高山地區變電站接地網的設計及應用

白永勝

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

1 接地網設計的約束條件

1.1 電網安全對接地網的要求

變電站的接地系統是維護電力系統安全可靠運行、保證運行人員和電氣設備安全的根本保障。隨著電網容量的增大，故障時經地網流散的電流愈來愈大。調查表明，我國曾發生多起因接地網的接地電阻達不到要求而導致的重大變電站停電事故和火災事故。接地網的可靠關系到電網的安全穩定運行，故接地網的可靠運行和接地電阻的準確測量至關重要。

1.2 接地電阻允許值

我國電力行業接地規程規定，接地裝置的接地電阻R不符合R≤2 000/I時，可通過技術經濟比較增大R，且應該R＜5Ω。但是，當土壤電阻率特別高時，即使將R放寬到5Ω，接地網也無法滿足要求。另一方面，隨著系統容量的不斷增大，國內某些變電站的短路入地電流已達30 kA，甚至更大，即使將R降到0．5Ω，其地電位升也有15 kV。從實際運行看，甚至地電位升到14．5 kV都可能不會造成設備與人身傷害。一定的地電位升是否會損壞設備與采用的設備及其布置方案等因素相關。

1.3 土壤結構組成對接地電阻的影響[1]

土壤的結構對接地網流散電流的效果影響至關重要，因不同結構的土壤其反射系數不同，隨著反射系數絕對值的增大，對于相同厚度的土壤其接地電阻的相對誤差越來越大，而且反射系數為正時的最大相對誤差(0%～40%)變化大于反射系數為負時的最大相對誤差(0%～10%)。以兩層土壤為例，當上層土壤電阻率大于下層土壤電阻率時,用0.618法測量接地電阻的精度比較高；對于相同反射系數的土壤，隨著土壤厚度的增加，相對誤差先增大后減小，且在上層土壤厚度與接地網半徑相近時誤差最大。

土壤電阻率ρ的大小主要取決于土壤中導電離子的濃度和土壤中的含水量，它是土壤中所含導電離子濃度A的倒數A1和單位體積土壤含水量B的倒數B1的函數。也就是說，土壤中所含導電離子濃度越高，土壤的導電性就越好，ρ就越小；反之就越大。如沙河中河底的ρ較大，就是河底流水的沖刷、導電離子濃度較小所致。土壤越濕，含水量越多，導電性能就越好，ρ就越小；反之就越大。這就是接地體的接地電阻隨土壤干濕變化的原因。當含水量達到15%～20%及以上時，ρ下降很少。不同土質的土壤電阻率不同，甚至相差幾千到幾萬倍。溫度對土壤電阻率的影響也較大。一般來說，土壤電阻率隨溫度的升高而下降。當溫度再下降時，ρ出現明顯的增大；而溫度從0°C上升時，ρ僅平穩下降。土壤的致密性對土壤電阻率也有一定的影響。實驗表明，當黏土的質量分數為10%，溫度不變，單位壓力由1 961 Pa增大10倍到19 610 Pa時，ρ可下降到原來的65%。因此，必須將接地體四周的回填土夯實，使接地極與土壤緊密接觸，才能達到減小土壤電阻率的效果。

2 高土壤電阻率地區變電站接地網設計

2.1 東山地區土壤條件概況

山西太鋼東山石灰窯35 kV變電站地處太行山脈大涼山1 145 m海拔高地，土壤結構成分多為灰巖，屬高土壤電阻率地區，其土壤電阻率最高為1 300Ω·m左右，變電站內面積2 204 m2,地網面積1 664 m2。變電站接地電阻要求不大于4Ω，獨立避雷針地網要求不大于10Ω，根據相關計算，僅靠常規接地不能達到要求。由于地質條件差，大部分屬于高土壤電阻率地質，接地材料質量的好壞直接關系到設備的正常運行及人身安全。為此，針對接地材料的選擇和接地網設計提出嚴格要求。

2.2 東山石灰窯變電站地質結構分析

通過在變電站原始地表進行地質勘探，采用鉆孔取樣得到該地區的土壤分布狀況，如表1。

表1 東山35 kV變電站土壤結構分布圖

2.3 東山土壤接地電阻測量[2]

土壤的接地電阻與其組成結構有關，土壤電阻率是決定接地體電阻的重要因素。為了合理設計接地裝置，必須對土壤電阻率進行實測，以便用實測電阻率作接地電阻的計算參數。測量土壤電阻率的方法之一是對接地體進行接地電阻測量，測得接地體接地電阻后，再計算土壤電阻率。

1）用鋼管或圓鋼作接地體

式中：L為鋼管或圓鋼入地長度，m；d為鋼管或圓鋼直徑，m；Rj為測出的接地電阻值，Ω。

2）用扁鋼作接地體

式中：L為扁鋼長度，m；b為扁鋼厚度，m；h為埋設深度，m。

上述方法有個缺點，就是由于存在接地電阻的影響，可能造成很大誤差，如果地層結構不均勻，計算出來的土壤電阻率也隨著接地體的尺寸和埋設方式不同而變化。

3 東山石灰窯35 kV變電站接地網的設計（見表2）

3.1 接地材料的選擇

為提高接地網的流散電流效果，接地極采用表2中地層編號3。

表2 東山石灰窯35 kV變電站接地網的設計

ALG防腐離子接地體。ALG防腐離子接地體為三部分組成：防護罩，電極單元，HC高能回填料。防護罩為工程防爆塑料制造，能直接鋪設于地面，保證承重5 t以上；電極單元為耐腐蝕的合金材料，主體為銅質，電極單元內部能緩慢釋放導電離子；回填料具有強吸水性、強吸附能力和離子交換能力。表2接地材料的技術指標見表3。

表3 接地材料的技術指標

3.2 地質條件的改善

換土對降低土壤電阻率有良好的效果。變電站位于的基層為巖石，采用開挖基坑后更換黏土的方法改善土壤條件。該變電站設計時更換地表以下1.5 m的深度巖石為黏土，一方面保證地面含養，保持水分；另一方面便于綠化，改善山區環境。黏土的硬度對接地網的保護也起到了良好作用。

采用降阻劑回填接地極的方法也改善了接地效果。該變電站采用天然火山灰作為化學降阻劑，可以有效地降低土壤電阻率。降阻劑技術指標見表4。

表4 降阻劑技術指標

4 結論

通過采用改善土壤結構、增加接地極的長度和回填降阻劑的方法，最終實際測量東山石灰窯35 kV變電站的接地電阻值為1.5Ω，達到了規范要求。同一地區采用普通扁鋼接地網設計方法，接地電阻值測量為35Ω。因此，在巖石山地采用防腐離子接地體和銅帶接地網以及換土、回填降阻劑的方法能夠解決高山地區變電站建設接地網的設計問題。