慶陽市某變電站接地網改造工程設計

徐 耕，王容鶴

（1．慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000；2.慶陽市資源勘查院，甘肅 慶陽 745000）

雷電是自然界中一種復雜的大氣物理現象，是帶電荷的云層內部、云層與大地、云層與云層之間產生的一種遠距離的瞬間放電現象，表現出高電壓、大電流、強電磁輻射、瞬時性、突發性與破壞性強等特點。近年來，隨著社會經濟與科學技術的飛速發展，雷電發生頻率顯著升高，由此造成的影響與破壞也日趨嚴重。據統計，全球每分鐘將會發生2 000次雷電過程，每年由雷擊造成的人員傷亡數量多于1萬人，由此造成的通信中斷、電力線路故障、火災、爆炸等安全事故逐年增多。慶陽市位于甘肅省東部，該地區的雷電活動較強。特別是在夏季，雷電活動尤為強烈且多發，嚴重影響了當地民眾的日常生產和生活，甚至危及生命安全。慶陽某變電站位于慶陽市郊處，該地區土壤電阻率為400Ω·m。地形平坦，地下水位深度約32 m，最大凍土深度約1.15 m。這個變電站基礎土壤的主要成份為黃土狀亞粘土或輕亞粘土。上部為0.6 m左右厚的耕土，有大孔隙，15 m以下為輕亞粘土夾數層砂卵石。地質構造簡單均勻。隨著該變電站運行時間的增長，雷雨天時站內設備出現故障的頻率也不斷增加。經勘查，主要是因為該站的接地網接地電阻超標，不能及時泄放雷電流造成。因此，做好雷電防護工作，對于保障大眾的生命財產安全具有重要意義。接地網的作用較多，主要有雷電流的泄放、故障電流的泄流、精密儀器設備的工作接地等。然而接地網在運行過程中隨著使用年限的增加，容易出現斷裂、腐蝕的情況，發生安全事故的風險變大[1]。隨著變電站的不斷發展，接入地網的高精度弱電設備也逐漸增多，這些設備需有良好的接地才能正常使用運行。這就對變電站接地網提出了更高的標準，其運行安全也越來越受到重視，其中，接地電阻是衡量地網的一個極為重要的技術參數，在變電站正常運行中必須達到一定的規范數值才可以。本文通過對該變電站原地網及地質情況的實際勘察，結合國家標準和電力行業的要求對該站接地網進行改造。測量改造完成后，地網的跨步電壓和設備接觸電壓等均達到了電力行業標準的規定。

1 原接地網存在的隱患

1.1 接地材料存在嚴重腐蝕、斷裂

在對原接地網開挖檢查發現地網接地體銹蝕腐爛嚴重，腐蝕情況如圖1所示。接地線和接地體的截面積偏小，后對接地體進行了電阻測試，發現其接地電阻阻值也超標嚴重。在地網對角方向，測得接地電阻為0.98Ω，而在另一處對角線方向測量時接地電阻為1.68Ω。二者接地電阻值相差較大，說明接地網在埋入地下的接地裝置已不是一個整體，埋入地下的接地扁鐵已被腐蝕斷裂，無法滿足國標和電力行業對接地網的要求。接地網銹蝕除了運行時間較長，另外地網中雜散電流也會加速電化學腐蝕的進程。發生這種情況后，地網在進行雷電流泄流或接入地網的設備發生漏電等情況時，存在很大的安全隱患，嚴重時會導致人員安全問題。

圖1 接地帶扁鋼的腐蝕情況

1.2 接地電阻超標

接地電阻的目標值由下式確定：

式中I為實際流入接地網的接地短路電流值，該站的I為1 880 A，則接地電阻的理論值應該為0.94Ω。而接地電阻實測值為0.98～1.68Ω，超過了接地電阻的要求，需要對接地網進行改造，以達到降低接地電阻的目的。

