張玉華

引言：高土壤電阻率地區(qū)采用常規(guī)水平接地極和垂直接地體結(jié)合的復(fù)合接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，其接地電阻、跨步電壓、接觸電勢(shì)往往達(dá)不到要求，危及操作人員和電氣設(shè)備的安全。高效削減變電站地網(wǎng)的接地電阻并且迎合電力系統(tǒng)飛速發(fā)展的要求，是很多電氣設(shè)計(jì)人員面臨的難題。本文主要探討高土壤電阻率地區(qū)變電站接地方案設(shè)計(jì)與地網(wǎng)降阻措施的具體應(yīng)用和局限性。

變電站接地系統(tǒng)是電氣設(shè)備正常運(yùn)行、保障人身和設(shè)施安全、防止雷電和靜電危害等必不可少的措施。接地電阻是衡量接地系統(tǒng)好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，接地電阻應(yīng)滿足設(shè)備對(duì)電位、接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)和暫態(tài)過(guò)電壓的要求，其大小取決于土壤電阻率、入地短路電流、接地網(wǎng)形式等數(shù)值。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)接地技術(shù)提出了新的要求，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、輸電線路電壓等級(jí)高、系統(tǒng)容量急劇增大，入地短路電流大幅度升高；

2、集成電氣設(shè)備的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，如GIS設(shè)備、箱式變壓器、模塊化變電站等，使變電站占地面積越來(lái)越小，地網(wǎng)面積也隨之減??；

3、變電站設(shè)計(jì)倡導(dǎo)資源節(jié)約型，要求少占良田耕地并要為城市發(fā)展讓路，隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，致使電力設(shè)施被迫建在偏遠(yuǎn)郊區(qū)、山區(qū)等地質(zhì)狀況復(fù)雜、高土壤電阻率地區(qū)，且地網(wǎng)面積也受征地問(wèn)題的限制。

4、隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平和管理水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)入電力系統(tǒng)，帶來(lái)強(qiáng)電設(shè)備干擾弱電設(shè)備、侵入波對(duì)電子設(shè)備的損壞和射頻干擾等問(wèn)題。

為確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電可靠性，接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得日益突出。

一、接地降阻的技術(shù)

110kV及以上大接地短路電流系統(tǒng)，其接地網(wǎng)的接地電阻要符合以下標(biāo)準(zhǔn)：R≤2000/IΩ，I為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流。當(dāng)I>4000A時(shí)，規(guī)范規(guī)定R≤0.5Ω。目前大接地短路電流的I值大多超過(guò)4000A，所以需要一般電阻率地區(qū)接地電阻R≤0.5Ω，在高土壤電阻率地區(qū)規(guī)范明確可適當(dāng)放寬R，但需采取均壓措施、隔離接地電位措施等，并要驗(yàn)算接觸電壓和跨步電壓。故對(duì)110kV及以上變電站設(shè)計(jì)時(shí)至少要求接地電阻R≤0.5Ω。實(shí)際工程中，當(dāng)變電站面積確定后，影響接地電阻大小的關(guān)鍵因數(shù)就是土壤電阻率，有些變電站占地面積小、土壤電阻率高，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮降阻效果及技術(shù)方案便于實(shí)施，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理。

土壤電阻率是接地設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響接地裝置接地電阻的大小、接地電流的分布、地網(wǎng)電位分布、跨步電壓和接觸電勢(shì)。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，在土壤電阻率達(dá)到200～300Ωm時(shí)，對(duì)大型變電站，沿用常規(guī)復(fù)合地網(wǎng)設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不能滿足要求，必須分析、研究、建立新的概念，采用新方法以適應(yīng)發(fā)展的需要，從而達(dá)到運(yùn)行安全可靠，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。為了降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻，保證運(yùn)行人員及電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，工程中常采應(yīng)用自然接地體、引外接地深埋接地、井式或深鉆式接地極、深孔爆破、降阻劑法、人工改善土壤電阻率或應(yīng)用新型接地材料等方法。

實(shí)際項(xiàng)目中要求根據(jù)地勢(shì)情況采用對(duì)應(yīng)措施，應(yīng)用科學(xué)的降阻方案，經(jīng)過(guò)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，進(jìn)而獲取最好的降阻成效，盡可能地做到技術(shù)處于前沿，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，環(huán)境友好的狀態(tài)。

