变电站接地设计方案

【摘要】结合某110kV变电站工程的实际数据，通过分析接地电阻影响因素，重点探讨目前高土壤电阻率地区变电站的接地设计问题，并对实际工程提出新的接地设计方案。

【关键词】高电阻率；变电站；接地；设计

[ Abstract ] :With a110kV transformer substation project real data, through the analysis of influence factors in grounding resistance, discussed the current substation of high soil resistivity area grounding design in practical engineering, and proposes new grounding design.

[ Key words ]: high resistivity; substation; grounding; design

中图分类号：[TM63] 文献标识码：A文章编号

一、概述

随着我国经济的发展，为满足负荷发展的要求，国家大力发展电网基建工程，越来越多的变电站正在建设之中。由于国家对用地指标的控制，变电站占地面积越来越小，特别是城市GIS变电站。随着电网系统的完善，入地电流的不断增加，而部分变电站站址的土壤电阻率较高，接地网的设计变得困难。本文将结合某110kV变电站工程的实际数据，对实际工程中的接地设计问题提出了改进措施。

二、接地电阻的影响因素

1、接地电阻

根据 DL/T621-1997《交流电气装置的接地》要求，有效接地和低电阻接地系统中变电站电气装置保护接地的接地电阻宜符合：R≤2000/I。其中：R为考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω；I为计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。随着系统的发展，短路电流越来越大，接地电阻要达到此值，会存在困难。

在南方电网地区，习惯上认为在110 kV及以上变电站中，接地电阻小于1Ω即可，并且校验接触电位差、跨步电位差通过。在高土壤电阻率地区，如果其接地电阻已满足校验接触电位差、跨步电位差的验算，继续降阻至1Ω以下，接地工程的投资将增加几十万，从投资角度考虑是不经济的。故DL/T621- 1997《交流电气装置的接地》要求，当实际困难时，接地电阻不超过5Ω宜符合要求。

2、入地短路电流

当系统发生接地短路时，其短路电流一部分经架空地线和杆塔流回系统，一部分经设备的接地引线、地网流回本站内变压器中性点，还有一部分经地网入地后通过大地流回系统。而对接地网电阻起决定作用的是入地短路电流，等于总的短路电流减去架空地线的分流。架空地线分流越多，相应于入地短路电流变小。而影响架空线路分流的因素有进出线回路数、线路杆塔的接地电阻、变电站地网的接地电阻等因素；还有地线的导电性能也直接影响着架空线路的分流系数，导电性能越好，分流系数越大。

3、接触电位差和跨步电位差

接地设计中，还应校验接触电位差和跨步电位差要求，其允许值按DL/T621-1997《交流电气装置的接地》规定：在有效接地系统和低电阻接地系统时，不应超过下列数值：

Ut=(174+0.17ρf)/

Us=(174+0.7ρf)/

式中：Ut为接触电位差，V；Us为跨步电位差，V；ρf为人脚站立处的土壤电阻率。t为接地短路电流的持续时间，s。可以看出，影响接触电位差、跨步电位差的是ρf和t。

设计中通过在设备支架和架构周围和道路敷设砾石、碎石或沥青以提高人脚站立处的土壤电阻率（一般取值5000Ω.m），从而提高允许值。而对于接地故障持续时间，规程中没有给出定量规定，一般可将接地电流持续时间取继电保护主保护动作时间为计算条件。断路器的开断时间越小越有利，但其受限于设备制造能力限制。

三、接地电阻的计算

1、工程概况

某110kV户外变电站变电站围墙内面积为8060。

当110kV母线两相对地短路时，短路电流最大为13kA，入地短路电流为4639A。

短路电流持续时间 t=0.58s（其中t＝断路器50ms＋主保30ms＋断路器失灵500ms＝0.58s）。

根据场地测试结果，本站场地5m层、10m层、15m层、20m层的土壤电阻率分布为157.3Ω.m～681.6Ω.m、1243.6Ω.m～2817.2.Ω.m、1245.5～2563.8Ω.m、1425～2546.3Ω.m。总体上土层10m下，土壤电阻率很大。5m层土壤电阻率计算值为743Ω.m（考虑季节系数）。