2 接地網工程改造

原地網的情況如圖2所示，針對該變電站接地網存在的隱患對原接地網進行改造。主要有以下措施。

圖2 變電站原地網狀況

（1）挖開已斷裂腐蝕的接地體，用新的熱鍍鋅扁鐵進行更換，對新敷設的接地體采取嚴格的防腐措施，延長使用壽命[2]。

（2）對電阻率較高的地方，采取有效的降阻措施，利用降阻劑與埋設新接地極的方法進行改造設計[3]。

（3）設計新的接地網，與原地網好的部分連為一體，增大地網的面積。這樣形成的新地網具有更好的導通性，不但對接入地網的設備可以重新起到保護作用，也使地網的跨步電壓和設備接觸電壓達到電力部門的要求[4]。

3 接地網改造措施

圖3 文納四級法連接圖

3.1 地網改造方案

變電站站內接地網設計：開工前對現場進行詳細檢查分析，開挖原地網的原則為盡量保護地面設施，能不開挖的不開挖，能小面積開挖的小面積開挖，開挖后及時恢復原樣。新鋪設的接地網應覆蓋整個變電站，為保證均壓效果、跨步電壓以及設備接觸電壓符合要求，全站接地以水平接地體為主，以垂直接地體為輔組成符合接地網。主接地網溝深0.9 m，采用熱鍍鋅圓鋼進行敷設，垂直接地體采用熱鍍鋅角鋼埋設。降阻劑采用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑，主要使用在土壤電阻率較高的區域，攪拌均勻后包裹人工接地體，達到降低土壤電阻率的目的。

經對現場檢查分析后，結合構建筑物、電器設備、道路等相關設施位置規劃，針對部分設備不能斷電改造的特殊要求，考慮采用新舊地網更換引出線、連接線，不影響設備正常運行的方式，設計中提出了2種降阻方案。

方案一：站內接地網為7 m×7 m的方孔接地體，材料用的是普通扁鋼。經現場測量站后有一塊果林的土壤電阻率約250Ω·m。在該站周圍測試發現，可以在原地網的狀況上做水平外引接地體。水平外引接地體的長度為120 m，寬度為60 m，圍繞原地網進行敷設，形狀為矩形。然后其內部做成30 m×30 m的網孔。再結合水平外引接地體并使用GPF-94降阻劑包裹接地體可以達到目標要求。完成圖如圖4所示。

圖4 方案一改造后的地網狀況

在此方案中ρ為250Ω·m，地網的面積為7 200 m2計算得出R=1.91Ω。使用截面為0.2 m×0.15 m（15 kg/m）的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑后，接地電阻降為

式中，Rg2為未施加降阻劑時的工頻接地電阻；Rg1為施加降阻劑以后，接地裝置的接地電阻；Kf為降阻劑的降阻系數，其值與施加降阻劑的截面尺寸有關；這里2種方案里按使用量取值0.6；Kp為地網的屏蔽系數，對地網Kp一般為1.2~1.3。

經計算，Rg1為1.91Ω，Kp取1.2，代入公式計算得到Rg2為1.3Ω。與站內接地網并聯后，由，R1為原地網電阻，2.08Ω，R2為1.3Ω。代入公式得R=0.85Ω符合目標值要求。

方案二：站內接地網與倉庫外圍自然接地體連接，再結合水平外引接地體，并使用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑進行包裹接地體的方法進行敷設。變電站旁邊有一倉庫，在距離倉庫3 m處，均勻對稱打下4根垂直接地體，在垂直接地體上敷設一圈水平外引接地體，水平外引接地體與垂直接地體相連。互相連接后與變電站地網再進行并聯，站內接地網為7 m×7 m的方孔接地體，用材為普通扁鋼。變電站旁有一自來水管，地網與站后一段自來水管道連接（長約2 km）。相當于使用了自然接地體，可以有效降低電阻。改造后的地網狀況如圖5所示。

圖5 方案二地網改造情況

式中，ρ為土壤電阻率，290Ω·m；A為設計地網的面積，18 m2。在此方案中ρ為290Ω·m，地網的面積為18 m2計算得出R=8.11Ω。

施加截面0.2 m×0.2 m（20 kg/m）的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑后，接地電阻計算：

