高土壤电阻率地区的接地设计与降阻措施探讨

张玉华

引言：高土壤电阻率地区采用常规水平接地极和垂直接地体结合的复合接地网设计，其接地电阻、跨步电压、接触电势往往达不到要求，危及操作人员和电气设备的安全。高效削减变电站地网的接地电阻并且迎合电力系统飞速发展的要求，是很多电气设计人员面临的难题。本文主要探讨高土壤电阻率地区变电站接地方案设计与地网降阻措施的具体应用和局限性。

变电站接地系统是电气设备正常运行、保障人身和设施安全、防止雷电和静电危害等必不可少的措施。接地电阻是衡量接地系统好坏的主要标准之一，接地电阻应满足设备对电位、接触电势、跨步电势和暂态过电压的要求，其大小取决于土壤电阻率、入地短路电流、接地网形式等数值。随着电力系统的发展，对接地技术提出了新的要求，表现在以下几个方面：

1、输电线路电压等级高、系统容量急剧增大，入地短路电流大幅度升高；

2、集成电气设备的出现和广泛应用，如GIS设备、箱式变压器、模块化变电站等，使变电站占地面积越来越小，地网面积也随之减小；

3、变电站设计倡导资源节约型，要求少占良田耕地并要为城市发展让路，随着电网的迅速发展，致使电力设施被迫建在偏远郊区、山区等地质狀况复杂、高土壤电阻率地区，且地网面积也受征地问题的限制。

4、随着电力系统自动化水平和管理水平的不断提高，计算机等电子设备进入电力系统，带来强电设备干扰弱电设备、侵入波对电子设备的损坏和射频干扰等问题。

为确保电力系统的安全稳定运行，提高供电可靠性，接地系统的设计显得日益突出。

一、接地降阻的技术

110kV及以上大接地短路电流系统，其接地网的接地电阻要符合以下标准：R≤2000/IΩ，I为流经接地装置的入地短路电流。当I>4000A时，规范规定R≤0.5Ω。目前大接地短路电流的I值大多超过4000A，所以需要一般电阻率地区接地电阻R≤0.5Ω，在高土壤电阻率地区规范明确可适当放宽R，但需采取均压措施、隔离接地电位措施等，并要验算接触电压和跨步电压。故对110kV及以上变电站设计时至少要求接地电阻R≤0.5Ω。实际工程中，当变电站面积确定后，影响接地电阻大小的关键因数就是土壤电阻率，有些变电站占地面积小、土壤电阻率高，设计时需要考虑降阻效果及技术方案便于实施，费用经济合理。

土壤电阻率是接地设计的一个重要参数，直接影响接地装置接地电阻的大小、接地电流的分布、地网电位分布、跨步电压和接触电势。随着电网的不断发展，在土壤电阻率达到200～300Ωm时，对大型变电站，沿用常规复合地网设计理念已经不能满足要求，必须分析、研究、建立新的概念，采用新方法以适应发展的需要，从而达到运行安全可靠，技术经济合理。为了降低高土壤电阻率地区接地电阻，保证运行人员及电气设备的安全运行，工程中常采应用自然接地体、引外接地深埋接地、井式或深钻式接地极、深孔爆破、降阻剂法、人工改善土壤电阻率或应用新型接地材料等方法。

实际项目中要求根据地势情况采用对应措施，应用科学的降阻方案，经过技术与经济比较，进而获取最好的降阻成效，尽可能地做到技术处于前沿，经济实惠，环境友好的状态。

1、应用自然接地体

自然接地体包含土地上有优良接触的各式金属部件、金属井管、混凝土结构物中的钢筋骨架以及埋设在地下的金属管道与设备等。利用这些自然接地体，使专门敷设的接地带连接作用得到加强，从而减小接地电阻，而且还可以起到引流、分流、均压作用。变电站地网设计中要尽可能地应用自然接地体来削减接地电阻。

2、引外接地、深埋接地

在高土壤电阻率地区，当发电厂、变电站2000米以内有较低土壤电阻率区域，能够设计和主接地网相接的协助接地网或变电站周围有池塘、低洼沼泽地等水源，可以设置水下接地网时，可敷设引外接地装置，然后利用接地扁钢与变电站地网相连达到削减接地电阻的目的。在设计引外接地时，应考虑降阻的需要决定外延电网的大小，并考虑安全的需要决定引外接地网的网格布置、埋深和形状。引外接地装置要避开行人经常走动的地方以防止跨步电压，埋深要达到1米以上，以便不影响田地的耕作使用和避免接地体遭到破坏。

