高土壤电阻率地区变电站地网设计

王文莉，邹振宇

（山东电力工程咨询院，山东 济南 250013）

高土壤电阻率地区变电站地网设计

王文莉，邹振宇

（山东电力工程咨询院，山东 济南 250013）

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。

高土壤电阻率；接地网；变电站

0 引言

在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。虽然接地在电力系统中的作用是工作和安全的需要，但由于接地设计或施工的不当，这种作用便会大大削弱。电流在接地电阻上的压降将引起接地电极电位的升高，可能使设备受到这一过电压（反击过电压）的作用而损坏。如果接触电压与跨步电压过大，则可能造成人身伤亡事故。

目前，我国发电厂、变电站接地网接地电阻的设计值和竣工后的测量值相差较大的一个主要原因，就是在设计计算中仅基于经验公式计算，采用均一土壤电阻率，而且由于有时测量土壤电阻率的极间距较小，不能反映深层土壤的情况，这时如果土壤结构实际上是不均匀的，则会造成设计值和实际值较大的误差。多数变电站建于土壤状况复杂地区，如何根据实际的不均匀土壤，结合新的施工工艺，在面积有限、土壤电阻率较高地区设计出符合国家规程规定的接地系统是保障电力系统运行人员和设备安全的一项重要工作。

在高土壤电阻率地区，设计发、变电站接地电阻都很难满足规程要求，特别是面积较小的发、变电站要降低接地电阻必须采用降阻措施。工程上主要采用的降阻措施有增大接地网的面积、引外接地、增设垂直接地极、换土以及使用化学元素降阻剂等。这些降阻措施中，增大地网面积和引外接地涉及重新征地和难以维护等技术和经济问题，不便于工程中采用，而换土又会增加巨大的工程量和资金投入，特别是在高土壤电阻率地区有时换土无法实现，因此实际工程中很少采用。随着GIS技术的发展，发、变电站采用GIS越来越多，大大缩小了发、变电站的占地面积，因此其接地电阻就难以满足规程要求。在水平地网上打垂直地极被越来越多的采用，但设计中增设的长度只有几米到十几米，有的甚至遍布整个水平地网，降阻效果不明显。这是由于垂直接地极长度及布置方式选择不当，使增设的垂直接地极的降阻作用被水平地网或垂直接地极相互间的屏蔽效应抵消。

将CDEGS接地系统设计分析软件引入到实际工程设计中，通过软件的数值计算，能够比较全面考虑地网的实际结构及故障电流流散的实际情况，既考虑到地网不同部分导体散流的非均匀性，对于任意复杂接地网都能得到比较精确的计算结果；同时也使技术可行的前提下，对地网设计的方案进行经济比较成为可能，解决了采用经验公式进行计算中的许多问题。基于华电莱州高土壤电阻率地区接地系统的设计分析，提出了一套较完整的接地系统解决方案，并得出了许多有价值的结论。

1CDEGS软件简介

CDEGS（Current Distribution，Electromagnet interference，Grounding and Soil structureanalysis）软件包是电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析的英文缩写。由加拿大SES公司经过十余年的研究开发而成。该软件主要由RESAP、MALT、MALZ等子模块组成。CDEGS软件可以用于电力系统接地研究、电磁干扰分析、抑制交流干扰研究，并可以解决阴极保护问题等。它的功能比较强大，可在正常、故障、雷电、暂态条件下，计算地上或地下任意位置的带电导线组成的网状结构产生的接地电位、导线电位和电磁场。CDEGS还为简单的或裸的和含外皮的金属管、封闭管道电缆系统和复杂的土壤结构中的各种导线建立计算模型。

RESAP子模块可以由实际测量得到的土壤电阻率数据确定等价的土壤结构模型。在此土壤模型基础上，才可能进行接地系统分析、阴极保护研究和线路参数的计算。RESAP子模块可以为水平多层土壤、垂直多层土壤、水平方向呈指数变化的土壤结构建立等价计算模型。

MALT子模块可以进行接地分析，用于地下导体网的低频分析，范围为直流和工频。它可以对HVDC和HVAC电厂、变电站、输电铁塔的接地网进行分析，以及进行阴极保护研究。它可分析处于垂直、水平、球形分层的土壤中任意配置的复杂地网。这是CDEGS中最早发展起来的工程软件。

MALZ子模块是进行频域接地分析的软件。在MALT子模块的基础上发展而来，计算结果更加准确，分析范围更广，可从直流到1 MHz的频率范围。可以确定地下导线网产生的泄漏电流、地电位、电场和磁场，并进行阴极保护研究。

