張卓為

（浙江省電力設計院， 杭州 310012）

變電站接地網的降阻設計探討

張卓為

（浙江省電力設計院， 杭州 310012）

高土壤電阻率地區(qū)的變電站，宜著眼于在征地范圍內解決降低接地電阻的問題，可考慮在進站道路路基下設置外延水平接地體，對深回填的大面積回填區(qū)設雙層接地網；盡量利用征地范圍內的低土壤電阻率地層。如政策處理允許，也可考慮外引到征地范圍以外。綜合利用以上方法，可使變電站的接地電阻達到設計要求。

接地電阻；外延；雙層接地網；接地井

工頻接地電阻值是考核接地裝置的主要指標，直接關系到工頻接地短路和雷電流入地時的地電位升高。位于高土壤電阻率地區(qū)的變電站，須采取各種措施來降低接地電阻至要求值。有效的降阻措施包括擴大接地網面積、水平接地體外延、雙層接地網、接地井、水平接地網均壓帶加密、降阻劑、電解離子接地極等。本文結合工程實例，對常用降阻措施的適用性和局限性、應用效果、實施方式和施工要點等予以分析，提出降阻工程中可循用的設計思路。

1 常用降阻措施分析

變電站的接地網是以水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網，其接地電阻通常按以下公式計算[1]：

式中： Rn為任意形狀邊緣閉合接地網的接地電阻； Re為等值（即等面積、等水平接地極總長度）方形接地網的接地電阻；S為接地網的總面積；ρ為土壤電阻率；d為水平接地極的直徑或等效直徑；h 為水平接地極的埋設深度；L0為接地網的外緣邊線總長度；L為水平接地極的總長度。

由式（1）-（4）可知， 增大接地網面積 S、接地網外緣邊線總長度 L0和減小土壤電阻率 ρ對降低接地電阻 Rn的效果明顯；在一定范圍內增大水平接地極總長度 L 對降低 Rn也有作用， 但當L 達到一定值后再繼續(xù)增大對 Rn的影響變得十分微弱；增大參數 d， h，對降低接地電阻 Rn作用有限，與其經濟性相比不具備可取性。在變電站有效的降阻措施中，外引擴網和水平接地體外延在水平方向上增大了 S， L0， 雙層接地網和接地井相當于在垂直方向上增大 S， L0， 降阻劑和電解離子接地極的作用是減小 ρ， 而水平接地網均壓帶加密則起到增大L的作用。

2 外引擴網或水平接地體外延

外引擴網指在變電站接地網以外（一般 1 km之內）的適宜區(qū)域另外敷設一閉合接地網，與站內主接地網相連。水平接地體外延指從站內主接地網邊緣某起點外延水平接地體。兩者均是在水平方向擴大接地網，通過站外的擴網或外延的水平接地體與站內主接地網并聯來降低變電站接地電阻。 擴網或外延水平接地體的接地電阻按 DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接 地》[1]附錄 A 計算。

外引擴網或水平接地體外延均為十分有效的降阻措施。 例如， 220 kV 青田變電站平均土壤電阻率 2 700 Ω·m，站址處約 3m 下為土壤電阻率2 000～4 000 Ω·m 且層厚大于 30m 的堅硬花崗巖層，主網接地電阻約9Ω；青田變的外引接地體位于站址附近高速公路路基下，外引接地體與站內主接地網采用架空線連接，過公路等處用電纜連接。采用了外引擴網后，接地電阻降至1Ω。

外引的擴網或外延的水平接地體作為變電站接地網的一部分，其設計參數如埋深、上方敷設的高電阻率結構層厚度等要滿足規(guī)程[1]規(guī)定； 因位于變電站圍墻以外，還要防止建成后誤遭外力破壞。為盡量減少與站內主接地網間的屏蔽，外延的水平接地體宜采用放射狀，起點可選擇主接地網四角處或其它有外引條件的點。擴網或外延接地體與原接地網要可靠連接，連接點一般為3點及以上，并防止外力破壞和腐蝕。如擴網或外延區(qū)土壤電阻率較低，則降阻效果更好；尤其是含水量相對高的地塊，如灘涂、小溪等，可鋪水下或岸邊地網。

外引擴網或水平接地體外延，如擴展到征地范圍以外，就涉及到政策處理；而浙江省內變電站建設工程中征地范圍外的政策處理困難，這是限制其應用的最主要因素。

在征地范圍之內，可利用變電站配套新建或改造的進站道路來設置外延接地體。通常進行以下設計和施工：在已征地進站道路的路基下預埋2根水平接地體，規(guī)格同主網；埋深根據跨步電勢要求；上方采用碎石、礫石或卵石的高電阻率結構層， 厚度不小于 200 mm， 以滿足跨步電勢的要求；每隔 10m 左右可設置 1根均壓帶。