架空线杆塔采用放射形接地极，在放射形接地极每根长度的1.5倍范围内有较低土壤电阻率地带时，可部分采用外引接地。

实际项目中要求依据变电站周围土壤电阻率平行分布状况来考虑是否引外接地，并不是每个项目都可以做引外接地的。此外，引外接地也需要征地，而且后期的运行维护也不容易，所以需在项目设计中考虑周全。

对于地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地电阻率随深度增加而减小的规律，往往在达到一定深度后，地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。

3、井式或深钻式接地极

当变电站所在位置地下深层有较低土壤电阻率的地质结构时，可以采用深井式、深入钻地式接地极或爆发式接地技术进行降阻或构成立体地网。深层土地电阻率不受外界环境的制约，稳定性能好。尤其是在较深的地域出现地富水层或含有低电阻率物品（如金属矿）时，降阻效果显著。采用深井式接地极要求对接地装置及其周围测出垂直方向上的土壤电阻率均匀分布。采用深井式接地极可减少占地、接地装置接地电阻受气候影响较小，接地问题在变电站内解决，不涉及征地协调问题，广受电力系统的偏爱。对于占据地面很小的市内变电站，常常采用长垂直接地极综合爆发式接地技术来降低变电站的接地电阻。

采用深井式接地极需要考虑屏蔽问题，且对垂直接地极铺排的形式、深度还有距离的远近，均需根据项目的现实状况，整合分层土壤地质情况确定，在设计中需要遵循以下原则：

（1）为了削减平行接地网与垂直接地极之间的屏蔽，进而提升垂直接地极的应用指数，深井接地极一般应设在水平地网的边缘，并且深井接地极之间的距离应达到接地体长度的2`3倍，才能取得良好的降阻效果。

（2）垂直接地极的数目和尺寸的挑选需要依据平行接地网电阻数值的高低、降阻需要及地质结构最终确定。同时需考虑两点：一是垂直接地极数量并非越多降阻效果越好，当接地极添加到一定数目时降阻效果会趋于饱和；二是尺寸过长的垂直接地极其投资成本相对较高。深井式接地极的施工费用往往大于水平接地施工费用的若干倍。

（3）处于高土壤电阻率的区域，为了获得优良的降阻成效，选用压强灌浆法把长时间有效的接地降阻液浇注进填埋好的垂直接地极井内深处。假如变电站所在的地方深处是岩石层，仍能够选用爆发式接地技术，把井内深处的岩石爆破，进而方便地让降阻液顺着裂隙渗透入，大幅度的削减接地电阻。

4、爆破法

爆破接地技术是通过爆破制裂，再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中，从而改善接地极周围土壤的电阻率分布和散流性能，属于大范围的土壤改性。深井爆破接地极不但可以利用常规深井接地极降组的有利因素，而且利用人工爆破使使地下岩石产生裂缝，通过在裂缝中填充低电阻率材料，在地下较大范围的岩石内形成一个网状、向外延伸的散流带，降组效果更好明显。

基本原理是：采用钻孔机在地中垂直钻直径为100mm，深度为几十米甚至上百米的孔，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，然后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，加强接地电极与土壤的接触，等效增大了接地极的直径，从而大幅度降低接地电阻。爆破法应用在裂隙较多、土壤干燥或岩石地区。

5、运用降阻剂

降阻剂由电解质、防腐剂、固化剂、润滑剂及填充材料组成，通常可分为2大类：化学降阻剂和物理降阻剂。化学降阻剂原理是借助化合物的离子改善土壤的导电特性从而降低地网的接地电阻，有较强的时效性；物理降阻剂工作原理是借助其本身的低电阻率（主要材料为碳粉）在土壤中渗透，降低接地体与土壤间的接触电阻，效果比较稳定。

降阻剂的降阻成效在长时间的经过项目实施中得到了检验，亦被现在的国际标准与电力行业标准推崇与应用，其降阻原理主要体现在以下几个方面：

（1）由于降阻剂的扩散和渗透作用，降低了地网周围的土壤电阻率，在接地体四周组成一个改变平缓的电阻值较低的领域。

（2）等效增大接地极外形尺寸。接地体周围施加降阻剂后，相当于扩大了接地体的有效截面，组成相当大的电流传递面，这种原理对固体降阻剂和膨胀土类降阻剂最为明显。

（3）消除接触电阻。在接地极周围敷设了降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低接触电阻的作用。