CDEGS软件具有用户满意的输入输出处理器的组合以及流行的Windows界面，用户使用起来非常方便。多年来，国内的有些单位也进行了有关接地及其相关方面的大量研究，并开发了一些相应的软件，但在系统性和通用性方面都和CDEGS软件包有一定的差距，经过多年的系统开发，CDEGS软件包应该说是截止目前世界上在该领域通用性最强，功能最为强大的软件包。

应用CDEGS软件进行接地设计的方法及步骤如下：

1）第一步使用RESAP建立土壤等效模型来模拟真实土壤结构。设计者可以在程序提供的几种土壤模型中选择一种来模拟真实的土壤结构 （均匀，两层，多层，指数式的等）。

2）基于经验和变电所接地的综合要求，使用MALT基于步骤1建立的土壤模型初步形成和分析一个经济的接地网。

3）使用FCDIST模块计算实际地网流出的故障电流。

4）使用输出模块分析计算结果，通过输出结果检查是否满足所有的设计要求。特别是最大接触电压和跨步电压计算值与允许值的比较。

5）如果不是所有的设计要求都得到了满足或所有的设计要求都有较大裕度意味着较大节约，都需要对接地系统修改设计，从步骤2开始重新设计和分析。

2 华电莱州风电场110 kV变电站接地系统初步方案

2.1 华电莱州110 kV变电站站区

站址情况：原地网水平占地面积约为66m×50 m，升压站接地网采用不等间距布置，水平接地体采用60 mm×6 mm镀锌扁钢；水平接地体埋设深度为0.8 m，地网布置为常规水平网格布置。

土壤情况：根据文献［7］，站区地质土壤主要为砂土、淤泥质粘土、粘土，属于高土壤率地区。表1为研究中所采用的多层土壤数据模型。

表1 多层土壤模型数据

2.2 基于传统经验公式的初步设计

在发电厂、变电站接地系统设计时，由于要对安全、经济等诸多因素均衡考虑，所以对接地系统的设计经过了由经验公式估计接地系统接地电阻到以数值计算方法为主的科学分析的转变。由于接地系统的介质复杂性，经验公式考虑的因素主要有接地系统所处位置的地质参数与水平地网的尺寸。一般采用的接地电阻R理论估算公式为

式中，ρ为土壤电阻率，S为接地网的面积。公式（1）中S取值为800 Ω·m，可以看出经验公式无法考虑多层土壤的实际情况。此外，这一公式并没有考虑到在水平网基础上添加垂直接地极的影响。

根据变电站平面布置，公式（1）计算得 R为6.96 Ω。可以看出，经验公式计算结果远不能满足规程要求，且经验公式考虑均一土壤率，无法反映出真实的接地系统性能情况。若只考虑扩大地网面积以降低接地电阻，由式（1）可知，要达到变电所接地电阻0.5 Ω的要求，接地网面积S须不小于800 m×800 m。这样不仅使水平接地网所需的费用有很大的增加，而且现场条件的限制证明完全不可能的。

3 应用CDEGS进行接地系统安全计算分析

本案例中应用CDEGS进行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、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。根据系统提供的入地短路电流值约为15 000 A。

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。初步接地网模型见图1，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0.8 m。经CDEGS计算，初始接地网接地电阻为1.49 Ω，这一电阻率值不能达到0.5 Ω的要求。计算得到，初始地网的最大跨步电位差为1891.1 V，最大接触电位差为11 008 V。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，0.5 s的故障时间时，跨步电位差安全值为984.3 V，接触电位差安全值为369.1 V；地面采用高阻瓷砖加强绝缘后 （按湿态电阻率为3 000 Ω·m），跨步电位差安全值为2633.2 V，接触电位差安全值为781.3 V。

图1 初步接地网模型

可以看出，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 垂直接地极爆破、压灌低电阻率材料相结合的方案论证

采用目前比较成熟、有效的方法：钻探深井爆破，加压灌注低电阻率材料［3］。这样做可以使低电阻率材料紧密包覆接地体并向四周扩散，从而将电流引入较深的地层散流，同时降低接地体与土壤的接触电阻。反映在理论分析上，则可以用其对于垂直接地极的等效直径的影响来等效，从而起到较好的降阻效果［3，4］。

3.2.1 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110 mm，深60 m，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3.5 m，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。

改进方案的地网模型见如图2所示。计算结果地网接地电阻为0.2225 Ω。因此可以看出，采用爆破接地技术对垂直接地极进行施工，增大垂直接地极的半径，能更有效地降低接地系统的接地电阻。