2、接地电阻计算

根据公式R≤2000/I，电阻需降至0.43Ω。

在不采取其它方式的条件下，常规变电站采用水平接地网与垂直接地体结合的复合接地网，所设计接地网的工频接地电阻：

按公式R≈0.5ρ/计算，或可采用博超计算软件进行计算。

其中：S为站内所设计主接地网的总面积，m2；ρ为土壤电阻率，Ω•m；计算结果为4.13Ω。

当敷设绝缘地面时，接触电位差最大允许值Ut=(174+0.17ρf)/=1344(V)，跨步电位差最大允许值Us=(174+0.7ρf)/=4824(V)。

3、反推接地电阻要求值

采取敷设绝缘地面后，由最大允许接触电位差和最大允许跨步电位差反推接地电阻要求值。

接地网地表面的最大接触电位差 Utmax＝Ktmax×Ug，其中：最大接触电位差系数Ktmax=Kd×KL×Kn×Ks=0.17。

接地网外的地表面的最大跨步电位差 Usmax＝Ksmax×Ug，其中：最大跨步电位差系数Ksmax

=(1.5-a2)xln{[(h^2+(h+T/2)^2]/[(h^2+(h-T/2)^2)]}/ln(20.4S/dh)=0.06。(以上有博超软件计算)

反推接地电阻R≤1.7Ω。

故需采取降阻措施，考虑到业主要求接地电阻为1Ω以下，故考虑先降至1Ω，再考虑经济性。若投资较大，可按接地电阻为1.7Ω进行方案设计。

4、接地体的热稳定校验

接地线的最小截面应符合下式要求：本站采用的接地网材料为扁钢(-50×5)，C=70。短路电流值取13kA,t＝0.58s时，=141mm2。本设计采用的扁钢截面为250mm2,完全满足要求。

5、接地网的腐蚀

接地网的防腐设计接地网的材料一般为扁钢和圆钢，其腐蚀状态应根据变电站当地的腐蚀参数进行计算。但一般情况下其腐蚀参数很难测定。因此，在工程设计没有实际数据时按扁钢腐蚀速度：0.1～0.2mm/a；圆钢腐蚀速度：0.065～0.07 mm/a；热镀锌扁钢腐蚀速度：0.065～0.07mm/a计算。

四、接地设计方案

1、物理降阻剂

降阻剂就其特性来说分为物理降阻剂和化学降阻剂。物理降阻剂由导电的非电解质固体粉末组成并含有一定量起固化作用的水泥。相对于化学降阻剂，它具有吸潮性、电阻率低、稳定性好、长效、不流失、无毒、不腐蚀接地体等优点。降阻剂本身的电阻率很低，减少地极与土壤之间的接地电阻，并且有吸潮性而保持地极附近土壤的潮湿性；在接地体周围使用降阻剂，敷设时的糊状降阻剂溶液会在一定范围向四周土壤渗透，这样就能使局部土壤的电阻率大大降低。根据大部分厂家提供的数据，水平接地极配合使用15～20kg/m降阻剂，降阻率可η达40％。

根据复合接地网的面积，本站配合28吨的降阻剂进行降阻后，接地体周围土壤电阻率约为ρ=743(1-η)=743×(1-0.4)=408.7Ω・m，经计算，接地网接地电阻值降为2.48Ω。

2、外扩地网

一般情况下，站址内土壤电阻率值高，围墙外土壤电阻率值也较高。本站站址位于半山坡，由于之前取土的原因，已被挖深3米至5米，地表风化岩，故土壤电阻率较高。站址围墙北边脚下有一块三角平地，较变电站低4米，土壤电阻率较低，可用作外接地网连接。