在此計算時，Rg1為8.11Ω，Kp取1.2，代入公式計算得出Rg2為4.87Ω。連接自來水管道、并聯站內接地網后接地電阻=0.78Ω降到目標值要求的0.94Ω以下。

上述兩套方案均能實現改造地網的目標。但經對比，方案一比方案二使用的材料和降阻劑稍多一點，且方案一中涉及使用農民的土地（果林），需要給農民給予一定的經濟補償。所以選擇了方案二對該站的接地網進行改造。

3.2 降阻劑的選擇

GPF-94降阻劑由多種成份組成，其中含有細石墨、膨潤土、固化劑、潤滑劑和導電水泥等[5]。在接地體周圍使用這種降阻劑時，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，形成足夠大的電流流通面；另一方面它能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個變化平緩的低電阻區域，這樣使接地體的電阻大大減小。

如果能正確地掌握降阻劑的用量和施工方法會給施工帶來事半功倍的效果。降阻劑與水以3∶2的比例混合。攪拌要充分，整體成漿糊狀為好。均勻施加在接地體的周圍，不能出現脫節現象，要不會出現接地體銹蝕等問題。同時要注意降阻劑用量愈大，降阻率愈大，但降阻劑用量增大到一定程度，降阻效果會出現飽和現象。在與土壤交界處的接地極要采取防腐措施，保證施工質量，充分發揮降阻劑的作用，有效降低接地電阻。

3.3 防腐措施

（1）地網改造過程中所用的鋼材都使用熱鍍鋅鋼材，可以有效防止鋼材內部的銹蝕。

（2）GPF-94降阻劑成分中含有防腐劑，減少了接地體與土壤接觸面積，降低了接地體被空氣的腐蝕概率。

（3）在水平接地體與垂直接地體焊接位置處涂刷防腐涂料。在涂刷防腐瀝青漆時需要將虛焊部位的焊渣清理干凈，否則會導致涂刷不全面，不能對焊點起到防腐保護作用。

4 接地改造效果

4.1 接地電阻測量試驗

經文納四極法計算接地電阻，U與I的取值在表1中取值計算得到。該站接地電阻的目標值為0.94Ω，符合要求，說明降阻方案是可行并成功的。

表1 接地電阻試驗結果

4.2 設備接觸電位試驗

電力行業標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》第3.4條a規定：在220kV及以上有效接地系統發生單相接地或異點兩相接地時，發電廠、變電所接地裝置的接觸電位差不應超過下列數值[2]。

式中，ρ為人腳站立地表面的土壤電阻率，Ω·m；t為接地短路（故障）電流持續時間，ρ取值為290Ω·m，時間取2 s，計算得出E為157 V。

經過測試，部分設備的接觸電壓超過了目標值157 V的要求。需在設備下鋪設一層高土壤電阻率的礫石，或者鋪設瀝青。以此保證工作人員在日常維護設備時的人身安全。

4.3 電位分布試驗

式中，Usmax為最大跨步電壓，V；Ksmax為最大跨步電壓系數；Ug為電壓，得出Usmax=KsmaxUg=248.1 V。

沿站四周分別選擇了四個測試點，每隔0.8 m測量一次，實際測得最大跨步電壓為20.85 V≤Usmax，所以改造后地網的跨步電壓符合目標值要求。

5 結論

通過對該接地網主要參數的測量，得出采用此方案進行改造后是比較成功的。得出以下結論：

（1）變電站的接地網改造設計工程較為復雜，包含了現場勘察、接地體的安裝、降阻劑的選擇與使用等，需要綜合考慮后再進行設計改造方案。

（2）各種措施應根據現場的實際條件進行，不能盲目地照搬國標規范。

（3）降阻劑要慎重選擇。在選擇降阻劑時，一是要考慮其性能如何。能否在該土壤條件下起到吸水、防腐的性能。二是要考慮其用法，不能盲目的去使用，需要考慮屏蔽作用帶來的影響，以免達不到預期的目標。