低導電率地質區接地網計算及設計研究

關鍵詞：低導電率；接地網；復合接地網

中圖分類號：U231.8 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0021-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.006

0 引言

對于地處干旱環境山區深處的鐵路變電所來說，接地網的設計與計算需更多地考慮地質條件，在一些低導電率地質區域其接地網則更為復雜，定性分析和經驗法設計不再適用，易造成接地電阻不達標或功能過度冗余。本文針對上述現有技術的不足，提出了一種適用于低導電率地質區域接地網的計算及設計方法，可以實現接地網系統的快速精準設計，節省施工材料，降低施工難度，極大地提升施工效率。

1低導電率地質區接地網計算及設計步驟

接地網計算及設計步驟流程圖如圖1所示。

1）對接地網安裝所處區域進行地質勘測，測定區域內土質成分的電阻率。

②）根據接地網所處建筑物的占地面積選取合適的接地網占地范圍和邊緣長寬，并確定接地網用材、尺寸和埋深[2]。

3）根據接地網合理的設計數據進行接地網電阻 計算，判定是否滿足低于設計電阻值的要求，接地網 電阻滿足電阻值需求則進一步開展接地網細節設計，若不滿足電阻值需求則進入復合接地網設計。

圖1接地網設計流程圖

4）進行復合接地網設計時，在接地網邊界范圍均勻布置垂直接地極，根據經驗先預設垂直接地極的用材、尺寸、埋深及數量。

5）根據預設參數計算垂直接地極電阻和復合接地網電阻值，判定是否滿足低于設計電阻值的要求，復合接地網電阻值滿足電阻值需求則進行接地網細節設計，若不滿足電阻值需求則修正垂直接地極設計參數直至達標。

2低導電率地質區簡單接地系統的阻值判定

對接地網安裝所處區域進行地質勘測，根據低導電率地區特點建議鉆測 20m 深度范圍內土質成分，主要采用IEEE Std 81中的Wenner four-pinmethod溫納四針法[3]測量該地質電阻率 。對某鐵路線穿越低導電率地質山脈中的所亭處地質進行測試，土質成分為砂質棕鈣巖，氣候常年干燥少雨，降水量低于50mm ，測得該地質電阻率 ρ=396Ω?m ，本工程咨詢要求接地系統任意點測試電阻 R_dslt;1Ω 。

根據接地網所處建筑物的占地范圍，接地網應 覆蓋所有設備房，由于地處低導電率地質區，范圍應 盡可能大[4；選取高等級的扁銅材質，進一步確定扁 銅寬 d_ms 、接地網總長度L、接地網埋深h、接地網形 狀系數 K 。本工程接地網所處建筑物設計占地范圍 為 11.8m×67.2m ，考慮接地要求及地質條件，選取 接地網最適用的高等級扁銅材質，進一步確定扁銅 寬 d_ms=50mm ，接地網邊緣長為 62.5m 、寬為 10m ， 網格間距定為 2.5m×2.5m ，接地網導體總長度 L=572.5m ，接地網埋深 h=0.6m ，接地網形狀系數 K=1.36 ，具體如表1所示。

表1該地質區變電所接地網初步設計規格及地質參數

根據以上測試及研究得出的各項參數，推導得出接地網電阻 R_ta 計算方法為：

根據該地質條件及變電所設計范圍內的各項實際數值，計算得出接地網電阻，與設計電阻限值 R_ds 進行對比，判定是否滿足低于設計電阻值的要求；如滿足電阻值需求則進一步開展接地網細節設計，根據已計算出的接地電阻值大小判斷接地網扁銅連接方式、接地網引出測試端等細節。