在進站道路下設置外延接地體，幾乎不涉及政策處理、費用低廉、施工方便且與進站道路同步建設，是工程中處理降阻問題時首先可考慮采取的措施。 例如 220 kV 柵浦變， 平均土壤電阻率195 Ω·m， 主網接地電阻 0.54 Ω， 新建進站道路長 250m； 設計采用在進站道路下預埋外延水平接地體來降阻， 變電站接地電阻降至 0.4 Ω。

3 雙層接地網

雙層接地網適用于回填深度超過 1.5m 的填方區(qū)。 當變電站內的回填區(qū)占變電站面積 1/3 及以上或回填區(qū)土壤電阻率較低時，可考慮在回填區(qū)設雙層接地網。上層接地網為全站共有，設置于變電站設計標高下 0.8 m，間距按常規(guī)接地網設計； 下層接地網增設于填方區(qū)原土層下 0.5m，沿填方區(qū)外緣四圍敷設1周；內部均壓帶間距可不設，或取 50 m 以上、或根據填方區(qū)面積和原土層土壤電阻率酌情選取。下層接地網邊緣引上8根接地體與上層接地網可靠連接，上引接地體間距盡量大，下層接地體和上引接地體的規(guī)格均與上層接地體規(guī)格相同。

雙層接地網是個立體接地網，雖然上下層接地網間相互屏蔽，但從工程應用效果看對降阻仍有一定作用，尤其適用于原土層上部土壤電阻率較低或回填土土壤電阻率較高的填方區(qū)。在實際工程中，要求回填工密實緊夯，土壤電阻率低于40Ω，但實際普遍難以實現。 回填土通常就地取材，最常見的是部分區(qū)域挖方，部分區(qū)域填方，用挖方土做回填土，回填土的土壤電阻率相對較高。 例如 220 kV 清漾變， 回填區(qū)原土層上部土壤富水性較好，平均土壤電阻率 70 Ω·m；下方為厚度大于 50m 的砂巖， 平均土壤電阻率 500 Ω·m，變電站主接地網接地電阻 0.95 Ω。 雖然進所道路長僅 50m， 但在進站道路下預埋外延接地體和填方區(qū)設雙層接地網（下層地網面積 11 210m2）后，變電站實測接地電阻降至 0.5 Ω 以下。

雙層接地網的費用低廉、施工方便，與場地平整同步建設；不僅有降阻作用，對均壓也有好處。工程中處理接地降阻時，對回填深度超過1.5m 的大面積回填區(qū)， 可考慮設雙層接地網。

4 接地井

式中：Rk為接地井的接地電阻； ρy為原地層的電阻率； ρz為置換材料的電阻率； l為垂直接地體長度； d 為垂直接地體直徑； d1為接地井計算直徑。

當變電站下層土壤電阻率小于上層土壤電阻率（如有地下水）時，接地深井應用效果良好。 接地深井也可用于土壤電阻率基本均勻的變電站，不建議用于下層土壤電阻率遠高于上層土壤電阻率（如山區(qū)變電站， 上層為土壤、 下層為巖石）或巖層堅硬鉆井困難的變電站。當變電站上層土壤電阻率較低時，也可考慮接地淺井，井深在低土壤電阻率層內，但 20 m 之內的接地淺井對于大中型地網的降阻作用很小。

接地井布置時，必須考慮接地井互相的屏蔽、接地井與主接地網間的屏蔽。在均勻電阻率土壤中，流過大地的電流，向垂直和水平方向呈半球形等位面擴散。根據實際工程經驗，如以接地井坐標為圓心、接地井深度為半徑作圓，該圓與主接地網或其它接地井等效圓的面積重疊部分比例，近似為相互屏蔽的比例。因此，接地井宜設置于變電站四角，且有足夠深度，深度計算要考慮屏蔽影響。在均勻電阻率土壤中，多個接地淺井的作用往往不如1個接地深井。當變電站下層土壤電阻率較小時，井深應盡可能達到低土壤電阻率地層，深入到地下水位更佳。

220 kV 蘆江變電站的平均土壤電阻率為 300 Ω·m， 主接地網實測接地電阻 0.87 Ω； 在站區(qū)四角設計 4 口 150m 深井后，變電站實測接地電阻

應用接地井的實質是在垂直方向上擴大接地網。 接地井的接地電阻估算[2]為：降至 0.58 Ω， 滿足設計要求。又如 220 kV 諸暨變電站的平均土壤電阻率 500 Ω·m， 經在站區(qū)四角增設 4口 70 m 深井， 井深到達了地下水位層，順利解決了接地網降阻問題。