1、應(yīng)用自然接地體

自然接地體包含土地上有優(yōu)良接觸的各式金屬部件、金屬井管、混凝土結(jié)構(gòu)物中的鋼筋骨架以及埋設(shè)在地下的金屬管道與設(shè)備等。利用這些自然接地體，使專門敷設(shè)的接地帶連接作用得到加強(qiáng)，從而減小接地電阻，而且還可以起到引流、分流、均壓作用。變電站地網(wǎng)設(shè)計(jì)中要盡可能地應(yīng)用自然接地體來(lái)削減接地電阻。

2、引外接地、深埋接地

在高土壤電阻率地區(qū)，當(dāng)發(fā)電廠、變電站2000米以內(nèi)有較低土壤電阻率區(qū)域，能夠設(shè)計(jì)和主接地網(wǎng)相接的協(xié)助接地網(wǎng)或變電站周圍有池塘、低洼沼澤地等水源，可以設(shè)置水下接地網(wǎng)時(shí)，可敷設(shè)引外接地裝置，然后利用接地扁鋼與變電站地網(wǎng)相連達(dá)到削減接地電阻的目的。在設(shè)計(jì)引外接地時(shí)，應(yīng)考慮降阻的需要決定外延電網(wǎng)的大小，并考慮安全的需要決定引外接地網(wǎng)的網(wǎng)格布置、埋深和形狀。引外接地裝置要避開行人經(jīng)常走動(dòng)的地方以防止跨步電壓，埋深要達(dá)到1米以上，以便不影響田地的耕作使用和避免接地體遭到破壞。

架空線桿塔采用放射形接地極，在放射形接地極每根長(zhǎng)度的1.5倍范圍內(nèi)有較低土壤電阻率地帶時(shí)，可部分采用外引接地。

實(shí)際項(xiàng)目中要求依據(jù)變電站周圍土壤電阻率平行分布狀況來(lái)考慮是否引外接地，并不是每個(gè)項(xiàng)目都可以做引外接地的。此外，引外接地也需要征地，而且后期的運(yùn)行維護(hù)也不容易，所以需在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中考慮周全。

對(duì)于地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方，可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。地電阻率隨深度增加而減小的規(guī)律，往往在達(dá)到一定深度后，地電阻率會(huì)突然減小很多。因此利用大地性質(zhì)，深埋接地體后，使接地體深入到地電阻率低的地層中，通過(guò)小的地電阻率來(lái)達(dá)到減小接地電阻的目的。

3、井式或深鉆式接地極

當(dāng)變電站所在位置地下深層有較低土壤電阻率的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以采用深井式、深入鉆地式接地極或爆發(fā)式接地技術(shù)進(jìn)行降阻或構(gòu)成立體地網(wǎng)。深層土地電阻率不受外界環(huán)境的制約，穩(wěn)定性能好。尤其是在較深的地域出現(xiàn)地富水層或含有低電阻率物品（如金屬礦）時(shí)，降阻效果顯著。采用深井式接地極要求對(duì)接地裝置及其周圍測(cè)出垂直方向上的土壤電阻率均勻分布。采用深井式接地極可減少占地、接地裝置接地電阻受氣候影響較小，接地問(wèn)題在變電站內(nèi)解決，不涉及征地協(xié)調(diào)問(wèn)題，廣受電力系統(tǒng)的偏愛(ài)。對(duì)于占據(jù)地面很小的市內(nèi)變電站，常常采用長(zhǎng)垂直接地極綜合爆發(fā)式接地技術(shù)來(lái)降低變電站的接地電阻。

采用深井式接地極需要考慮屏蔽問(wèn)題，且對(duì)垂直接地極鋪排的形式、深度還有距離的遠(yuǎn)近，均需根據(jù)項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)狀況，整合分層土壤地質(zhì)情況確定，在設(shè)計(jì)中需要遵循以下原則：

（1）為了削減平行接地網(wǎng)與垂直接地極之間的屏蔽，進(jìn)而提升垂直接地極的應(yīng)用指數(shù)，深井接地極一般應(yīng)設(shè)在水平地網(wǎng)的邊緣，并且深井接地極之間的距離應(yīng)達(dá)到接地體長(zhǎng)度的2`3倍，才能取得良好的降阻效果。

（2）垂直接地極的數(shù)目和尺寸的挑選需要依據(jù)平行接地網(wǎng)電阻數(shù)值的高低、降阻需要及地質(zhì)結(jié)構(gòu)最終確定。同時(shí)需考慮兩點(diǎn)：一是垂直接地極數(shù)量并非越多降阻效果越好，當(dāng)接地極添加到一定數(shù)目時(shí)降阻效果會(huì)趨于飽和；二是尺寸過(guò)長(zhǎng)的垂直接地極其投資成本相對(duì)較高。深井式接地極的施工費(fèi)用往往大于水平接地施工費(fèi)用的若干倍。

