220kV变电站GIS室防雷接地网的合理布置研究

中国石化茂名分公司 肖旭荣

按设计图纸施工原本是建设施工人员必须遵循的一项最基本原则，然而在2019年10月检查某化工厂220kV变电站GIS室防雷接地工程施工质量时，竟然出现按图施工还发生基础地板中的钢筋没有焊接成网和环形接地母线连接的质量事故，经查找原因竟然是设计方面的错误所致。

在GIS室地板混凝土已经浇筑完毕的情况下，设计院新的设计整改方案是，在GIS室设备基础下的范围内重新布设100cm×100cm的钢筋网片并焊接成方格网与基础槽钢接地扁钢焊接，再从此方格网下引8～9个与已完成的楼板内钢筋焊接连接，最后与室内环形接地母线连接，完成了整改。此次质量事故整改后虽经验收符合GB50169—2016施工验收规范的相关规定，满足防雷接地网连接要求，但却留下极为深刻的教训。

1 防雷接地网在220kV变电站GIS室中的地位与作用

现在的防雷已不是原来单纯的直击雷防护，而是具有系统的防护功能，即内外部防护功能系统：外部防雷功能主要体现在，当雷电击中建筑物时，雷电可直接通过避雷针、避雷带、地下引线等导入大地，以减弱雷电的威力，既可以保护建筑物的安全，也可以降低内部防护的压力；内部防护功能主要是为了保护室内人员和设备而设置的功能系统，即在被防护设备的位置前端设置防雷器，这样就构成了一个以线路、设备、大地于一体的等电位体，阻止雷电流，保护人员和设备的安全。通过内外部防护装置的有效结合，外部防雷系统使建筑物避免了被雷击的可能，内部防雷系统可以消除感应雷、过电压造成的设备损害隐患。

2 220kV变电站GIS室防雷接地网的设计理论概述

220kV变电站GIS室防雷接地网的建设不能只单纯考虑接地阻抗，还要全面、系统地考虑如：使用材料、敷设结构、跨步电压和接触电动势等方面的因素。

设计应遵循的基本原则。一是变电站GIS室防雷接地网的链接，必须是建筑基础主钢筋与自然金属接地物相连接；二是假如现场阻值达不到设计要求，就增加人工接地装置。前提是，第一以自然接地装置为基础，第二必须在防雷接地网的外围；三是必须采用综合接地网，以防止接触电动势和跨步电压对人员和设备造成影响[1]。

变电站GIS室防雷接地网的降阻措施。一是接地体自身阻值大小与接地体尺寸、规格的关系；二是接地体的阻值大小与土壤的化学性质有关；三是把握好垂直接地体的最佳埋设深度；四是化学降阻剂可以快速降低土壤电阻率[2]。

变电站GIS室防雷接地电阻的计算。按GB50065—2011附录A中A.0.3关于均匀土壤水瓶接地等相关的要求进行设计。其计算公式为：

式中Rn代表闭合接地网接地电阻；Rc代表等值方形接地网的接地电阻；S代表接地网总面积，m2；a代表水平接地体直径；L0代表总长度。

变电站GIS室防雷接地最大接触电压的计算。按照《交流电气装置的接地设计规范》（GB50065—2011）附录D.0.3中有关接触电位差的相关要求进行设计。其计算公式为：

式中P代表土壤电阻率；Km代表校正系数；K1代表不规校正系数；D代表平行导体间距；d代表导体直径。

变电站GIS室防雷接地网的施工验收，按GB50169—2016施工验收规范的相关要求进行施工和验收，特别是该规范的3.04、4.1.8、和4.2.9的强条规定。此外，接地网敷设按4.2.2的要求进行施工和验收；接地线按4.2.10的要求进行施工和验收；接地装置的人工接地极按表1和表2的规格进行施工和验收。

