离子接地技术在110kV 变电站接地网改造中的应用

王世学，龚 震，李 峰，张 杨

（1.重庆市北碚缙能勘察设计院，重庆 400700 2.成都桑莱特科技股份有限公司重庆分公司，重庆 401147）

0 引言

变电所地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、地网稳定性、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。对于大多数土壤电阻率较大的变电站而言，只要使用合适的材料，比如离子接地体、铜材等，都可以解决地网使用寿命的问题，但降低接地电阻到要求的值却是不容易的，这不仅要靠高降阻性的材料，而且要依靠施工技术，或者可以叫工程经验。

1 工程概况

甘肃省东岔110kV变电站于2003年12月30日投运，由于变电站处于石山脚下、古河道之上，受常年雨水冲刷，地质情况极其复杂。由地表向下5m深为沙石层、5～44m为卵石层、44m以下为基岩。据地质人员介绍，基岩层厚度超过100m，也就是说由地表向下至少150m深内无土壤层，这种地质情况对于变电站接地网施工极为不利，导致变电站自运行起就未达到变电站主接地网接地电阻小于0.5Ω的技术指标。

为此，变电站从投运至2006年底共进行了两次大规模改造。第一次改造方法是扩大地网面积，将整个变电站的面积(144×78m2)全部使用，在扩大地网面积的过程中使用了大量的降阻剂和黄土;第二次改造方法是采用深井法。两次改造后接地网阻值大于1.6Ω，还是未达到110kV变电站主接地网技术指标。

2 第一次设计思路

2.1 接地改造工程应达到的标准和参数

接地装置的工频接地电阻:R≤0.5Ω;

地面跨步电压:418V;

设备接触电压:207V;

设备接地引下线及地网主干线满足7.75kA接地短路电流的热稳定要求;

接地装置的设计使用寿命为30年;

其他参数在原地网设计已考虑。

2.2 设计思想

该变电站所处地区为河滩地，为砂石土壤，虽有一定湿度，但土壤导电性能较差。经现场观察变电站外，只有东面小树林的土质情况比较符合原始情况，经在该地点测试土壤电阻率为500Ω·m。经勘测0～40m深度为砂石结构，超过40m后，逐渐进入基岩结构中，不宜采取深井式接地极进行降阻。

应主管供电局的要求及勘测情况得出改造措施是不改变原地网结构及尺寸，在变电站东墙外小树林北边新扩一个面积为72m×144m地网，在变电站内或在扩网地上合理安装国内某厂家(铜)离子接地单元产品及填充高导活性离子填充剂进行降阻防腐处理，通过该(铜)离子接地单元产品的高效降阻作用，达到使地网接地电阻降到小于0.5Ω的目的。

2.3 接地阻值计算

根据现场勘测实验数据结合该厂家技术体系，在该地区安装长度12m的离子接地单元的接地阻值变化范围是10～5Ω，经过一段时期的离子改良，阻值将长期稳定在5Ω附近。

2.3.1 长度12m的离子接地单元的使用数量

原地网按1.6Ω考虑，长度12m的离子接地单元按8Ω考虑，根据接地体电阻并联计算原则，若考虑原地网以及屏蔽系数影响，应至少使用15套离子接地单元。

2.3.2 等间距布置的组合型离子接地体阻值计算

采用单个离子接地单元时，有时接地电阻达不到要求，往往采用组合体，即将若干离子接地单元用接地线连接起来。离子接地单元间的距离一般为其长度的2～3倍。

如组合接地体包含有N个离子接地单元，每个离子接地单元的接地电阻为R1。此时，由于屏蔽作用，其总接地电阻Rc一定比其并联的计算电阻大，以ηc表示利用系数，则根据该厂家技术体系，长度12m的离子接地单元半球等效半径为1.7m，间距D至少为34m，此时，屏蔽系数分为1.37，利用系数为0.73。

2.3.3 15套垂直接地体阻值的计算

接地体阻值计算式为:

式中:ηc——利用系数确定取0.73;

N——接地体的根数，取15套;

R1——单根接地体的接地阻值;经试验在东岔地区取8Ω。

将以上数据代入公式(1)，可得组合接地体的接地阻值为0.73Ω。

2.3.4 水平接地体阻值的计算

由于离子接地单元之间常采用水平地线连接，所以需考虑水平连接线接地阻值的作用，其接地电阻计算公式如下:

式中:ρ——土壤电阻率，取500 Ω·m;

L——水平接地体的总长度，取1764m;

h——水平接地体埋设深度，取1.2m;

d——水平接地体的直径或等效直径，取0.05/2=0.025m;

A——水平接地极的形状系数，取1(参考DL/T621－1997附录A);

Rs——水平接地体的阻值Ω。

将以上数据代入公式(2)计算，得水平接地体的电阻为0.88Ω。

2.3.5 新建设复合接地网阻值的计算

由于离子接地单元之间采用水平地线连接，因此，计算考虑水平接地体与垂直接地体并联的利用系数η。计算公式如下:

式中:η——利用系数，取0.9;Rc——垂直接地体的阻值，取0.73Ω;Rs——水平接地体的阻值，取0.88Ω;R——复合接地网的阻值。

将以上数据代入公式(3)计算，得复合网的接地电阻为0.44Ω。

2.3.6 与原地网合并阻值计算

根据接地体电阻并联计算公式计算总接地电阻:

式中:R——复合接地网的阻值，取0.44Ω;

