商 華，馬秋良

（1.河北省電力公司滄州供電分公司，河北省滄州市永濟(jì)西路21號(hào) 061001；2.華北油田第三采油廠監(jiān)測(cè)大隊(duì)，河北省河間市曙光東路 062450）

接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中如果考慮不全面、施工不精細(xì)、測(cè)試不準(zhǔn)確、接地電阻不合格等原因，則可能造成接地系統(tǒng)電位分布不均，局部電位超過規(guī)定的安全值，造成高電壓、大電流竄入直流系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、擊穿保護(hù)二次電纜致使保護(hù)設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)，還可能因反擊對(duì)低壓或二次設(shè)備以及電纜絕緣造成損壞，釀成事故，甚至是擴(kuò)大事故，由此帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，故接地網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到非常重要的作用。為了達(dá)到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的，必須使接地裝置的接地電阻達(dá)到較低的值，確保短路電流及雷電流的安全擴(kuò)散，對(duì)于變電站接地裝置，在工頻對(duì)地短路時(shí)，要保證流過接地網(wǎng)的電流I在地網(wǎng)上造成的電位升高不致太大，還應(yīng)該保證變電站人員的跨步電壓和接觸電壓不超過運(yùn)行值的要求。

從保證安全出發(fā)，在中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中，要求接地裝置的接地電阻R應(yīng)滿足：IR≤2000 V（其中I為入地短路電流，R為接地電阻）。由于接地體的電抗相對(duì)于電阻來說通?？珊雎圆挥?jì)，因此其阻抗通常用電阻來表示，對(duì)于低于0.5Ω的大型接地網(wǎng)，以及用于沖擊或脈沖電流的接地裝置應(yīng)用阻抗表示。如果土壤電阻率太高，允許將R值提高到R≤5Ω，在這種情況下必須校驗(yàn)人身和設(shè)備安全。

變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案、接地導(dǎo)體和接地極材質(zhì)的選用等應(yīng)因地制宜。變電站接地網(wǎng)除應(yīng)利用自然接地極外，應(yīng)敷設(shè)以水平接地極為主的人工接地網(wǎng)，接地網(wǎng)均壓帶采用等間距或不等間距布置，有效接地系統(tǒng)中，變電站接地網(wǎng)在發(fā)生接地故障后地電位升高超過2 000 V時(shí)，接地網(wǎng)及有關(guān)電氣裝置應(yīng)符合：保護(hù)接地接至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器的低壓側(cè)采用TN系統(tǒng)，且低壓電氣裝置應(yīng)采用保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)接地系統(tǒng)；采用扁銅或銅絞線與二次電纜屏蔽層并聯(lián)敷設(shè)，扁銅較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)多點(diǎn)與接地網(wǎng)連接；評(píng)估計(jì)入短路電流非周期分量的接地網(wǎng)電位升高條件下，變電站10 k V金屬氧化物避雷器吸收能量的安全性；還應(yīng)驗(yàn)算接觸電位差和跨步電位差，并應(yīng)通過實(shí)測(cè)加以驗(yàn)證。

1 接地材料的選擇

1.1 地址勘測(cè)資料

在《國(guó)貿(mào)城110 k V輸變電工程巖土工程勘測(cè)報(bào)告》中提到：根據(jù)本次勘測(cè)成果，擬建場(chǎng)地20 m深度范圍內(nèi)未見地下水位。由于地下水埋藏較深，可不考慮地下水對(duì)地基基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)施工的影響。根據(jù)本次勘測(cè)結(jié)果及附近已有工程資料，地基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性，擬建站址區(qū)場(chǎng)地土壤標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.6 m。

1.2 接地材料選擇的注意事項(xiàng)

在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，在測(cè)量土壤電阻率的同時(shí)，應(yīng)該測(cè)量該土壤對(duì)銅、鋼和鍍鋅鋼的腐蝕速率，并按預(yù)期內(nèi)則使用年限，考慮一定的裕度系數(shù)，計(jì)算按腐蝕要求所選擇的導(dǎo)體截面積，然后與按熱穩(wěn)定要求所選擇的導(dǎo)體截面積相比較，取二者較大者作為設(shè)計(jì)值。布置接地網(wǎng)時(shí)，盡量避免將電極電位差較大的金屬導(dǎo)體相連接或靠近，以減小腐蝕速率。

