降低变电站接地电阻方法探讨

摘要： 本文从110kV变电站工程施工的实际情况出发, 分析了变电站降低接地电阻的方法, 以供同行参考。

关键词：110KV变电站；降阻； 施工

1 ．前言

随着电力系统电压等级的不断提高和系统容量的不断增大，系统接地故障电流也不断增大，为保证电力系统的安全可靠运行，要求接地网的目标电阻值也越来越小（如上海电网规定 110KV 变电所接地电阻要求小于 0.1Ω）。然而，变电所一般都建在山包或其它土壤电阻率较高的地区，此外，市区的变电所也已逐渐向 GIS 发展。 GIS 的占地面积非常小，如何合理采用降阻剂、采用深井压力灌注接地、爆破接地、外引接地、离子型接地电极等措施，使占地面积较小的变电所的接地电阻达到规程要求（接地电阻≤ 2000/Ⅰ），以及如何在地质条件差（如：多石山区或者干旱地区）、土壤电阻率较高的地区，经济有效地降低地网的接地电阻，改善地表电位分布就成为大家非常关心的问题，也是摆在设计工程师面前的重要课题。本文在参阅大量文献资料基础上，结合惠州某 110kV 变电站接地系统的实施，对该领域中的一些热点研究问题进行分析。

2 ．接地电阻

2 .1 接地电阻的估算与测量方法

变电站接地网的接地电阻要满足要求，首先要了解当地包括土壤条件、降水条件在内的诸多因素，针对工程条件，如施工允许面积、工程量等，合理选择接地材料和设计接地网系统，计算接地电阻。接地电阻通常由以下三部分组成： ① 接地装置本身的金属电极电阻； ② 接地装置与土壤之间的接触电阻； ③ 接地装置经土壤向外扩散的流散电阻。对于散流电阻，文献［ l ］给出了一个计算的参考模型。假设接地装置为掩埋在地表面的一个金属半球体，则其散流电阻池为：

（1）

式中： p 。为土壤电阻率， r 1为半球体半径。由式（ l ）可知，除了土壤电阻率，对于不同的电极形状、不同的覆土方式，其散流电阻都会发生变化。文献 [2］采用基于场路结合方法开发的接地网接地参数数值计算软件分析了接地网的接地阴．抗与接地电阻的差异。结果表明，接地电阻的概念只适用于小型接地网；随着接地网占地面积的加大以及土壤电阻率的降低，接地阻抗中感性分量作用越来越大，大型地网应采用接地阻抗设计。接地电阻计算非常复杂，工程应用中通常采用直接测量方法。

接地电阻测量方法常用有三极法、四极法、变频测量法、异频测量法、多电极布置法等。其中多电极布置法是在接地极四周布置多个电流极，以使电流场地面地位分布及测量电阻值更接近于真实值，测量误差更小。在选择变电站接地网接地电阻测量方法时，应综合考虑各方面的影响因素，选取适当的测量方法，并采取措施以减少各个环节的测量误差。

2．2 降低接地电阻的方法

为了降低接地装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行，可以从物理和化学两个方面入手进行考虑。

物理方法降阻主要有： ① 更换土壤。采用电阻率较低的土壤（如：粘土、黑土及砂质粘土等）替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围 0 . 5m 以内。 ② 深埋接地极。当深处土壤电阻率较低或有水时，可采取该方法来降低接地电阻，尤其是对含砂土壤，效果明显； ③ 伸长水平接地体。如果附近有导电良好土壤、河流和湖泊等可采用该方法，但延伸达到一定长度后，即便再增加接地体长度，接地电阻也不再明显下降； ④ 三维立体接地网；爆破接地；深孔压力灌注。

化学方法降阻主要有：①人工处理土壤。在接地体周围土壤中加入某种化学物质，如：食盐、木炭、炉灰、氮肥渣、电石渣、石灰等，提高接地体周围土壤的导电性。② 使用特殊降阻剂 。将降电阻剂施于金属接地体周围，降阻剂分为化学降阻剂和物理降阻剂，现在广泛接受的是物理降阻剂。 ③ 使用高导活性离子接地单元。

上述每种方法都有其适用的范围，在实际的接地工程中，应根据现场的实际情况，综合采用。在城市中，考虑直接扩大变电站接地网面积往往受站区四周场地的限制，特别是城市户内变电站布点困难，周围常有住宅、公建等设施。此时，可优先考虑深孔压力灌注接地。深孔压力灌注采用深井式垂直伸长接地装置，是在水平地网的基础上向大地纵深寻求扩大接地网面积，在垂直方向加大地网尺寸，与水平接地网相连，形成立体地网。它具有以下 3 个特点： ① 地中深层接地电阻稳定，不受季节变化； ② 散流能力强，特别是对高频雷电流作用明显； ③ 金属材料不易氧化等，故逐渐被广泛应用。