（4）降阻剂的吸水性和保水性改善并保持土壤导电性能。

实际项目中，降阻剂的应用在获得了良好降阻效果同时，也存在一系列的问题，表现在：降阻剂的腐蚀问题、降阻效果问题、降阻稳定性及长效问题，还有对降阻剂对土壤下层地下水资源的污染等问题。所以需要选择电阻率数值较低、处于稳定状态与成效可以长时间维持的、对钢接地体的腐蚀率要低、对环境无污染、不含有毒物质经环保部门检测通过的环境友好型的降阻剂，而且要求严格按照生产厂家说明书上的说明来使用和施工。

6、人工改善土壤电阻率

在高土壤电阻率地区应用人工改善地电阻率方法，对于减小接地电阻有一定的效果。

（1）人工换土的方法

在接地体周围1～4米范围内，换上比原来土壤电阻率小得多的土壤，可以用粘土、泥炭、黑土等，必要时可以使用焦炭粉和碎土炭。换土后，接地电阻可以减小到原来的2/3～2/5，这种方法，其土壤电阻率受外界压力和温度的影响变化较大，在地下水位高、水分渗入多的地区使用效果较好，但在石质地层则难以取得较满意效果。

（2）添加食盐等人工处理方式

在接地体四周土壤中添加食盐、煤渣、焦炭、炉灰等，提高土壤的导电效果，其中常用的方法是添加食盐，因为食盐对改善土壤电阻系数的效果很好，且价格较低、受季节影响较小。对于扁钢、圆钢等水平接地体，用上述方法处理可以获得很好的效果。但是，该方案也存在缺陷，就像对岩石还有含石较多的土壤效果不好，会削减接地体的稳固性，增大接地体锈蚀速度，由于食盐的溶解流失而让接地电阻的慢慢变大。

7、应用全新的接地材质

（1）采用导电性能良好的接地材料

采用导电性能良好的接地材料可以降低接地体本身的电阻，加强散流从而达到降阻目的。例如采用铜质材料、铜包钢质的材料等，但是此方法资金投入较高，通常用于市区变电站。

（2）采用电解离子接地系统

电解离子接地列系统，简称IEA。IEA能在土壤中提供大量的自由离子，从而有效解决接地问题。IEA由先进的陶瓷复合材料、合金电极、中性离子化合物组成，以确保提供稳定、可靠的接地保护。其原理是将陶瓷合金化合物（固体）装入有孔的铜管或铜合金管中，由于管内含有电解离子化合物，每跟铜管就变成一个电解离子接地极。IEA的铜、铜合金管保证地极有较高的导电性能及较长的使用寿命。IEA内部特制的无毒电解离子化合物可以自动释放活性电解离子，能降低周围土壤的电阻率，使土壤导电性能高，散流效果好，长效发挥作用。IEA特制的回填料具有较好的膨胀性、吸水性及离子渗透性，使其与土壤有良好的接触界面，不受周围环境和气候的影响，保持最佳的接地保护效果。该方案投资相对也是比较大的。

（3）采用新型接地材料

目前的新型降阻材料有降阻模块、防腐离子接地体等。采用这种方法主要是考虑增强单个垂直接地体的降阻效果，优势在于施工量小、效果明显，资金投入较前两种小，近几年使用相对较多。

二、结束语

总的来讲，上述各种降阻方法都有其运用的特定条件，应针对不同的地区、不同的条件采用适当的方法，同时各种方法也不是独立的。对于采用何种降组措施，需要结合具体工程的接地电阻目标值，对变电站周围的地形、地势进行认真的勘探测量，找出有利于降组的最佳条件，然后综合几种降阻措施的组合方案，如采用外引接地加降阻剂、深井接地加接地模块、深井外引加降阻剂等，综合计算分析比较各种方案的效果、费用以及运行维护是否方便来确定采取的降组措施。合理配合使用几种降组措施往往能用最少的投资来获得最佳的降组效果。

需要指出的是，变电站地网的设计中，除接地电阻之外，接触电压和跨步电压值都要求要复合规范的要求，故在接地网的边缘经常有人出入的走道处，应铺设砾石、沥青路面或“帽檐式”均壓带，以降低。在经常有人出入的地方，要结合道路施工，采用高土壤电阻率路面结构层作为安全措施。

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（作者单位：云南电网公司红河供电局）