图2 改进接地网模型

3.2.2 接触电压、跨步电压

地面在不经绝缘处理的情况下。0.5 s的故障时间时，跨步电位差安全值为984.3 V，接触电位差安全值为369.1 V。地面采用高阻瓷砖加强绝缘后（按湿态电阻率为3 000 Ω·m），跨步电位差安全值为2633.2 V，接触电位差安全值为781.3 V。地面在不经绝缘处理的情况下的计算结果见跨步电位差分布图3，图3可以看出如果不进行绝缘处理的情况下，最大跨步电位差为142.3 V，满足地面在不经绝缘处理的情况下安全限值984.3 V。但是接触电位差不满足要求，需进行地面绝缘。

图3 改进接地网跨步电位差分布图

地面采用高阻瓷砖加强绝缘后，由接触电位差分布图4可知，最大接触电位差为727.7 V。不满足地面在不经绝缘处理的情况下安全限值369.1 V。但能满足地面采用高阻瓷砖加强绝缘后的接触电位差安全值781.3 V。

图4 改进接地网接触电位差分布图

可以看出，增设长垂直接地极对于降低地表面的最大接触电压和跨步电压也具有较大的影响。增设长垂直接地极对于降低接触电压的原因主要有两点：一是垂直接地极的引入，降低了地电位升（GPR），而接触电压和跨步电压均与CPR有着直接的关系。二是因为增设垂直接地极后，大部分故障电流通过垂直接地极流入大地，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，造成水平方向电场的强度大大降低。而在土壤不均匀，特别是上层土壤电阻率明显大于下层土壤电阻率时，这一趋势更加明显。

4 结论

1）增设垂直接地极时应事先调查站区及附近的土壤特性，特别是要查明地中的土壤电阻率的变化情况。若地中有低土壤电阻率层，增设长垂直接地极，降低接地电阻效果更好。

2）发、变电站地网面积越小，增设垂直接地极的实际降阻效果就越明显。

3）在高土壤电阻率地区，为了保证明显的降阻效果，埋设垂直接地极的深井中宜灌注长效接地降阻剂;若发、变电站处在岩石较多的地区还可采用深井爆破的方式，将深井下半部的岩石炸裂，以使接地降阻剂沿着裂缝渗透，进一步增大降阻效果。

4）无论是单层土壤还是水平多层土壤的情况，垂直接地体装设在地网边角和外围地方可最大限度降低接地电阻，而且尽可能使之均匀分布以拉开距离，使垂直接地体间互相屏蔽的作用尽可能减小。

5）均匀土壤中的立体地网应尽量采取“少根深钻”的垂直接地体敷设方式，这样降低接地电阻效果最好。

6）在多层土壤结构中，垂直接地体的降阻效果会随着土壤结构的变化有不同的表现。在上层土壤电阻率较低而下层较高的土壤结构中，垂直接地应采用“多根浅钻”的敷设方式；对于下层土壤电阻率较低的土壤结构，垂直接地体采用“少根深钻”的敷设方式能取得很好的降阻效果。

［1］杨杰，米康民.CDEGS软件在大型火力发电厂接地系统安全分析中的应用［J］.山西电力，2002（3）：50－52.

［2］牛晓民.电力系统接地分析软件CDEGS简介［J］.华北电力技术，2004（12）.

［3］曾嵘，何金良，高延庆.垂直接地极对接地系统电气性能的影响［J］.清华大学学报，2001，41（3）:25-27.311.

［4］王周安，曾永林.立体地网的建立及应用［J］.高电压技术，1996，22（4）:26-291.

［5］麦杰恒.高土壤电阻率地区变电站接地网长效降阻的实现［J］.广东电力，2004，17（2）.

［6］吕伟杰，杨改蓉，等.立体接地网用于青藏铁路格拉段变电站的实例分析［J］.电瓷避雷器，2007（1）.

［7］山东电力工程咨询院.华电莱州风电场工程可行性研究报告［R］.山东电力工程咨询院，2007，6.

Grounding System Designof Substationin High Soil Resistivity Regions

This paper analyzes the restriction of grounding system design based on the requirements of equipment safety and personal safety,and discusses the limitation of conventional design methods in high soil resistivity regions with a real engineering project.Thereafter,a design method based on the CDEGS design software is proposed.The proposed method is validated by the calculation results of the grounding resistance,contact potential&step potential difference.

high soil resistivity；grounding design；substation

book=10,ebook=36

TM862

A

1007－9904（2010）04－10－05

2010－05－04

王文莉（1969-），女，研究生，高级工程师，目前从事电网变电站电气设计工作。

邹振宇（1979－），男，博士，高级工程师，目前从事电网变电站电气设计工作。