（3）處于高土壤電阻率的區(qū)域，為了獲得優(yōu)良的降阻成效，選用壓強(qiáng)灌漿法把長(zhǎng)時(shí)間有效的接地降阻液澆注進(jìn)填埋好的垂直接地極井內(nèi)深處。假如變電站所在的地方深處是巖石層，仍能夠選用爆發(fā)式接地技術(shù)，把井內(nèi)深處的巖石爆破，進(jìn)而方便地讓降阻液順著裂隙滲透入，大幅度的削減接地電阻。

4、爆破法

爆破接地技術(shù)是通過(guò)爆破制裂，再用壓力機(jī)將低電阻率材料壓入爆破裂隙中，從而改善接地極周圍土壤的電阻率分布和散流性能，屬于大范圍的土壤改性。深井爆破接地極不但可以利用常規(guī)深井接地極降組的有利因素，而且利用人工爆破使使地下巖石產(chǎn)生裂縫，通過(guò)在裂縫中填充低電阻率材料，在地下較大范圍的巖石內(nèi)形成一個(gè)網(wǎng)狀、向外延伸的散流帶，降組效果更好明顯。

基本原理是：采用鉆孔機(jī)在地中垂直鉆直徑為100mm，深度為幾十米甚至上百米的孔，在孔中布置接地電極，然后沿孔整個(gè)深度隔一定距離安放一定量的炸藥進(jìn)行爆破，然后用壓力機(jī)將調(diào)成漿狀的降阻劑壓入深孔及爆破制裂產(chǎn)生的縫隙中，加強(qiáng)接地電極與土壤的接觸，等效增大了接地極的直徑，從而大幅度降低接地電阻。爆破法應(yīng)用在裂隙較多、土壤干燥或巖石地區(qū)。

5、運(yùn)用降阻劑

降阻劑由電解質(zhì)、防腐劑、固化劑、潤(rùn)滑劑及填充材料組成，通?？煞譃?大類：化學(xué)降阻劑和物理降阻劑。化學(xué)降阻劑原理是借助化合物的離子改善土壤的導(dǎo)電特性從而降低地網(wǎng)的接地電阻，有較強(qiáng)的時(shí)效性；物理降阻劑工作原理是借助其本身的低電阻率（主要材料為碳粉）在土壤中滲透，降低接地體與土壤間的接觸電阻，效果比較穩(wěn)定。

降阻劑的降阻成效在長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)過(guò)項(xiàng)目實(shí)施中得到了檢驗(yàn)，亦被現(xiàn)在的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推崇與應(yīng)用，其降阻原理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于降阻劑的擴(kuò)散和滲透作用，降低了地網(wǎng)周圍的土壤電阻率，在接地體四周組成一個(gè)改變平緩的電阻值較低的領(lǐng)域。

（2）等效增大接地極外形尺寸。接地體周圍施加降阻劑后，相當(dāng)于擴(kuò)大了接地體的有效截面，組成相當(dāng)大的電流傳遞面，這種原理對(duì)固體降阻劑和膨脹土類降阻劑最為明顯。

（3）消除接觸電阻。在接地極周圍敷設(shè)了降阻劑后，可以起到增大接地極外形尺寸，降低接觸電阻的作用。

（4）降阻劑的吸水性和保水性改善并保持土壤導(dǎo)電性能。

實(shí)際項(xiàng)目中，降阻劑的應(yīng)用在獲得了良好降阻效果同時(shí)，也存在一系列的問(wèn)題，表現(xiàn)在：降阻劑的腐蝕問(wèn)題、降阻效果問(wèn)題、降阻穩(wěn)定性及長(zhǎng)效問(wèn)題，還有對(duì)降阻劑對(duì)土壤下層地下水資源的污染等問(wèn)題。所以需要選擇電阻率數(shù)值較低、處于穩(wěn)定狀態(tài)與成效可以長(zhǎng)時(shí)間維持的、對(duì)鋼接地體的腐蝕率要低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、不含有毒物質(zhì)經(jīng)環(huán)保部門檢測(cè)通過(guò)的環(huán)境友好型的降阻劑，而且要求嚴(yán)格按照生產(chǎn)廠家說(shuō)明書上的說(shuō)明來(lái)使用和施工。

