的教訓。

1 防雷接地網在220kV變電站GIS室中的地位與作用

現在的防雷已不是原來單純的直擊雷防護，而是具有系統的防護功能，即內外部防護功能系統：外部防雷功能主要體現在，當雷電擊中建筑物時，雷電可直接通過避雷針、避雷帶、地下引線等導入大地，以減弱雷電的威力，既可以保護建筑物的安全，也可以降低內部防護的壓力；內部防護功能主要是為了保護室內人員和設備而設置的功能系統，即在被防護設備的位置前端設置防雷器，這樣就構成了一個以線路、設備、大地于一體的等電位體，阻止雷電流，保護人員和設備的安全。通過內外部防護裝置的有效結合，外部防雷系統使建筑物避免了被雷擊的可能，內部防雷系統可以消除感應雷、過電壓造成的設備損害隱患。

2 220kV變電站GIS室防雷接地網的設計理論概述

220kV變電站GIS室防雷接地網的建設不能只單純考慮接地阻抗，還要全面、系統地考慮如：使用材料、敷設結構、跨步電壓和接觸電動勢等方面的因素。

設計應遵循的基本原則。一是變電站GIS室防雷接地網的鏈接，必須是建筑基礎主鋼筋與自然金屬接地物相連接；二是假如現場阻值達不到設計要求，就增加人工接地裝置。前提是，第一以自然接地裝置為基礎，第二必須在防雷接地網的外圍；三是必須采用綜合接地網，以防止接觸電動勢和跨步電壓對人員和設備造成影響[1]。

變電站GIS室防雷接地網的降阻措施。一是接地體自身阻值大小與接地體尺寸、規格的關系；二是接地體的阻值大小與土壤的化學性質有關；三是把握好垂直接地體的最佳埋設深度；四是化學降阻劑可以快速降低土壤電阻率[2]。

變電站GIS室防雷接地電阻的計算。按GB50065—2011附錄A中A.0.3關于均勻土壤水瓶接地等相關的要求進行設計。其計算公式為：

式中Rn代表閉合接地網接地電阻；Rc代表等值方形接地網的接地電阻；S代表接地網總面積，m2；a代表水平接地體直徑；L0代表總長度。

變電站GIS室防雷接地最大接觸電壓的計算。按照《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB50065—2011）附錄D.0.3中有關接觸電位差的相關要求進行設計。其計算公式為：

式中P代表土壤電阻率；Km代表校正系數；K1代表不規校正系數；D代表平行導體間距；d代表導體直徑。

變電站GIS室防雷接地網的施工驗收，按GB50169—2016施工驗收規范的相關要求進行施工和驗收，特別是該規范的3.04、4.1.8、和4.2.9的強條規定。此外，接地網敷設按4.2.2的要求進行施工和驗收；接地線按4.2.10的要求進行施工和驗收；接地裝置的人工接地極按表1和表2的規格進行施工和驗收。

表2 銅及銅覆鋼接地極的最小規格

3 優化220kV變電站GIS室防雷接地網的布置途徑

3.1 優化變電站GIS室防雷接地網的布置途徑

合理分布導體的泄漏電流密度。由于不等間距布置接地網可以增大電流的泄漏量，改善泄漏電流的密度，因此可根據電站GIS室的面積大小，分別按等間距和不等間距布置GIS接地網（表3）[3]。

合理安排土壤表面的電位分布。從表3可知，接地網進行不等間距的布置可較大程度地改善土壤表面的電位分布，大小網孔的相對差值不超過0.7%，使得各個網孔的電位大體相同；而接地網等間距布置，其大小網孔的相對差值卻在12.2%以上。不僅如此，在接觸電勢方面，不等間距地網的最大接觸電勢要比等間距地網的最大接觸電勢低60.1%，極大程度地提升了接地網的安全系數[4]。

表3 等間距與不等間距結果比較

降低接地網接地電阻，確保人身和財產安全。變電站GIS室是強電、弱電設備最為集中的地方，電磁環境復雜。為確保變電站GIS室的人身和財產安全。可采取四項措施：擴大原有地網與土壤的接觸面積，增設人工接地網；改善土壤電阻率，對電阻率低的土壤進行填充；采用深井接地；在材料使用上，盡量選用能延長接地體壽命和能降低接地電阻的鍍銅鋼材和長效接地極[5]。

3.2 優化變電站GIS室的接地網設計與施工

開工前，必須對變電站GIS室的接地網的設計圖紙進行圖紙會審，確認圖紙沒有問題后再進行施工。

要充分利用變電站GIS室基礎鋼筋網絡作為接地體，這既是技術上的需要，也有利于經濟效益的提高。具體做法：在建筑物四周每隔5m敷設均壓帶一圈，所用材料為50mm×5mm的鍍銅扁鋼；GIS室主體四周均壓帶之間用50mm×5mm鍍銅扁鋼搭接5m×5m的人工接地網，并進行焊接；最內圈均壓環與基礎引接，使用材料為熱鍍鋅扁鋼，規格是80mm×6mm，并用熱熔焊焊接，焊接點做防腐處理。

用石墨接地極安裝垂直接地極。具體做法：垂直接地體間距為5m一根，深度在凍土層以下；為提高接地網的散流效果，垂直接地體要布置在水平接地網邊緣。

接地網的安裝施工要點。按常規接地體、接地線有人工、天然兩種方式，在實際施工中使用較多的還是人工。因為人工可減少外界的干擾和影響，促進接地電阻值達到規定的要求。人工接地體分水平和垂直兩種。接地體施工要注意：垂直接地體相互之間的間距為5m左右，頂部埋深最大0.8m、最小0.5m；同向的道路、出入口其距離要在3m以上；使用材料為砂石瀝青；土壤內部的接地連接必須焊接和做防腐處理。

加強對職工的質量意識教育。220kV變電站GIS室防雷接地網工程技術含量雖不復雜，但擔負的責任卻非常重大，一旦哪個部位的連接不到位，其后果將會不堪設想。從目前施工隊伍的人員構成和隊伍管理情況來看，新人多、經過培訓的少，施工點多、轉移速度快，管理章法欠缺、往往以包代管。從設計部門來講，要對專業技術人員進行素質教育和責任心教育，出圖之前要認真復核，更不能對同類型工程項目的圖紙不做任何修改就進行復制。這些都是造成質量事故發生的人員和管理隱患。因此，今后在類似工程的設計與施工中，設計院要認真復核，施工單位必須在技術上要認真看懂圖紙，在施工中要兢兢業業，認真負責，一絲不茍，才能避免類似事故的發生。

4 結語

為保證電網能安全穩定運行，在220kV變電站GIS室建設一個與之相適應的安全保護系統極為重要，其中防雷接地網的科學布置就是一個非常重要的環節。GIS室防雷接地網的合理布置，對提高220kV變電站安全運行具有極為重大的實踐意義。

長期的施工實踐還證明，要建立一個高質量的、確保安全運行的220kV變電站GIS室防雷接地網，必須要經設計、施工、監理各方的共同努力和協調配合才能實現理想的接地效果。