對(duì)接地體的選擇應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)的全面分析比較。目前世界上普遍采用的接地網(wǎng)導(dǎo)體是銅和鋼兩種，以前國(guó)外大多采用銅接地網(wǎng)。銅抗腐蝕能力強(qiáng)，但與接地網(wǎng)連接或相鄰的設(shè)備外殼、架構(gòu)基礎(chǔ)、電纜皮等都是鋼鐵或鉛做成的，它們會(huì)與銅構(gòu)成原電池，加速腐蝕?？紤]到未鍍鋅的鋼鐵在土壤中的腐蝕率為銅的4～5倍，而鍍鋅鋼的腐蝕速率一般為銅的1～2倍(但腐蝕嚴(yán)重的地區(qū)的鋼和鍍鋅鋼接地材料的腐蝕要比銅嚴(yán)重的多)，目前，我國(guó)一般采用鍍鋅鋼做接地材料。但從美國(guó)等多年來銅接地導(dǎo)體的運(yùn)行情況看，由銅接地導(dǎo)體引起的附近鋼筋基礎(chǔ)的腐蝕問題并不突出，加之銅接地網(wǎng)基本可以做到免維護(hù)，因此銅接地材料一次建設(shè)投資高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來說，采用銅接地材料比鋼材料優(yōu)。

1.3 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的一些規(guī)程規(guī)定

國(guó)貿(mào)城110 kV變電工程的方案是國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)計(jì)A3-3方案，即變壓器布置于室外，其它設(shè)備均布置于綜合配電樓內(nèi)，按照國(guó)家電網(wǎng)公司《變電站全壽命周期設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》中要求，接地材料的選型要充分考慮土壤的腐蝕狀況，戶內(nèi)變電站的接地材料與建筑物使用壽命相匹配。在《河北省電力公司輸變電工程提高設(shè)計(jì)使用壽命實(shí)施方案(試行)》中規(guī)定戶內(nèi)、半戶內(nèi)變電站選用銅質(zhì)接地材料，使用壽命按60年設(shè)計(jì)，選用銅覆鋼接地材料時(shí)，應(yīng)結(jié)合站址土壤特點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算分析，合理選擇銅覆鋼截面和銅層厚度。

以腐蝕深度表示的腐蝕率就是在單位時(shí)間內(nèi)被腐蝕金屬的厚度變化。以工程觀點(diǎn)看，腐蝕深度的程度，可用來預(yù)測(cè)接地體的使用壽命，因?yàn)榻拥伢w腐蝕到一定深度后，流過短路電流時(shí)，在電動(dòng)力的作用下可能發(fā)生斷裂，影響故障電流的散流，造成事故。這種腐蝕率表示方法能直觀地反映出全面腐蝕的嚴(yán)重程度，具有更大的實(shí)際意義。其腐蝕率表示為:

式中:KH為深度腐蝕率，mm/a;KW為腐蝕率，g/(cm2·h);d為金屬密度，g/cm3;W1，W2為腐蝕前后金屬的質(zhì)量，g;S被腐蝕金屬的面積，cm2;t為腐蝕時(shí)間，h。

查閱國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》(Q/GDW 446-2010)，參考美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局在1910～1955年間所做的土壤埋置試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，銅的腐蝕速率為0.001 mm/a，對(duì)于電化學(xué)加速腐蝕速度試驗(yàn)，銅覆鋼在不同土壤中的腐蝕速度參考，對(duì)于弱腐蝕的土壤中，電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果中，對(duì)于采用冷拉銅包鋼的化學(xué)測(cè)試的腐蝕速度為0.003 mm/a，對(duì)于采用水平連鑄銅包鋼的的化學(xué)測(cè)試的腐蝕速度為0.013 mm/a。在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“各類型的銅覆鋼銅層厚度不應(yīng)低于0.25 mm”。

為了比較各種金屬的耐腐蝕性能和選材上方便，根據(jù)金屬腐蝕率的大小，可以將金屬材料的耐腐蝕性能分成為若干等級(jí)，但目前國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)金屬耐腐蝕性能的四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 我國(guó)金屬耐腐蝕性能的四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于目前工藝限制，套管冷拉銅覆鋼產(chǎn)品易出現(xiàn)銅層不連續(xù)，影響接地裝置使用壽命，本工程站址的土壤腐蝕性為微腐蝕，因此在本工程中擬選用CCSLZ30-40×4做為接地材料，以上述腐蝕速度為依據(jù)，選用銅覆鋼銅層為0.25 mm，經(jīng)計(jì)算，銅層腐蝕需要60多年，超出《河北省電力公司輸變電工程提高設(shè)計(jì)使用壽命實(shí)施方案(試行)》中的要求。

2 銅覆鋼接地材料的截面選擇

2.1 計(jì)算

由國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 466-2010得知，故障電流試驗(yàn)中10 s融化電流的計(jì)算公式為:

