110 kV變電站接地網降阻方案分析

黃燕蓉

（福建省電力建設工程咨詢有限公司，福建福州 350000）

0 引言

變電站接地網工程是重要的電氣安全技術工作之一，合理設置接地網是保證變電站電氣設備正常運行及運行維護人員人身安全的重要條件[1]。鑒于建設用地有限，一些變電站只能選擇建設在土壤電阻率偏高的山區，這些地方存在可利用接地網面積小、地質條件差、外引接地條件不理想等情況，導致接地網接地電阻偏高而不能滿足變電站安全運行要求。因此，在工程建設中應合理設計接地網方案，采取有效的降阻措施。

本文中某110 kV變電站地處山區，場地地質條件不良、高土壤電阻率的土壤使得接地網出現了接地電阻偏高的情況，現結合現場實際情況提出幾種降阻方案進行分析探討。

1 變電站基本情況

1.1 場地概況

某110 kV變電站站址位于山區，建設場地為丘陵山坡溝谷地貌，場地內風化花崗巖分布廣泛、厚度大，場地西北側為小山坡，其自然坡度在20°～30°，坡高17～20 m，坡體植被茂密，坡頂部分已修建為高速公路的臨時堆石場和堆沙場（目前廢棄），目前山坡體處于穩定狀態。擬建場地地下水主要為素填土層中的上層滯水和花崗巖及其風化層中少量風化裂隙、孔隙潛水，勘察期間測得的場地地下穩定水位埋深21.3～25.4 m。地質資料顯示，場地內多區域存在塊石、花崗巖，采用溫納四極法實測的場地土壤電阻率值如表1所示。

由表1計算可得，場地土壤電阻率算術平均值ρ=674.5 Ω·m，考慮季節因素系數取ψ=1.5，則綜合土壤電阻率ρ≈1 011.8 Ω·m＞500 Ω·m，可知該變電站場地屬于高土壤電阻率[2]地區。

表1 站址土壤電阻率

1.2 接地網允許值

計算資料：變電站110 kV母線單相短路電流Ig1=10.97 kA，接地故障短路電流持續時間te1=0.6 s；10 kV母線兩相異地短路電流Ig2=13.6 kA，接地故障短路的持續時間te2=2 s；最大入地故障不對稱電流IG=2.407 kA。

初步設計時，變電站主地網采用水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網，長91 m，寬63 m，接地網面積S=91×63=5 733 m2，水平接地體采用熱鍍鋅扁鋼，交叉點焊接熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極，內部做成5 m×5 m的網格，埋深h=0.8 m。通過熱穩定校驗確定水平接地體選用60 mm×8 mm的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極選用長2.5 m的DN50熱鍍鋅鋼管可滿足要求。

主接地網接地電阻計算如下：

式中：ρ為土壤電阻率；S為接地網面積。

經計算，主接地網接地電阻為6.68 Ω。

為保證變電站安全運行，對于中性點直接接地系統，接地網接地電阻應符合《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T 50065—2011）中關于R≤2 000/IG的規定，同時對接地網的跨步電壓、接觸電壓進行控制[3]。

接地電阻允許值計算如下：

經計算，接地網目標要求接地電阻允許值R≤0.83 Ω，接觸電壓允許值UT≤447 V，跨步電壓允許值US≤1 139 V。

根據以上計算結果分析，變電站主接地網接地電阻R=6.68 Ω≥0.83 Ω，超過目標允許值，不滿足變電站安全運行的要求，所以需要采取措施以降低接地電阻，即設計合理的接地網降阻方案。

2 接地網降阻方案選擇

2.1 常用降阻措施

2.1.1 敷設引外接地網

2.1.2 置換土（或降阻劑）

進行場地回填時，采用低電阻率的土壤（比如ρ≤100 Ω·m的黏土）更換原有的高電阻率土壤，或在接地體周圍加入食鹽、木炭、電石渣、降阻劑等材料[2]，都可以提高導電能力以降低土壤電阻率，從而達到降低接地網接地電阻的效果。

