摘要：针对高土壤电阻率地区变电站接地系统的接地电阻很难满足规程要求的问题，结合工程实例讨论了变电站的接地网设计方法。采用先进的接地系统辅助设计工具——CDEGS软件包对高土壤电阻率变电站的接地系统进行设计，接地电阻、接触电位和跨步电位的计算结果证明，该设计方法行之有效。
关键词：高土壤电阻率；接地网；变电站
广州番禺110kV祈福变电站于2000年建成运行，位于高土壤电阻率的丘陵地区，是典型的郊区户外敞开式变电站，地网电阻值高达1.3Ω，严重威胁着设备安全运行。因此，必须进行工程改造。如何采取有效措施，使高土壤电阻率地区地网的接地电阻符合国家标准的规定，是摆在我们面前的重要课题。我们在参照以往工程设计、研究成果和经验的基础上，深入了解了当今世界接地系统设计的最新进展，综合考虑了现场的地理环境特点，采用当今世界上最先进的辅助设计工具进行了工程分析设计及对方案的充分论证，提供一套较完整的系统解决方案，付诸工程实践，达到了降低地网接地电阻的目的。
1.接地降阻技术
变电站接地降阻基本措施包括：扩大接地网面积、局部换土、利用自然接地体、引外接地、深井接地、采用降阻剂等。实际工程中应因地制宜，通过技术经济方案比较，采用合理的降阻方案，以获得最佳的降阻效果，力求做到技术先进，经济合理，环境友好。上述降阻措施中，扩大接地网面积需要征地，一方面不符合节约用地的国家政策，另一方面征地补偿费用高，不推荐使用；局部换土工程量大，资金投入高，一般不推荐使用，但当站区需要填方时，应考虑填方土壤对地网的影响，采用电阻率低、对金属接地体腐蚀率小的土壤。下面介绍几种工程中常用降阻措施：
1.1利用自然接地体
自然接地体包括与大地有良好接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土中的钢筋、埋地金属管道和设施等。变电站地网设计中应充分利用自然接地体来降低接地电阻，降阻效果明显，增加投资较少。利用自然接地体时，应采取防止转移电位引起危害的隔离措施。
1.2引外接地
在高土壤电阻率地区，当在变电站2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极。对某些变电站，站址内的土壤电阻率很高，站址附近如有池塘、洼地等电阻率低的地方，可在该区域设置与主接地网相连的辅助接地网，来降低接地电阻。实际工程中需要根据站址附近土壤电阻率水平分布实况来确定是否外引接地，并不是每个工程适合做引外接地。此外，引外接地需要征地并且维护不方便，需要在工程中全盘考虑。
1.3深井接地
当站址深层土壤电阻率较低时，可采用井式、深钻式接地极或采用爆破式接地技术。深层土壤电阻率不受外部条件影响，稳定性好。特别在较深处有含水层或含低电阻率物质的地方，散流效果好，降阻效果明显。对于占地小的城市变电站，扩大地网面积或外引接地往往有困难，通常采用长垂直接地极结合爆破接地技术来降低接地网的接地电阻。
图1Wenner方法测量的接线图
2.土壤真实电参数的获取
2.1现场测量不同间距下的土壤视在电阻率
为了得到该地区的土壤分层情况，我们分别于2018年7月、10月到该变电站站址进行了现场测量。我们所采用的是大家所熟知的Wenner方法。测量接线图如图1所示。
由于土壤分层的存在，导致以上测量得到的土壤电阻率并非某一层的真实电阻率，而是综合各种情况时的视在电阻率。
2.2土壤地质分层结构的分析
根据以上视在电阻率随测量极间距变化的关系，我们利用建立在电磁场散流理论基础上的土壤参数计算程序RESAP对以上数据进行了分析、计算。当用户输入由Wenner，Schumberger或任意电极布置方法测得的土壤视在电阻或电阻率后，RESAP程序就可给出与测量结果非常接近的土壤分层结构。但是这种计算需要比较深的理论基础以及较多的实际设计经验，因为这一程序需要人工干预才能够得到满意的结果。表1是由RESAP程序得到的土壤真实电阻率分层情况。
表1土壤分层结构
从表1计算结果可以看出:表层土壤电阻率比较大，中间层土壤电阻率相对较小(这是由于地下水所致)，而深层土壤电阻率相对较大(地下岩层起作用)。因此，我们不难发现，如果只是采用水平地网，短路电流的流散存在较大的电阻率层阻挡，适当深度的垂直极会对于降低接地电阻有较好效果。
3.接地系统降阻的可行性论证
针对施工现场具体的地形、地质条件，我们选择了几种基本可行的设计方案，分别进行分析计算。分析计算的主要辅助工具是CDEGS软件包中的MALT模块，它被广泛应用于电力系统接地网络分析和非屏蔽金属导体与管道的散流特性的研究。MALT可以根据电力系统发电厂、变电站、输电线路杆塔附近的土壤特性，建立起均匀的或水平、垂直、半球形的多层土壤结构模型。并以此模型为依据，分析计算出接地电阻、地电位升、接地系统土壤中任意点的电位和接触及跨步电压，以及邻近与主网不连接导体的感应电势分布。MALT的计算是建立在以下假设基础上的，即:所有的导体是非屏蔽的，相互连接的导体在工频范围内是等电位的。显然，这一假设在我们这里是满足的，由计算结果也可以看出这一点。根据湖南省电力勘测设计院提供的入地短路电流值约为16000A。
3.1原有地网方案论证