式中:I為電流的有效值，kA;A為導(dǎo)體橫截面積，mm2;Tm為允許的最高溫度，銅覆鋼取1 084℃;Ta為環(huán)境溫度，一般取40℃;αr為參考溫度為Tr時(shí)的電阻溫度系數(shù)，一般取20℃的電阻溫度系數(shù)，銅覆鋼為0.00378/℃;ρr為參考溫度為Tr時(shí)的電阻率，取20℃電阻率，μΩ·cm;K0為1/α0或1/α20，銅覆鋼取245℃;tc為通電時(shí)間，s;TACP為熱容系數(shù)，銅覆鋼為3.846J/(cm3·℃)。

I為故障電流的有效值，短路計(jì)算中流經(jīng)本站接地裝置的電流為7.8 kA，由上述數(shù)據(jù)計(jì)算出導(dǎo)體的橫截面積:A=150 mm2，本工程初步設(shè)計(jì)選用截面為160 mm2，滿足上述要求。

2.2 確定接地材料的截面

按照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50065-2011)的規(guī)定，計(jì)及腐蝕影響后，接地裝置的設(shè)計(jì)使用年限，應(yīng)與地面工程的設(shè)計(jì)使用年限相當(dāng)，接地裝置的防腐蝕設(shè)計(jì)，宜按當(dāng)?shù)氐母g數(shù)據(jù)進(jìn)行，在腐蝕較嚴(yán)重地區(qū)，敷設(shè)在電纜溝中的接地線和敷設(shè)在屋內(nèi)或地面上的接地線，宜采用熱鍍鋅，對(duì)埋入地下的接地極宜采取適合當(dāng)?shù)貤l件的防腐蝕措施。接地線與接地極之間的焊接點(diǎn)，應(yīng)涂防腐材料。

本工程資料未提供當(dāng)?shù)氐母g數(shù)據(jù)，從本工程的《工程勘測(cè)報(bào)告》中提供數(shù)據(jù)知，站址所處位置為弱腐蝕性，土壤電阻率為106Ω·m，參照國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 466-2010的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本站接地網(wǎng)地下部分選用CCSLZ30-40×4銅覆鋼材料，地上部分選用60×6鍍鋅扁鋼。

3 接地電阻的計(jì)算

3.1 本變電站允許的接地電阻值

《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，在有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)中，接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)滿足R≤2000/IG(IG是接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值)，經(jīng)計(jì)算:R≤0.26Ω。

3.2 接地網(wǎng)的接地電阻值計(jì)算

本次初步設(shè)計(jì)中，國(guó)貿(mào)城110 kV變電站的圍墻尺寸為:65 m(長(zhǎng))×35 m(寬)，本變電站的接地網(wǎng)是以水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)，人工接地網(wǎng)的外緣閉合，外緣各角應(yīng)做成圓弧形，圓弧的半徑不小于均壓帶間距的一半，接地網(wǎng)內(nèi)敷設(shè)水平均壓帶，埋設(shè)于凍土層以下。本站水平接地極擬采用-40×4銅覆鋼排，垂直接地極采用?20，長(zhǎng)2.5 m銅覆鋼棒，整個(gè)接地網(wǎng)敷設(shè)在距地面以下0.8 m。依據(jù)本站站址處的設(shè)計(jì)標(biāo)高，需墊土2.5 m，所墊土壤為粉質(zhì)粘土，《國(guó)貿(mào)城110 kV輸變電工程巖土工程勘測(cè)報(bào)告》中在層底埋深1.50～3.00 m處為新近沉積黃土狀粉質(zhì)粘土，層厚一般為1.50～3.00 m，這樣與所墊土質(zhì)相同，在接地網(wǎng)鋪設(shè)的地方為均勻土壤，不存在分層。接地網(wǎng)接地電阻的計(jì)算按照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求進(jìn)行，經(jīng)計(jì)算接地網(wǎng)的接地電阻為0.97Ω，大于規(guī)范要求中的接地電阻。

2.3 接觸電壓及跨步電壓的計(jì)算

1)允許的接觸電壓及跨步電壓。110 kV及以上有效接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地時(shí)，變電站接地網(wǎng)的接觸電位差和跨步電位差不應(yīng)超過由《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式計(jì)算所得的數(shù)值，經(jīng)計(jì)算本變電站接觸電位差允許值為349 V，跨步電位差允許值為453 V。