2.1.3 深井（深埋式）接地極

在地下深處存在土壤電阻率較低的土壤或地下水較為豐富、地下水位較高的地方[2]，可以采用深井（深埋式）接地極[4]，接地材料一般選用熱鍍鋅鋼管，將長垂直接地極深埋至下層土壤中，并在接地極周圍回填低電阻率材料（比如ρ≤100 Ω·m的黏土）。

2.1.4 利用自然接地體

將變電站人工接地網與自然接地體連接也可以降低接地電阻值，可以利用配電裝置樓鋼筋混凝土基礎中的鋼筋、深埋地下的水井管、非可燃液體或非爆炸氣體的金屬管道等部位進行連接[1]，需要確保連接可靠。

2.2 初步考慮降阻方法

根據現場勘察結果，變電站西北側有一坡度較緩的小山坡，坡高17～20 m，坡體植被茂密，坡頂部分已修建為高速公路的臨時堆石場和堆沙場（目前廢棄），其土壤電阻率按200 Ω·m計算，低于變電站內高土壤電阻率的土壤，因此可以考慮利用山坡設置引外接地網。變電站南側及東側山坡高差大于20 m，坡度較陡且塊石較多，不適合設置引外接地網。

由于變電站站址內存在許多厚度大的塊石，若采用置換土（或降阻劑）的方案需要爆破塊石，這會耗費比較多的人力和時間，同時爆破施工也存在安全隱患，所以置換土（或降阻劑）的方法不合適。

根據地質勘察報告，地下水位的深度在21.3～25.4 m，結合勘測點地下水位的位置，可考慮在變電站北側設置深井接地極。

通過對變電站站址及周邊建筑物進行查看，由于場地塊石較多，如利用配電裝置樓基礎鋼筋連接主地網，其降阻效果不佳，所以并不適合采用連接自然接地體的方法。

2.3 提出并分析降阻方案

結合某110 kV變電站的站址實際情況，現提出以下3種降阻方案。

2.3.1 方案1：采用引外接地網

變電站西北側有一坡度較緩的山坡，坡高17～20 m，利用山坡設置引外接地網，接地材料選用60 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼，內部做成5 m×5 m的網格，埋深1.2 m，并與站內主地網連接，山坡土壤電阻率按200 Ω·m計算。

根據計算結果，需要增加引外接地網面積111 32 m2。由于西北側山坡利用面積有限，無法滿足增加這么大面積接地網的要求，所以單獨采用引外接地網的降阻方案并不適合。

2.3.2 方案2：采用深井接地極

根據地質勘察報告及現場勘察情況，在變電站圍墻外北側設置深井接地極，材料選用25 m長DN100熱鍍鋅鋼管，接地極間距約50 m，埋深1 m，并與站內主地網連接。

接地網設置不同數量的深井接地極，其降阻效果對比如表2所示。

由表2可知，該變電站接地網工程設置深井接地極能使接地電阻值降低超過50%，可以有效降低接地電阻，且隨著深井接地極數量的增加，整體降阻效果越發明顯。通過與允許值比較，該變電站需設置至少6根25 m的深井接地極與主地網連接，才能使合并后接地網的接地電阻值小于0.83 Ω。由于垂直接地極之間存在屏蔽效應，一般要求垂直接地極間距大于接地極長度的2倍，對于本接地網來說，垂直接地極間距大于50 m比較合適。但是該變電站圍墻北側場地的利用面積有限，無法滿足同時設置6根垂直接地極的要求，所以單獨采用深井接地極的降阻方案并不適合。

表2 深井接地極數量及其降阻效果

2.3.3 方案3：結合引外接地網和深井接地極

由于變電站圍墻西北側山坡面積有限，要求盡可能大地利用有效面積，根據地質勘察報告，在山坡上布置引外接地網，長50 m，寬40 m，接地網面積S=50×40=2 000 m2，水平接地體選用60 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼，內部做成5 m×5 m的網格，交叉點焊接2.5 m長DN50熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極，埋深1.2 m。在變電站圍墻外北側布置4根25 m深井接地極，材質選用DN100熱鍍鋅鋼管，接地極間距約50 m，埋深1 m；引外接地網和深井接地極皆與主地網連接。

