摘要：由于城市用地日益紧张，城市变电站大多设计为户内变电站，占地面积较小；在土壤电阻率较大的地区，为满足规范对接地电阻的要求，可采用双层水平接地网和深钻式垂直接地极，并尽可能利用自然接地体，以达到减小接地电阻的目的。
关键词：城市变电站；接地电阻；接地网；设计
随着城市的发展，城市电网建设步伐加快，越来越多的城市中心变电站正在规划和建设。城市中心变电站的建设必须满足环境的要求，如对周围不能造成噪声和电磁污染，另外减少变电站的占地也是城市变电站的主要目标。为此城市中心变电站一般采用全户内布置方式，220kV、110kV配电装置采用GIS，10kV或35kV采用开关柜；主变压器、GIS、开关柜和其他所有的电气设备全部布置在配电楼内。城市户内变电站围墙内占地面积远小于普通户外AIS或GIS变电站，变电站占地面积的减小大大增加了接地网设计的难度。
1 规范对接地电阻的规定
1.1根据《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）的规定，有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻宜符合下列要求：
（1）一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式要求：
R≤2000/I
式中：
R――考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω；
I――计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。
（2）当接地装置的接地电阻不符合上述要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5Ω，且应符合如下要求：为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向厂、所外或将低电位引向厂、所内的设施，应采取隔离措施；考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂、变电所内的3kV～10kV阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋与的能量；设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。
1.2根据《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596―2005）的规定，有效接地系统的电力设备的接地电阻要求为：
R≤2000/I或R≤0.5Ω（当I>4000A）
该规程另外说明，在高土壤电阻率地区，接地电阻如按规定值要求，在技术经济上极不合理时，允许有较大的数值。但必须采取措施以保证发生接地短路时，在该接地网上：接触电压和跨步电压均不超过允许的数值；不发生高电位引外和低电位引内；3kV～10kV阀式避雷器不动作。
显然，上面两个规程对于接地电阻的规定，《电力设备预防性试验规程》更为严格；一些供电公司也习惯将0.5Ω作为变电站接地电阻的要求值；因此，在工程设计中，在条件允许的情况下，一般接地电阻按不超过0.5Ω进行设计，并按照规范的规定对R≤2000/I是否满足进行核算，如不满足则应验算接触电位差和跨步电位差，并采取隔离措施。
2 降低户内站接地电阻的措施
理论上，变电站的接地电阻与土壤电阻率成正比，与接地网面积的开方成反比。由于户内站占地面积较小，当变电站站址范围内土壤电阻率较大时，采用常规方法设计的接地网接地电阻通常是不能满足要求的，必须采取措施降低接地电阻。通常采用以下几种方法：（1）当在发电厂、变电所2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极；（2）当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用井式或深钻式接地极；（3）填充电阻率较低的物质或降阻剂；（4）敷设水下接地网。对于城市变电站，由于周围环境的限制，做引外接地极和敷设水下地网均不大可能。填充电阻率较低的物质或降阻剂工程量大，费用较高，且降阻剂容易产生污染，如果地下水源较浅，也不宜采用。城市变通常地下较深处土壤电阻率较低，因此采用深钻接地极是比较好的方法。我公司曾进行过多个户内变电站的设计，在户内变电站接地设计上总结了一些经验，有以下方面：
2.1采用双层水平接地网。常规变电站仅在-0.8m设置一层水平地网，而-0.8m层土壤电阻率一般较高，最高达到数百Ω・ m，因此该层地网接地电阻较大。可在配电楼条基上方（高度约-3m～5m）另外做一层地网并与-0.8m地网相连；为节省工程量，地网的外延可基本等同于条基的外延；如变电站有2栋配电楼，须将两栋楼条基上方的地网相连。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆采用这种做法，如果地下较深处土壤电阻率较小，则深层地网的接地电阻会远小于-0.8m层地网，而两者有并联的关系，因此总的接地电阻会大大降低。
