中小型变电站接地网存在的问题及改造措施

摘要：本文重点对中小型变电站接地网中存在的问题进行了分析，提出了解决这些问题的方法和降低接地网阻值的几点改进措施。

关键词：变电站接地网 阻值变大 腐蚀严重 改造措施

(一)中小变电站接地网存在问题分析

早期施工的中小型变电站其接地网存在阻值变大、均压效果差、接地体截面不满足热稳定要求，连接工艺不符合电气装置工程接地装置施工及验收规程要求，接地网腐蚀严重，达不到预期寿命等一系列问题，严重威胁人身和设备安全。现将存在的问题及可能产生的危害性分析如下：

1．阻值变大。分析其原因，可能与土壤电阻率和接地体与土壤的接触电阻有关。土壤的电阻率直接影响土壤的导电性，而土壤质地、温度和水分含量对土壤电阻率有很大影响。土壤温度和水分含量是随季节而变化的，当土壤含水量未达到饱和时，土壤电阻率随含水量的增加而减小，接地电阻也随之减小；因此往往在雨水充沛的夏季所测得的阻值满足要求，而在干燥寒冷的冬季时所测得的阻值却不一定满足要求。此外，接地电阻值还与接地网与土壤的亲和程度有关，早期接地体经过长期锈蚀，表面产生锈层，也导致接触电阻增大。阻值变大将导致工频接地短路和雷击电流入地时电位过高，严重威胁设备和人身安全。

2．均压效果差。造成均压效果差的原因有：接地体埋深不足；接地网只采用长孑L网，未采用均压带措施；设备接地引线过长等。这些因素会造成接地网地面电位分布不均，引起跨步电压过高。

3．接地网与设备引线存在薄弱环节。电网故障电流随着电力系统的发展有所大增，而接地网与引下线经过长期锈蚀，有效截面不断减小，当设备短路时，就不满足现有的系统短路时热稳定要求而熔断，造成设备外壳所带高压电反击低压二次回路，接触电压威胁人身安全等问题。此外很多接地网与设备的连接只是简单的搭接焊接，焊接防锈处理均不符合电气装置工程接地装置施工及验收规程要求。

4．接地网锈蚀严重。我国传统接接地网均采用钢材质，大多数变电站使用镀锌钢作为接地材料，实践证明，镀锌钢并不是解决接地网腐蚀问题的最好选择。如某电网35V变电站投运八年后挖土检查发现，接地装置腐蚀严重，有的甚至已断裂。类似这种情况不少，以致投入大量资金和人力进行改造。重新铺设接地位置， 需要开挖和恢复水泥路面、草坪等工程， 因此整个改造工程比新建接地装置所需费用还要增加很多。金属腐蚀缩短了材料的使用寿命，造成巨大的经济损失(由此引起电力供应所带来的间接损失尚未计算在内)，在造成经济损失的同时，也造成了资源和能源的浪费。

(二) 中小变电站接地网存在问题的解决办法

根据笔者的施工管理经验吗，早期施工的中小型变电站存在的4个主要问题可以通过下述方法加以解决。

A、中小型变电站接地网降低接地电阻

中小型变电站接地网面积往往受到周围场地的限制，特别是城市户内变电站布点困难，周围常有住宅、公共建筑等设施。此时可优先考虑深孔压力灌注接地。深孔压力灌注接地采用深井式垂直伸长接地装置，在水平接地网的基础上向大地纵深寻求扩大接地网面积，在垂直方向加大接地网尺寸，与水平接地网相连，形成立体接地网。这种方式有如下特点：①地中深层接地电阻稳定，不受季节变化；② 散流能力强，特别是对高频雷电电流作用明显；③金属材料不易氧化和被腐蚀。故正逐步被广泛采用。

另外还可以采用爆破接地技术，以下分别说明。

1．深孔压力灌注接地

(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田绕接地极的土壤层中。因此可以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。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来考虑在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空隙和裂缝后便凝固成胶状体，并保留在土壤和空隙中，这就使接地体上面增加了许多电阻率很低(被注入土壤周围和岩石空隙中伸展的)的根须状连接胶体，就像在接地体四围装上了千百条导电毛刺。接地体依赖这些导电毛刺提高了散流能力，相当于增大了接地体的有效面积，从而降低了接地体的接地电阻。这种现象被成为树枝效应，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心，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。

(2)立体接地网

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。接地网的最大散流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散流的接地，成为立体接地网。在立体接地网中，多个垂直接地极穿透了接地网中许多不同电阻率的土。