引外接地網接地電阻計算如下：

式中：ρ為引外接地區域土壤電阻率，取200 Ω·m；S為引外接地網面積，取2 000 m2。

深井接地極與引外接地網合并連接到站內主地網，此時深井接地極數量與降阻效果關系如表3所示。

由表3可知，該變電站接地網工程采用結合引外接地網和深井接地極的方式，能使接地電阻值降低超過80%，其降阻效果比單獨設置深井接地極來得好。從表中數據分析，采用結合2 000 m2引外接地網和4根深井接地極的方案就可以降低接地電阻至允許值，且變電站北側有足夠空間布置4根深井接地極，這種降阻方案比較合理，但還需要對接觸電壓、跨步電壓、避雷器動作電壓等方面進一步進行校驗。

表3 結合引外接地網與深井接地極及其降阻效果

降阻方案3的設計示意圖如圖1所示。

圖1 方案3接地網設計示意圖

2.4 跨步電壓及接觸電壓校驗

在接地網工程設計中，將最大跨步電位差和最大接觸電位差與允許值進行比較，要求小于允許值。在不滿足要求時，應采取有效的降低措施或提高允許值的措施。現針對方案3中接地網的跨步電壓和接觸電壓進行校驗分析。

（1）最大跨步電壓計算如下：

式中：Usmax為最大跨步電位差；Ksmax為最大跨步電位系數；Ug為接地網接地電位；n為均壓帶根數；L為水平接地極總長度，取91×14+63×19=2 471 m；L0為接地網外邊緣總長度，取（91+63）×2=308 m；S為接地網面積，取5 733 m2；h為水平接地體埋深，取0.8 m；d為水平接地體等效直徑，取0.03 m。

代入上述公式求得n=17根，α2=0.444 5，β=0.412 3，Ksmax=0.065 5，Ug=1 733 V，Usmax=113 V。

從計算結果可知，Usmax=113 V≤1 139 V，滿足跨步電壓的要求。

（2）最大接觸電壓計算如下：

式中：Utmax為最大接觸電位差；Ktmax為最大接觸電位系數；Ug為接地網接地電位；n為均壓帶根數；S為接地網面積，取5 733 m2；d為水平接地體等效直徑，取0.03 m。

代入上述公式求得n=17根，Ktmax=0.145 7，Ug=1 733 V，Utmax=252 V。

從以上計算結果可知，Utmax=252 V≤447 V，滿足接觸電壓的要求。

2.5 避雷器動作電壓校驗

在短路電流入地時，接地網的電位將會升高，可能使變電站內10 kV閥型避雷器動作甚至發生爆炸。為了避免這種情況的發生，保證10 kV閥型避雷器不動作，要求避雷器的工頻放電電壓下限值應小于避雷器的起始動作電壓[2]。現對避雷器的工頻放電電壓進行校驗，計算如下：

式中：Ugf為10 kV避雷器工頻放電電壓下限值；I為最大入地短路電流，取2.047kA；R為接地網接地電阻，取0.72Ω；Ue為平均電壓，取10.5 V。

由于變電站常規用10 kV閥型避雷器的起始動作電壓值為24 V，計算值Ugf=8.7 V≤24 V，可知10 kV閥型避雷器在發生短路電流入地時不動作，滿足運行要求。

2.6 降阻方案最終選擇

根據以上分析可知：方案1為降低接地電阻至允許值，變電站需單獨設置10 532 m2引外接地網，引外接地網面積過大，該方案不采用。方案2中變電站北側空間不足以設置6根以上的深井接地極，該方案不采用。方案3結合2 000 m2引外接地網和4根25 m深井接地極，能有效將接地電阻值降低至允許值，該方案合理利用站外場地且接觸電壓、跨步電壓、避雷器動作電壓校驗等方面滿足要求，故采用方案3。

3 結語

建設在高土壤電阻率山區的變電站，經常會出現接地網接地電阻偏高的問題。在進行降阻方案設計時，應統籌考慮山區附近的地質條件，建議利用周邊低電阻率的土壤設置引外接地網擴大整體接地網面積；同時在地下水豐富的區域，采用深井接地極也能有效降低接地電阻。在場地條件受限時，建議靈活采用結合引外接地網和深井接地極的降阻方案，其降阻效果更為顯著。