2)計(jì)算的接觸電壓及跨步電壓。本站接地網(wǎng)是按照均壓帶非等間距布置進(jìn)行接地網(wǎng)地表面的最大接觸電位差和最大跨步電位差進(jìn)行計(jì)算的。經(jīng)計(jì)算本站最大接觸電勢(shì)和最大跨步電壓值分別為227 V、449 V，接觸電勢(shì)和跨步電壓均滿足要求，不需采取特別措施。

2.4 選用接地材料的熱穩(wěn)定計(jì)算

按照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定:在有效接地系統(tǒng)及低電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)電廠、變電站電氣裝置中電氣設(shè)備接地線的截面應(yīng)按接地短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

本計(jì)算按照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》及《電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件》進(jìn)行，銅覆鋼的熱穩(wěn)定系數(shù)是基于700℃的取值。

本工程的接地材料為:地下部分采用30%導(dǎo)電率，截面為40×4的銅覆鋼，地上部分采用60×6的鍍鋅扁鋼，經(jīng)校驗(yàn)，銅覆鋼材料截面大于81 mm2，鍍鋅扁鋼材料截面大于167mm2即可，本工程選用的材料均滿足要求。

2.5 校驗(yàn)變電站內(nèi)的3～10 kV閥式避雷器

本站內(nèi)10 kV避雷器按通用設(shè)備選型，10 kV側(cè)配置YH5WZ-17/45型氧化鋅避雷器，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 10 kV氧化鋅避雷器主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)校驗(yàn)變電站內(nèi)的3～10kV閥式避雷器不動(dòng)作，不需考慮降阻措施。

4 經(jīng)濟(jì)比較

國(guó)家電網(wǎng)公司基建設(shè)計(jì)【2012】136號(hào)文規(guī)定:變電站接地裝置的全壽命周期按60年考慮，一般堿性地區(qū)(pH＞7，土壤電阻率＞20Ω·m)銅覆鋼與熱鍍鋅鋼、銅的全壽命周期經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，其中熱鍍鋅鋼的一次性壽命按照15年(根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，一般腐蝕性區(qū)域熱鍍鋅鋼使用10～15年后，腐蝕嚴(yán)重需開挖檢修或重新鋪設(shè)，因此，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析選取15年計(jì)算)，銅覆鋼和銅按60年計(jì)算。表3為熱鍍鋅鋼、銅覆鋼、銅使用項(xiàng)目對(duì)比表。

表3 熱鍍鋅鋼、銅覆鋼、銅使用項(xiàng)目對(duì)比

由表3得知，使用銅覆鋼全壽命周期的材料費(fèi)，與鍍鋅鋼相比可節(jié)省47%以上，相同的設(shè)計(jì)壽命下，與銅相比可節(jié)省20%左右。與熱鍍鋅相比，使用銅覆鋼接地網(wǎng)，不僅設(shè)計(jì)壽命提高，全壽命周期材料費(fèi)降低，而且大幅減少了接地網(wǎng)開挖檢修的次數(shù)和維護(hù)費(fèi)用，隱形的全壽命周期經(jīng)濟(jì)性更大;與銅相比，使用銅覆鋼不僅全壽命周期經(jīng)濟(jì)性好，而且節(jié)約了戰(zhàn)略性銅材，銅覆鋼是變電站接地網(wǎng)理想的資源節(jié)約型材料。

5 結(jié)束語(yǔ)

變電站接地裝置的腐蝕以至接地電阻的變化是不可避免的，分析研究土壤電化學(xué)性能和腐蝕狀況，采取相應(yīng)的對(duì)策措施是行之有效的。城市變電站正向小型化發(fā)展，但是接地網(wǎng)面積減小，使接地電阻偏大，系統(tǒng)短路電流增大，使接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)升高，這些將影響安全，需引起重視。接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)要根據(jù)區(qū)域的地質(zhì)條件，以最高性能價(jià)格比來設(shè)計(jì)其接地網(wǎng)，同時(shí)應(yīng)采用新技術(shù)和新材料。接地技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)，故在今后的工作中去研究，在實(shí)踐中不斷探索，以使其更加趨于完善，保證變電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，建議如下:一是強(qiáng)管理，對(duì)主網(wǎng)系統(tǒng)的地網(wǎng)狀態(tài)定期分析研究;二是對(duì)土壤特性加以分析研究，加強(qiáng)運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)和控制;三是選擇合適的接地材料，重要樞紐站建議采用銅地網(wǎng)結(jié)構(gòu);四是改善施工工藝，改進(jìn)接地裝置的結(jié)構(gòu)布置。

［1］ 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，2008.

［2］ 解廣潤(rùn).電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，1985.

［3］ 國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 466-2010電氣工程接地用銅覆鋼技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［4］ 李景祿，胡毅.實(shí)用電力接地技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.