(3)深层压力灌注接地降阻的原因

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。增设垂直电极可降低接触电压的原因是：① 垂直电极的引入，降低了地电位升(GPR)，而接触电压及跨步电压均与GPR有关；②增设垂直电极后，大部分故障电流通过垂直电极流入大地，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宽度大大减少，使得水平方向电场强度大大降低。

在有地下含水层的地方，接地体可能深入穿透水层，这时降阻的效果更好，此时可采用深水孔接地方式。它可利用自身的结构形成聚集地下水的空间和地下水运动通道，从而

改变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，除了降阻以外，还可以克服场地窄小的缺点。

2．爆破接地技术

爆破接地技术是近几年提出的降低高土壤电阻率地区接地系统接地电阻的十分有效的方法。其工作原理：采用钻孔机在地中垂直钻直径为lOOmm、深度为几十米(在发、变电接地工程中，垂直接地极深度可达到lOOm以上)的孔，在孔中布置接地极，沿着孔的深度方向每隔一定距离安防一定量的炸药进行爆破，将岩石爆裂、爆松，然后用压力机将设成浆状的降阻剂压入深孔及爆破致裂的缝隙中，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。维持设备稳定运行、保证设备和人员安全。

B、推荐采用用铜质接地网替代镀锌钢

从中小型变电站接地网存在的问题分析来看，材料腐蚀是导致问题的关键。因此，在土壤腐蚀性的地区采用性能优异的铜质接地网，可以避免镀锌钢质接地网腐蚀所引起的问题。我们就铜质接地网与镀锌钢质接地网性能差异展开分析：

1．接地网材质的土壤腐蚀分析比较

金属土壤腐蚀形式有微电池腐蚀、宏电池腐蚀、杂散电流引起的腐蚀和微生物腐蚀。影响金属土壤腐蚀的因素众多，影响较大的因素主要有土壤电阻率、透气性、含水量、含盐量、PH值、温度等。土壤电阻率对阴阳两极距离较远的异种金属宏电池的腐蚀速度起着决定性作用，电阻率越大，腐蚀速度越小。土壤含氧量也是金属腐蚀的一个重要因素，空气渗透是土壤中氧气的主要来源。而土壤的孔隙度、土壤结构、含水量都将影响土壤透气性能。在紧密的土壤中氧的传递相对困难，金属的阴极反应也随之减慢，在疏松的土壤中，反应速度则加快。土壤含水量越高，则含气量越低。土壤盐分除对电阻率有影响外，对腐蚀的电化过程也有影响，含盐量越高，土壤腐蚀性越强。土壤的PH值有利于氢离子阴极去极化腐蚀，所以通常土壤PH值越小，酸度越大，腐蚀性越强。温度的升高，土壤导电率增加，氧的扩散速度增大，腐蚀加快。此外温度升至25~35~C时，微生物最适宜生长， 由微生物引起的腐蚀也加快。

铜在各种大气环境下都有很好的耐腐蚀性，这是由于铜在大气中在表面形成的腐蚀产物膜有保护作用，如CuCO 、Cu(OH)z、CuSO。、3Cu、3Cu(OH) 。在水中，矿物质能与所溶解的二氧化碳与氧化合，并在铜表面形成一种保护膜，因此铜在水中的腐蚀速率是低的。在干燥的土壤中，铜的腐蚀速度较慢，在含有氧化物、硫化物和有机物成分较大的土壤中则腐蚀速度相对大一些。铜在土壤的腐蚀速度大约是铁和低合金钢的1／5～1／10， 由此可见铜有优良的耐腐蚀性。

铜接地体的连接可采用放热焊接，焊点可达到与铜材完全一致的性能，是一种理想的连接方式，其方便快捷的操作、优秀的焊接质量是其它连接方式不可实现的。在国外，放热焊接已经通过UL标准严格论证，并被指定为接地系统中的埋地导体的连接方式。

钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊方式， 高温电弧会破坏接地体接头部位镀锌层，焊接处必须进行防锈处理。从有关实验数据表明，防锈漆在焊接表面厚度要达到0．4mm，才能明显阻挡离子和气体，发挥防锈作用。因此镀锌工艺和施工工艺均存在隐患，严重影响接地网的耐腐蚀性能和寿命。

2．接地网材质其他性能的分析比较

与钢材相比，铜材具有优良的导电性、导热性和延伸性，在20℃时，铜的导电率是钢的8倍。铜的熔点为1083℃，短路时最高允许温度为450℃ ；而钢短路时最高允许温度为400℃。相同截面的铜材热稳定性是钢接地体的3倍。从肌肤效应看，铜材泄流能力是钢材的4倍。

以上分析表明：在连接方面，铜接地体是可靠、牢固、耐腐蚀的完全连续的真正连接，使铜质接地网不存在隐患，因此性能比镀锌钢质接地网更胜一筹。