3 ．深孔压力灌注接地

3.1单根垂直接地极

单根垂直接地极插入均匀电阻率的土壤时，其上流过的绝大部分电流分布在直接围绕接地极的土壤层中。因此可以认为每条电流线都是从接地极出发垂直其表面，并在电场的作用下，以半球形向低阻抗土壤中扩散。这样，在接地极四周形成了一散流通道，其散流值取决于该通道的接地电阻值，单根垂直接地极的接地电阻 R 为[34］ :

（2）

式中：ρ为土壤电阻率， Ω•m;L 为垂直接地极长度， m； d为接地极直径，m。

单根接地体采用深孔分层压力灌注法，是在单孔成孔时，现场了解孔中的分层情况和岩石破碎情况，计算出孔隙率，再根据所需接地电阻值考虑所需压力的作用下降阻剂的填充范围。

降阻剂注入接地极时呈液态，具有很强的渗透性，渗透到土壤和岩石的孔隙和裂缝后便凝固成胶状体，并保留在土壤和孔隙中，这就使接地体增加了一束束电阻率很低的被注人土壤周围和岩石孔隙中伸展的根须状连续胶体，就象在接地体四周装上了千百条导电毛刺。接地体依赖这些根须提高了接地体的散流能力，这相当于增大了接地体的有效体积，从而降低了接地体的接地电阻。这种现象被称为“树枝效应”，它不但扩大了散流的广度，还扩大了散流的深度，其范围以单根垂直接地极为中点不等边地向四周扩散。地中的矿物质、地下水和溶洞等低电阻率土壤层均会使接地电阻大大降低，如图 l 所示。

由图 1 可见，若将 dl 范围内电阻率为 p2 的土壤用低电阻率 p1的材料代替，则单个垂直接地极的接地电阻为：

（3）

当 pl «p2 时，式（3）等号右边第一项可忽略不计，则接地电阻为：

（4）

由式（ 2 ）~式（ 4 ）可知，接地电阻减少的百分数为：

（5）

当单一垂直接地极的接地电阻不能满足设计要求时，应采用多个垂直接地极。

图 1 单个垂直接地极的降阻原理

3.2立体接地网

接地网的最大强度产生于垂直接地极顶端，将多个垂直接地极连接起来，便在地的深层处形成半球形散流的接地网，称为立体地网。半球形接地体的接地电阻为 [3-4]：

（6）

在立体地网中，多个垂直接地极穿透了地网中许多不同电阻率的土壤层，因而土壤电阻率不再均匀，且许多个垂直接地极之间也存在着屏蔽效应，所以立体接地网的接地电阻为[6] （7）

式中： Loi 为立体地网的等效半径；Poi为等效土壤电阻率；凡为屏蔽系数。当多个垂直接地极间距大于单个垂直接地极长度的 2 倍时，其屏蔽系数为最小。

3.3 深孔压力灌注接地降阻的原因与特点

为充分利用下层较低土壤电阻率的地层来降阻，应多布置一些垂直电极。增设垂直极对降低接触电压的原因主要二：一是垂直极的引人，降低了地电位升（ GPR ) ，而接触电压及跨步电压均与 GPR 有着直接的关系。二是因为增设垂直极后，大部分故障电流通过垂直极流入大地，相应减少了水平导体的散流量。因此，地表面的水平方向电流密度大大减少，造成水平方向电场强度大大降低。

通常，土壤的电阻率沿纵深和横向分布是不均匀的。就纵深来说，不同深度土壤的电阻率是不同的。接近地面几米以内的电阻率不稳定，会随季节气候的变化而变化，而土壤越深，电阻率则越稳定。因此，在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接地装置的地区，采用深孔与主接地网并联是一种有效降低接地电阻的方法。常规的深孔接地极是一种最简单的长垂直接地极，是短垂直接地极在长度方面的一种延伸（参见图 2 ) ，它主要利用下列因素提高降阻效率［6] ：增加接地极的长度 L ；利用电阻率较低的深层土壤，来降低土壤的平均视在电阻率 p ；在接地极周围形成了低电阻率材料的填充区，相当于增大了接地极的等效直径 d。