站址围墙北边外的三角平地，土壤电阻率为430Ω.m，通过在其范围内外扩接地网面积为1920。外扩地网进行降阻剂敷设，接地电阻为3.2Ω。

主接地网总电阻值R=R外//R内=1.39Ω。

3、换土

用电阻率较低的土壤（如粘土、黑土及电石渣等）替换电阻率较高的土壤，故接地电阻值应根据回填土壤的土壤电阻率进行计算。不过，回填的土壤的土壤电阻率不仅与其取土区的土壤电阻率有关，还与回填密实度有关，计算时需预留一定的余度。

由于本站地表已风化岩，且为挖方区，开挖难度较大，换土降阻的方案工程投资较大，故不采用。

4、埋深接地体(深井接地)

如果地下较深处的土壤电阻率较低，可用井式或深埋接地体的方式，或钻孔、冲压等技术将垂直接地体深埋至十几米、几十米深处，达到土壤电阻率较低的土层。

从勘探中土壤电阻率分布特征可看出，总体上土层10m下，土壤电阻率很大，故设计未采用深井接地方案。

按照垂直接地极的接地电阻计算公式：，计算出单口深井的接地电阻值。为垂直接地体长度(m)；d为接地体截面半径(m)（接地极用圆钢时，圆钢的直径）；

垂直接地极的土壤值电阻率取值问题较复杂，假设打井深度为30m，电阻率取值一般选5m至30m处土壤电阻率平均值。设计时应注意，相邻深井距离宜大于2口深井的长度之和，以避免屏蔽效应。接地模块、电解地极计算方法同接地深井方案，在此不做赘述。

5、斜井接地

通过外引水平接地极至土壤电阻率较低的地区，相比较外扩地网的方案，本方案无需征地，采用非开挖顶管技术，工程隐蔽，埋于1m至10m深度，在站外不容易遭到破坏。

按照不同形状水平接地极的接地电阻计算公式，计算出每孔斜井的接地电阻值。为水平接地体长度(m)；h为覆盖层的厚度(m)；d为接地体截面半径(m) （此次处延材料采用-50×5的热镀锌扁钢截面半径为0.025）；A为水平接地体的形状系数（形状是“―”形，应取系数为-0.6）

按照工程经验，每孔斜井长度一般为100m至200m不等，方向为较低土壤电阻率处。此处的土壤电阻率取值应选5m至10m处土壤电阻率平均值。从勘探土壤电阻率分布特征得出，本站场地外5m～10m土壤电阻率取值473Ω.m。考虑到降阻剂的效果，土壤电阻率取284Ω.m。本工程每孔斜井长度为100m，选取时其长度需大于主接地网接地半球体半径。

=4.83Ω

故每孔斜井的水平阻值为4.83Ω，两口斜井并联电阻值为2.42Ω。

通过外扩接地网后的全站接地电阻值为1.3Ω，经2孔长度100m斜井处理后，全站接地电阻值为1.39Ω//2.42Ω=0.88Ω，可满足接地电阻值小于1Ω的要求。

6、分析

本站接地电阻经过外扩接地网方案处理后为1.39Ω，经校验接触电位差和跨步电位差满足要求。但本站按照运行单位要求，接地电阻需降至1Ω以下；并且从经济性考虑，增加2孔斜井的费用，投资近增加十二万左右，故本站接地方案为外扩接地网外加2孔斜井。变电站投产后，对全站的电阻值进行测量，结果小于计算值0.88Ω，效果理想。

五、总结

接地网的设计，要根据区域的地质条件，采取不同的降阻措施，以最高性能价格比来设计其接地网。通过以上工程的实践可以看出,接地设计可以采取的措施有多种,外扩地网、接地深井、接地斜井等等。如何根据实际情况选择最经济、最实用并满足要求的方法,是我们在今后的设计中应该注意的问题。

【参考文献】

[1]DL/T 621―1997交流电气装置的接地.

[2]电力工程电气设计手册（电气一次线部分）

[3]GB50059-92 《35-110KV变电站设计规范》