6、人工改善土壤電阻率

在高土壤電阻率地區(qū)應(yīng)用人工改善地電阻率方法，對(duì)于減小接地電阻有一定的效果。

（1）人工換土的方法

在接地體周圍1～4米范圍內(nèi)，換上比原來(lái)土壤電阻率小得多的土壤，可以用粘土、泥炭、黑土等，必要時(shí)可以使用焦炭粉和碎土炭。換土后，接地電阻可以減小到原來(lái)的2/3～2/5，這種方法，其土壤電阻率受外界壓力和溫度的影響變化較大，在地下水位高、水分滲入多的地區(qū)使用效果較好，但在石質(zhì)地層則難以取得較滿意效果。

（2）添加食鹽等人工處理方式

在接地體四周土壤中添加食鹽、煤渣、焦炭、爐灰等，提高土壤的導(dǎo)電效果，其中常用的方法是添加食鹽，因?yàn)槭雏}對(duì)改善土壤電阻系數(shù)的效果很好，且價(jià)格較低、受季節(jié)影響較小。對(duì)于扁鋼、圓鋼等水平接地體，用上述方法處理可以獲得很好的效果。但是，該方案也存在缺陷，就像對(duì)巖石還有含石較多的土壤效果不好，會(huì)削減接地體的穩(wěn)固性，增大接地體銹蝕速度，由于食鹽的溶解流失而讓接地電阻的慢慢變大。

7、應(yīng)用全新的接地材質(zhì)

（1）采用導(dǎo)電性能良好的接地材料

采用導(dǎo)電性能良好的接地材料可以降低接地體本身的電阻，加強(qiáng)散流從而達(dá)到降阻目的。例如采用銅質(zhì)材料、銅包鋼質(zhì)的材料等，但是此方法資金投入較高，通常用于市區(qū)變電站。

（2）采用電解離子接地系統(tǒng)

電解離子接地列系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱IEA。IEA能在土壤中提供大量的自由離子，從而有效解決接地問(wèn)題。IEA由先進(jìn)的陶瓷復(fù)合材料、合金電極、中性離子化合物組成，以確保提供穩(wěn)定、可靠的接地保護(hù)。其原理是將陶瓷合金化合物（固體）裝入有孔的銅管或銅合金管中，由于管內(nèi)含有電解離子化合物，每跟銅管就變成一個(gè)電解離子接地極。IEA的銅、銅合金管保證地極有較高的導(dǎo)電性能及較長(zhǎng)的使用壽命。IEA內(nèi)部特制的無(wú)毒電解離子化合物可以自動(dòng)釋放活性電解離子，能降低周圍土壤的電阻率，使土壤導(dǎo)電性能高，散流效果好，長(zhǎng)效發(fā)揮作用。IEA特制的回填料具有較好的膨脹性、吸水性及離子滲透性，使其與土壤有良好的接觸界面，不受周圍環(huán)境和氣候的影響，保持最佳的接地保護(hù)效果。該方案投資相對(duì)也是比較大的。

（3）采用新型接地材料

目前的新型降阻材料有降阻模塊、防腐離子接地體等。采用這種方法主要是考慮增強(qiáng)單個(gè)垂直接地體的降阻效果，優(yōu)勢(shì)在于施工量小、效果明顯，資金投入較前兩種小，近幾年使用相對(duì)較多。

二、結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)講，上述各種降阻方法都有其運(yùn)用的特定條件，應(yīng)針對(duì)不同的地區(qū)、不同的條件采用適當(dāng)?shù)姆椒?，同時(shí)各種方法也不是獨(dú)立的。對(duì)于采用何種降組措施，需要結(jié)合具體工程的接地電阻目標(biāo)值，對(duì)變電站周圍的地形、地勢(shì)進(jìn)行認(rèn)真的勘探測(cè)量，找出有利于降組的最佳條件，然后綜合幾種降阻措施的組合方案，如采用外引接地加降阻劑、深井接地加接地模塊、深井外引加降阻劑等，綜合計(jì)算分析比較各種方案的效果、費(fèi)用以及運(yùn)行維護(hù)是否方便來(lái)確定采取的降組措施。合理配合使用幾種降組措施往往能用最少的投資來(lái)獲得最佳的降組效果。

需要指出的是，變電站地網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，除接地電阻之外，接觸電壓和跨步電壓值都要求要復(fù)合規(guī)范的要求，故在接地網(wǎng)的邊緣經(jīng)常有人出入的走道處，應(yīng)鋪設(shè)礫石、瀝青路面或“帽檐式”均壓帶，以降低。在經(jīng)常有人出入的地方，要結(jié)合道路施工，采用高土壤電阻率路面結(jié)構(gòu)層作為安全措施。

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（作者單位：云南電網(wǎng)公司紅河供電局）