图 2 常规深孔接地极断面示意图

在有地下含水层的地方，接地体可能深入穿透水层，这时降阻效果将更好，此时可采用深水孔接地方式。它可利用自身的结构形成聚积地下水的空间和地下水运动通道，从而改变了接地极周围土壤的地下水分布，人为地增加接地极周围土壤的湿度，降低这部分土壤的电阻率。

深孔接地不受气候、季节条件的影响；深孔接地除了降阻以外，还可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有效的方法。常规的深孔接地适用于土壤均匀，或上层土壤厚度小、下层土壤电阻率很小的土壤结构分层的地区。而深水孔接地极适用于有一定地下水含量、透水能力强、空隙度大的土壤，更适用于土壤分层结构、在各层土壤中有一层是明显的含水层或隔水层的地区[6] 。

4 ．爆破接地技术

爆破接地技术是近年来提出的降低高土壤电阻率地区接地系统接地电阻＋分有效的方法。其基本原理是[7]：采用钻孔机在地中垂直钻直径为 100 mm、深度为几拾米（在发变电站接地工程中，垂直接地极深度可能达 100m 以上），在孔中布置接地电极，然后沿孔整个深度隔一定距离安放一定量的炸药进行爆破，将岩石爆裂、爆松，接着用压力机将调成浆状的降阻剂压入深孔及爆破制裂产生的缝隙中，以达到通过降阻剂将地下大范围的土壤内部沟通，加强接地电极与土壤、岩石的接触，从而达到较大幅度降低接地电阻的目的。已有试验和模拟计算表明「别，一般爆破致裂产生的裂纹可达几米到几拾米远。目前爆破接地技术已经在我国多项发、变电站和输电线路接地等工程实践中采用，并已取得了＋分满意的效果。

图 3 [7]所示为单根垂直接地极采用深孔爆破制裂一压力灌降阻剂法之后，形成的填充降阻区域，降阻剂呈树枝状分布在爆破制裂产生的缝隙中，填充了降阻剂的裂隙向外延伸很远，有利于散流。

图 3 形成的填充降阻剂区域

爆破接地技术能在较大范围降低接地电阻，并在大范围内改善土壤的散流特性，同时有效地利用了地下低电阻层。其接地电阻计算公式：

（8）

式中： r 为内部互联的立体地网的等值半径，约等于最深孔 h 等效制裂宽度 D ，即r=h+D,D与接地装置所在处的地质有关，如果有地下低电阻率土壤层及岩石具有发达的固有裂隙， D 取值就大，对轻风化土壤取 5 ~10m ，中风化土壤取 10~15m ，高风化土壤取 15 ~ 20m 。

5 ．深孔压力灌注接地技术的应用

惠州某 110kV 变电站站址的土壤电阻率由山坡向坡底的农田逐渐降低，山坡电阻率约为 350Ω • m , 农田电阻率约为 60Ω • m ，且在农田侧的低电阻率土壤较厚。由于该变电站附近存在着明显的土壤电阻率不均匀，因此接地网设计必须考虑到土土壤电阻率不均匀的情况，合理地利用水平与垂直接地极，经济有效地降低接地电阻。

依照土壤电阻率分布情况，经过分析，对于占地面积为 86mx65m 的该变电站接地网，如果只采用水平网，则接地电阻约为 1.34Ω • m 。由于地网施工时对回填换土等采取了控制措施，完成后实测电阻值为 1.12Ω • m ，高于规程 0 . 5Ω • m 的要求，因而需要采取进一步改造措施。由于变电站周围不允许扩大地网，所以扩大地网降阻是不可行的，必须考虑其他设计方案进行降阻，以满足要求。

6 ．结束语

合理设计变电站接地网，以降低接地电阻在目前仍是一个受到诸多因素影响的、非常复杂的问题，应充分考虑经济因素和工程因素。对于接地网方式的选择，必须结合各种实际情况进行综合对比分析。在土壤电阻率高、电阻分布不均匀、接地网水平扩张裕度有限的地区，将接地网向纵深方向发展是设计的必然思路。同时，增设垂直接地极对于降低地网接地电阻、接触电压和跨步电压也是一种行之有效的方法。

深孔压力灌注接地和爆破接地技术是目前 2 种主要接地降阻方式，各有其特点与适用范围。当仅采用深孔压力灌注接地不能将接地电阻降至规程要求的 0 . 5Ω以内时，应考虑综合改造方案。对于土壤电阻率高，且电阻分布不均匀的地区，应优先考虑采用水平适当外延，并结合深孔爆破、压力灌注低电阻率材料等综合方案。

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