2.2采用深钻式垂直接地极。单根垂直接地极的接地电阻计算公式为：Rv=ρ/2πL（ln8L/d-1）其中：Rv表示垂直接地极的接地电阻，ρ表示土壤电阻率，L表示垂直接地极的长度，d表示接地极用圆钢时，圆钢的直径。从公式可看出，单根接地极的接地电阻随着接地极长度的增加而减小；目前常用的垂直接地极长度可达10m（由几段连接而成），单根接地极电阻不大于5Ω。可在较深的地网周围打上多根10m和2.5m的垂直接地极，有助于减小地网的接地电阻和增加短路电流的泄流能力。
2.3充分利用自然接地体。如果配电楼的基础需要打桩，由于桩底会深入到地下较深处，可能会触及地下水源，可在桩顶将桩内的钢筋引出与接地网连接，起到降阻的作用。室内站的出线通常为电缆，并在电缆隧道中引出，将电缆隧道底部沿隧道敷设的接地体连接至变电站接地网，由于隧道较长，也可以起到散流和降阻的作用。但是在利用从站内引向站外的金属管道（如排水管）时应注意校验接触电压，如不满足要求则不应与接地网相连，并应采取隔离措施。
下面以我公司设计的某220kV城市户内变电站为例来说明采取以上措施降低接地电阻取得的效果。该220kV变电站按-0.8m和-4.4m双层地网设计，并在-4.4m层地网处另外增加了12根10m长的垂直接地极。-0.8m和-4.4m层土壤电阻率分别为308Ω・m和124.6Ω・m，大于-10m处土壤电阻率为36.1Ω・m（以上均已考虑季节系数）。经计算-0.8m水平地网接地电阻为2.36Ω，-4.4m水平地网接地电阻为1.05Ω，12根10m长垂直接地体接地电阻为0.49Ω，全站水平及垂直接地极复合接地电阻为0.366Ω，满足规范要求。
3 接地材料的选择
目前常用的接地网材料主要为扁钢、铜材及镀铜钢，三种材料各有优势。
3.1导电性能。温度为20℃时，铜的电阻率为0.0179Ω・m，钢的电阻率为0.1390Ω・m，30%镀铜钢的导电率为铜的30%。由此可见，铜接地体的导电性能最好，镀铜钢次之。
3.2热稳定性。铜的熔点为1083℃，短路时最高允许温度为450℃；钢的熔点为1510℃，短路时最高允许温度为400℃；镀铜钢的熔点为1084℃，短路时最高允许温度为450℃。在接地体截面相同时，铜材热稳定性最好，镀铜钢次之。
3.3耐腐蚀性。接地网在土壤中敷设时，土壤对接地网存在着腐蚀。在接地网设计中，土壤的腐蚀是必须考虑的问题。腐蚀是由于环境的作用而导致的金属物质的变质。土壤中存在着水分、可溶解的金属盐和细菌，具有腐蚀性。特别是低电阻率的土壤，具有高腐蚀性的趋势。接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，在多数情况下，这两种腐蚀同时存在，铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10～1/50。为了减少钢材受腐蚀的影响，在目前以钢材作为主接地网的变电站中，常用的在钢表面镀锌处理等方法，缓解了腐蚀的影响，镀锌钢的耐腐蚀性比钢材提高了3～15倍，热镀锌扁钢腐蚀速率一般可按0.065mm/年考虑，而铜接地网可几乎不考虑腐蚀的影响。
3.4经济性。接地网的总投资包括材料费及现场施工费。铜的材料费最高，镀铜钢次之，扁钢材料费最低。现场施工费包括安装费及人工费，采用铜和镀铜钢的现场施工费差别不大，但高于采用扁钢的现场施工费。根据我公司以往工程经验，采用铜接地网总投资大致为采用镀锌扁钢接地网投资的2.5～3倍。采用镀铜钢比采用铜接地网投资可节省约20%。
对于城市户内变电站，考虑其接地网腐蚀后难以更换，主接地网一般不采用扁钢；以往工程一般选择铜排或铜绞线，如考虑施工的方便，铜绞线更优于铜排。近年来随着镀铜钢材料的出现和工艺水平的提高，由于其价格优势，镀铜钢材料也被广泛采用。在户内变电站配电间内部的接地环网，考虑室内环境较好，腐蚀较小，可以采用扁钢，节省材料费用。
结语
本文对城市户内变电站接地网的设计进行了研究，认为城市变由于占地面积小，接地电阻值通常较大，难以满足规范要求；为降低接地电阻，可采用双层水平接地网和深钻式垂直接地极，并尽可能利用自然接地体；接地体的材料宜选择铜材或镀铜钢，具有导电性能和热稳定性好，抗腐蚀能力强的优点。
参考文献：
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[2]刘耀锋，吴宁，印吉景.220kV全户内变电站设计相关问题探讨[J].电力自动化设备，2010（12）.
[3]张龙骧，邱新刚.谈220kV全户内变电站土建设计相关问题[J].山西建筑，2012（18）.
论文作者:吴伟伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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