采用深井降阻時，不宜在深井坐標附近再用水平接地體放射狀外延，因為外延的水平接地體同樣會與深井的垂直接地極相互屏蔽。但深井可設置在水平外延接地體的外延終點。

5 其它降阻方法

5.1 加密水平接地網均壓帶

考慮到地表的電位分布均勻和適宜變電站內設備接地引上線的需要， 500~220 kV 變電站主接地網通常采用 13 m× 13 m 的方孔地網， 以 1個 220 kV 變電站為例， 假設此時接地電阻為 R。當主接地網孔加密到 8 m×8 m 時，接地電阻約0.95R； 若將主接地網做成 1 塊鋼板， 接地電阻約0.88R；若僅沿變電站圍墻內側敷設 1 個地網輪廓， 接地電阻約 1.4R。 這是由于水平接地體相互之間屏蔽的原因?？梢姡晃都用芩浇拥鼐W孔距，其降低接地電阻的效果與經濟性相比是不適宜的。

實際工程中，可通過計算適當加密主接地網孔，但應經過技術經濟性比較。

5.2 人工改善土壤電阻率

用低電阻率土壤置換高電阻率土壤，這種方法雖有效果，但對大中型地網而言，由于工程量太大而很少采用。在接地體和自然土壤之間敷設優(yōu)質降阻劑，可改善接地裝置附近的土壤電阻率、增大接地體的等效截面積、增大接地體和土壤的接觸面積、降低接地體與土壤間的接觸電阻，對降低工頻接地電阻有一定效果。降阻劑對提高接地網瞬間泄流能力、降低沖擊接地電阻也有一定效果。雷電沖擊電流下，接地裝置呈現的沖擊電阻與平常工頻電流下的工頻接地電阻的比值，稱為沖擊系數。有數據顯示，填充優(yōu)質降阻劑相對自然土壤，可降低沖擊系數約 10%。

但是對于大中型地網，當降阻劑應用于水平接地網內時，由于水平接地網的屏蔽作用，降低地網接地電阻的效果并不顯著，主要還是起到均壓的作用。同時，當降阻劑應用于水平接地網內時，施工量大，降阻效果與施工質量密切相關，對施工的要求高。 因此， 浙江省內 220 kV 以上變電站很少在水平接地網內采用降阻劑作為主要降阻措施。

不過，在接地井內壓力灌降阻劑卻是十分必要的。從式（5）可見，接地井內灌壓優(yōu)質降阻劑，能降低接地井單孔電阻。接地井與主接地網并聯，從而降低了全站接地電阻。

為保證降阻效果，使用的降阻劑應電阻率低、無污染無毒性、對接地極無腐蝕作用，且最好能保護接地極不受腐蝕；穩(wěn)定、長效，不隨地下水流失；有良好的導電滲透功能。

另外，電解離子接地極的作用類似降阻劑，且施工較降阻劑簡單，在工程中有一定應用。

6 結語

在變電站的降阻設計中要針對工程實際，對站址作認真詳實的勘測，根據站區(qū)和周邊的地形、一定深度范圍內的地質土壤電阻率、水資源分布情況等綜合分析，既要滿足征地政策處理的要求，也要考慮變電站建成后接地網維護的方便。實際工程中，降阻措施的選用通常不是單一的，而是幾種措施的綜合，最終通過技術經濟比較才能確定較好的降阻方案。

[1]DL/T 621-1997 交 流 電 氣 裝 置 的 接 地[S]. 北 京 ： 中 國電力出版社，1998.

[2]戈東方，鐘大文.電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）[M].北京：水利電力出版社，1989.

（本文編輯：楊 勇）

Discussion on Design of Reducing Resistance of Substation Grounding Grid

ZHANG Zhuo-wei
（Zhejiang Electric Power Design Institute， Hangzhou 310012， China）

For substations in the district with high soil resistance rate,it is suitable to solve the problem of reducing grounding resistance within the land acquisition area.It is recommended to install the horizontal extended grounding body under the bed of access road to substation,set up a double-layer grounding grid in large deep backfilled area,make full use of low resistance rate land layer within the land acquisition area to lead the grounding body to that area.Grounding body can be extended outside the land acquisition area only if allowed by the policy.By using these comprehensivemethods， the substation grounding resistance can be reduced tomeet the design requirement.

grounding resistance； access road to substation； double-layer grounding grid； groundingwell

TM862

： B

： 1007-1881（2010）07-0011-04

2010-04-27

張卓為 (1974-)， 女， 浙江杭州人， 工程師， 從事變電工程設計工作。