Ry——原接地网的接地电阻，取1.6Ω。

将以上数据带入公式(4)计算，得总接地电阻约为0.34Ω。

以上数据均是理论计算数值，由于现场地质情况复杂，总的接地电阻值会由于土壤电阻率的不均匀性及不确定因素的影响有一定的浮动。

3 施工阶段总结

2007年4～5 月第一阶段施工测试数据如表1所示。

表1 第一阶段施工测试数据

图1 为接地极布置图

若照此施工下去，新建地网的阻值为:

式中:Rx——已安装的10套离子接地单元的平均值，为12.61Ω;

η——已安装的10套离子接地单元的利用系数，取0.67;

新建地网与变电站内地网连接后的阻值为:

式中:Ry——变电站内接地网的阻值，取1.6Ω;

η——新建地网与变电站内地网连接的利用系数，取0.9;

结论:按本方案继续施工将无法达到设计要求，必须调整设计方案。

分析出现这种偏差的原因是:

①单根离子接地极的实际值均大于设计值(8Ω);

②多根离子接地极连接后的利用系数0.67小于设计值(0.73)。

4 桑莱特调整设计方案

4.1 设计调整思路及原则

根据现场条件，采取降阻效率更高的ALG离子接地极。

在接地极周围置换土壤电阻率较低的黄土。水平接地体周围的换土量深应不小于1.5m，宽应不小于1.2m。而垂直接地极的换土量则应根据垂直接地极的长度而确定。为方便施工，本方案采用3 m的ALG防腐离子接地体。

因面积有限，故单根垂直接地极的接地电阻应足够小，在新征地的东边及第一阶段未安装深井接地极的地方，安装ALG防腐离子接地体，减小屏蔽效应，提高利用率。

4.2 地网接地电阻的理论计算

设计条件:

基土的土壤电阻率:ρ=300Ω.m;

外引敷设地网面积S=10368m2;

接地电阻要求R≤0.5Ω;

水平地网埋深0.8m，水平接地线采用－50×5的热镀锌扁钢加物理降阻剂，新增垂直接地极采用3m ALG防腐离子接地体。

①要达到0.5Ω的接地要求，外引地网应达到的接地电阻为:

式中:R——接地要求电阻值:0.5Ω;

R1——原地网的接地电阻:1.6Ω;

R2——新建地网的接地电阻:Ω;

η ——利用系数，0.9。

②外引水平地网的接地电阻:

式中:R——水平接地极的接地电阻(Ω);

ρ——土壤电阻率，取300Ω.m;S ——地网面积，约为10368m2。

③要达到0.626Ω的接地要求，需垂直接地极的接地电阻根据式(5)计算，式中各量为:

R——接地要求电阻值，取0.626Ω;

R1——外引地网的接地电阻，取1.227Ω;

R2——垂直接地极的接地电阻(Ω);

η——利用系数，取0.9。

④单套3m ALG防腐离子接地体的接地电阻为:

⑤原10套12m深井的接地电阻(因地网扩建，原安装的6#、7#、10#深井会被屏蔽掉)，根据第一阶段施工后实测值计算出接地极的利用系数为0.67。故:

式中:ρ——土壤电阻率，取300Ω.m;

L——ALG防腐离子接地体的长度，取3.0m;

D——接地极等效直径，取0.18m;

式中:R7——原深井接地极地网(屏蔽后)的接地电阻，取2.415Ω;

⑥安装21套3m ALG防腐离子接地体后的接地电阻为:

式中:n——ALG防腐离子接地体的数量，21套;

Rv——单套ALG防腐离子接地体的接地电阻，取13.39Ω;

R——ALG防腐离子接地体并联后的接地电阻;

η——多根垂直接地体利用系数，取0.65。

式中:R—垂直接地极的接地电阻(Ω);

R1—ALG防腐离子接地体地网的接地电阻，取0.981Ω;

R2—原深井接地极地网(屏蔽后)的接地电阻，取2.415Ω;

η—利用效率，取0.667。

⑧外引地网的接地电阻R，根据式(9)计算，式中各量取值为:

R1——外引水平接地极的接地电阻，取1.227Ω;

R2——外引垂直接地极的接地电阻，1.041Ω;

η——利用系数，取0.9。

⑨地网的总接地电阻R，根据式(9)计算，式中各量取值为:

R1——原变电站地网的接地电阻，1.6Ω;

R2——新建地网的接地电阻，0.626Ω;

η ——利用系数，0.9。

5 验收结果

主管供电公司修试所高压试验班2007年8月28号对该110kV变电站接地网改造工程进行验收，情况如下:

使用仪器:HMDWR－1A大型地网电阻测试仪;

测试线型号:4mm2铜线;

测试线长度:电压极线长 150m，电流线长300m;

测试方法:30°夹角测试法;

测试数据:0.348Ω(放线方向为变电站东侧，地质情况为原土质结构);

0.429 Ω(放线方向为变电站西侧，地质情况为新回填建筑垃圾，测试极固定在石堆中)。

验收结果:合格

6 结论

通过该站接地网的建设总结发现，任何有降阻难度的接地网建设都不能单纯依靠产品材料堆积，而要重视将产品材料高效应用的技术，这也是本站历次整改最终合格的根本原因。

［1］ DL/T 621，交流电气装置的接地［S］.

［2］ GB/T 17949.1，接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则［S］.

［3］ DL/T 475，接地装置特性参数测量导则［S］.