表2 铜及铜覆钢接地极的最小规格

3 优化220kV变电站GIS室防雷接地网的布置途径

3.1 优化变电站GIS室防雷接地网的布置途径

合理分布导体的泄漏电流密度。由于不等间距布置接地网可以增大电流的泄漏量，改善泄漏电流的密度，因此可根据电站GIS室的面积大小，分别按等间距和不等间距布置GIS接地网（表3）[3]。

合理安排土壤表面的电位分布。从表3可知，接地网进行不等间距的布置可较大程度地改善土壤表面的电位分布，大小网孔的相对差值不超过0.7%，使得各个网孔的电位大体相同；而接地网等间距布置，其大小网孔的相对差值却在12.2%以上。不仅如此，在接触电势方面，不等间距地网的最大接触电势要比等间距地网的最大接触电势低60.1%，极大程度地提升了接地网的安全系数[4]。

表3 等间距与不等间距结果比较

降低接地网接地电阻，确保人身和财产安全。变电站GIS室是强电、弱电设备最为集中的地方，电磁环境复杂。为确保变电站GIS室的人身和财产安全。可采取四项措施：扩大原有地网与土壤的接触面积，增设人工接地网；改善土壤电阻率，对电阻率低的土壤进行填充；采用深井接地；在材料使用上，尽量选用能延长接地体寿命和能降低接地电阻的镀铜钢材和长效接地极[5]。

3.2 优化变电站GIS室的接地网设计与施工

开工前，必须对变电站GIS室的接地网的设计图纸进行图纸会审，确认图纸没有问题后再进行施工。

要充分利用变电站GIS室基础钢筋网络作为接地体，这既是技术上的需要，也有利于经济效益的提高。具体做法：在建筑物四周每隔5m敷设均压带一圈，所用材料为50mm×5mm的镀铜扁钢；GIS室主体四周均压带之间用50mm×5mm镀铜扁钢搭接5m×5m的人工接地网，并进行焊接；最内圈均压环与基础引接，使用材料为热镀锌扁钢，规格是80mm×6mm，并用热熔焊焊接，焊接点做防腐处理。

用石墨接地极安装垂直接地极。具体做法：垂直接地体间距为5m一根，深度在冻土层以下；为提高接地网的散流效果，垂直接地体要布置在水平接地网边缘。

接地网的安装施工要点。按常规接地体、接地线有人工、天然两种方式，在实际施工中使用较多的还是人工。因为人工可减少外界的干扰和影响，促进接地电阻值达到规定的要求。人工接地体分水平和垂直两种。接地体施工要注意：垂直接地体相互之间的间距为5m左右，顶部埋深最大0.8m、最小0.5m；同向的道路、出入口其距离要在3m以上；使用材料为砂石沥青；土壤内部的接地连接必须焊接和做防腐处理。

加强对职工的质量意识教育。220kV变电站GIS室防雷接地网工程技术含量虽不复杂，但担负的责任却非常重大，一旦哪个部位的连接不到位，其后果将会不堪设想。从目前施工队伍的人员构成和队伍管理情况来看，新人多、经过培训的少，施工点多、转移速度快，管理章法欠缺、往往以包代管。从设计部门来讲，要对专业技术人员进行素质教育和责任心教育，出图之前要认真复核，更不能对同类型工程项目的图纸不做任何修改就进行复制。这些都是造成质量事故发生的人员和管理隐患。因此，今后在类似工程的设计与施工中，设计院要认真复核，施工单位必须在技术上要认真看懂图纸，在施工中要兢兢业业，认真负责，一丝不苟，才能避免类似事故的发生。

4 结语

为保证电网能安全稳定运行，在220kV变电站GIS室建设一个与之相适应的安全保护系统极为重要，其中防雷接地网的科学布置就是一个非常重要的环节。GIS室防雷接地网的合理布置，对提高220kV变电站安全运行具有极为重大的实践意义。

长期的施工实践还证明，要建立一个高质量的、确保安全运行的220kV变电站GIS室防雷接地网，必须要经设计、施工、监理各方的共同努力和协调配合才能实现理想的接地效果。