R_ta=1.75Ωgt;R_ds

由于該簡單接地網覆蓋面積已達到最大標準，故判定其無法滿足標準要求，需進入復合接地網設計步驟。

3復合接地網的設計與計算

如若簡單接地網或接地極無法達到低導電率地質區域內接地網阻值要求，則需要進行復合接地網的設計與計算。

進入復合接地網設計步驟具體如下：在接地網邊界范圍均勻布置垂直接地極，間距為S，根據低導電率地質區經驗，先預設接地極用材為高等級的實心銅棒以及接地極直徑 d_rd 、接地極長度 L_rd. 接地極根數 n ，如遇土質為巖石類，接地極無法直埋，還需用鉆孔機進行鉆孔安裝及回填5，涉及接地極鉆孔直徑 D 、回填料電阻率 ??ρ_s 等參數。本實施例垂直接地極間距為 S=8m ，直徑 d_rd=20mm ，接地極長度 L_rd=6m ，接地極根數 n=25 ；本實施例土質為砂質棕鈣巖，接地極無法直埋，因此需用鉆孔機進行鉆孔安裝及回填，考慮到鉆孔難度、回填料直徑過大會導致接地極綜合電阻率增高等問題，選取接地極鉆孔直徑D=0.2m ，預設采用原土質攪碎后回填，回填料電阻率 ?ρ_s=1000Ω?m 。具體初步參數如表2所示，復合接地網平面布置圖如圖2所示。

實際地質條件無法實現插入式直埋接地極，則需采用回填料包裹接地極的電阻計算方法，首先需計算出接地極本體計算系數 K_rod 和接地極孔填充料計算系數 K_s 。

表2復合接地網初步設計規格及地質參數

回填料包裹接地極的整體電阻為：

此條件下，復合接地網電阻值為：

R_tarod=1.246Ωgt;R_ds

預設條件的復合接地網電阻值仍不滿足要求，因此需修正垂直接地極設計參數直至達標。采用控制變量法，保持原土質攪碎后回填料電阻率 ρ_s=1000Ω?m 、接地極直徑 d_rd. 接地極根數 n 等參數不變，第一步先改變接地極長度 L_rd=12m ，將計算式列入Excel表內，計算結果及示意圖如表3、圖3所示。

R_tarod=0.9955Ω ，接近于 R_dslt;1Ω ，但考慮到設計值應保留一定的冗余，以確保在最終測試能達標，因此需繼續優化變量。綜合上述變量進行考慮，改變回填料類型是最經濟直接有效的辦法，因此選取電阻率極低的降阻砂進行回填[6]，其電阻率 ρ_s=1000Ω?m 將計算式列入Excel表內，計算結果如表4、圖4所示。

R_tarod=0.67Ωds， 因此已達標。

圖2復合接地網平面布置圖

表3復合接地網二次設計規格及電阻值計算結果

圖3二次設計復合接地網布置圖

表4復合接地網三次設計規格及電阻值計算結果

滿足電阻值要求，則進一步開展接地網細節設計，接地網扁銅的連接方式采用電阻率最低、效果最好的模具銅放熱焊，接地網引出測試端采用 1×240mm² 的銅電纜引接，進一步出圖。

4結束語

針對低導電率地質區鐵路變電所接地網的綜合設計與計算，本文形成了一套全面、適用的計算及設計方法，解決了低導電率地質區接地網設計復雜及功能易冗余的問題，降低了造價，提升了設計效率和效益。目前該項目已投入運行，阻值全面達標，各項設備參數整體運行效果良好。

[參考文獻]

[1]靳衛俊，黃軍榮，黃仕豪，等.高海拔特高壓變電站接地網的優化設計[J].江西電力，2023，48（2）：16-19.

[2]劉志元.基于ETAP的接地網全流程三維仿真技術研究及國際化應用[J].建筑電氣，2023，42（12）：23-26.

[3]郭繼堯.IEEE標準接地網設計及計算示例［J].電力勘測設計，2024（2）：56-60.

[4]唐徑.變電站的靜態接地網應用[J].電子技術，2023，52（8）：417-419.

[5]黃燕蓉.110kV變電站接地網降阻方案分析[J].機電信息，2022（19）：30-33.

[6］鄭昊.高土壤電阻率地區220kV變電站接地網優化設計[D].廣州：華南理工大學，2022.