初步接地网的设计是按照变电所一般接地要求进行设计，覆盖区域为变电所所区，接地体的布置主要考虑设备接地。为MALT软件包计算提供初始数据。MALT计算中采用表1所示的多层土壤模型，水平接地体埋深为0.8m。经CDEGS计算，初始接地网接地电阻为1.49Ω，这一电阻率值不能达到0.5Ω的要求。计算得到，初始地网的最大跨步电位差为1891.1V，最大接触电位差为11008V。而CDEGS给出的接地网安全计算报告中，地面在不经绝缘处理的情况下，0.5s的故障时间时，跨步电位差安全值为984.3V，接触电位差安全值为369.1V；地面采用高阻瓷砖加强绝缘后（按湿态电阻率为3000Ω•m），跨步电位差安全值为2633.2V，接触电位差安全值为781.3V。
初始地网的跨步电位差不满足地面在不经绝缘处理情况下的安全限值，但是满足地面加强绝缘后的安全限值；而接触电位差则远不满足安全限值要求。因此，必须考虑其它设计方案进行降阻。如果仅仅采用增大接地网面积的设计方案，要想降低到规程要求的范围，几乎是不可能的。因此考虑向纵深发展的策略。同时，不难发现，如果只是采用水平地网，短路电流的流散存在较大的电阻率层阻挡，适当深度的垂直接地极会对于降低接地电阻有较好效果。
3.2接地系统改进方案
在不改变现有变电站设计面积的情况下，考虑用加设垂直接地极的措施来降低接地电阻，方案如下：垂直接地极采用的镀锌钢管外径为110mm，深60m，共4根。为了减小水平地网对垂直接地极的屏蔽作用，垂直接地极一般布置在水平地网的外围，与外围接地导体相连。垂直接地极半径取3.5m，用于模拟采用爆破接地技术施工的垂直接地极。此外由于土壤电阻率表层较深层大很多（5倍或更大），表层的厚度较深层小很多（1/5或更小），改进方案采用均匀间距地网。
与传统的浅埋接地极相比较，深井接地极的可行性及技术适用性主要表现在：已建的浅埋接地极在地层5m以内的高土壤电阻率环境，及受地下水位的影响排流困难，采用深井接地极可利用地层10m以下地下水层的导电性，有利于降低接地电阻，增大系统稳定性；采用深井接地极只需少量的接地极就能满足各种设备的接地要求，大大减少施工工程量；深井接地极从地层深处排流，可扩大充分保护设备范围，降低杂散电流干扰影响；深井接地极单井造价较高，但可大量减少浅埋接地极床数量和接地线布设。其性能稳定、长期有效，提高了供用电设备的安全性、可靠性、经济性。
深井接地极技术采用国内专利技术组合深井式接地极，参照国内采用相同技术路线的工程实绩和经验：深井接地极有效期为30年；单井接地电阻为0.2～0.8Ω。
单井组合式接地极接地电阻经典计算公式：
r=1.781欧拉常数；
e=2.718常数；
n-接地极个数；
a=土壤电阻率单位：Ω.m；
L-单个电极长度单位：m；
d-单个电极直径单位：m；
s-阳极间距单位：m；
Rn-组合式接地极接地电阻组成部分单位：m。
一般来说，采用的接地井深要达到或超过接地网面积的等效半径，为了避免屏蔽作用，距离不应小于井深的2倍；要事前调查所区和附近的土壤地质情况，特别是要查明地中土壤电阻率变化情况，如地中有低土壤电阻率层或含水层，则具备深井接地的条件，反之，采用深井接地意义不大；因超深井接地施工费用昂贵，采用时一定要慎重，要与其他措施进行技术经济比较，条件不具备不宜采用。
采用设置接地深井及填充无腐蚀型的物理性降阻剂等措施进行降阻，实测接地网接地电阻为0.42Ω，最大跨步电位差为765.4V，接粗电压差为342.8V，复合主接地网接地电阻满足≤0.5Ω的要求。
3.3对高地电位升采取的保护措施
为防止转移电位引起的危害，必须采取相应措施。例如，从变电站引出的低压电源线采用架空线，其中性点不在站内接地，改在用户侧接地；通向站外的地下管道采用绝缘段；改用光缆通信，避免将站外低电位引入站内等。某些电缆的3s工频耐压可>20kV。换用绝缘水平高的电缆，可有效防止电缆的击穿。在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜接地带，铜接地带与地网良好连接，能减小流过电缆外皮的电流及电缆芯皮间的反击过电压。由于R设计值大大提高，地网造价明显减少。设备保护投入的费用虽有增加，但工程总造价有效降低，该方案已在现场采用。
结论
高土壤电阻率地区变电站常用接地降阻措施有：利用自然接地体、引外接地、深井接地、采用降阻剂等。应针对不同地区、不同条件采用不同的方法，并相互配合使用，以获得明显的降阻效果。降阻方法的应用效果宜结合接地系统的数值计算进行分析，并通过技术经济方案比较，选择最佳降阻方案。需要指出，变电站地网设计中，除接地电阻外，接触电位差及跨步电位差均应符合规范要求，当不满足要求时，应采取降低措施或采取提高允许值的措施，如局部增设水平均压带或垂直接地体及铺设砾石地面或沥青地面等。
参考文献
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论文作者:方丽娟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：电阻率论文; 土壤论文; 电阻论文; 变电站论文; 深井论文; 电位差论文; 地网论文; 《电力设备》2019年第6期论文;