高山地区变电站接地网的设计及应用

白永胜

（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003）

1 接地网设计的约束条件

1.1 电网安全对接地网的要求

变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保证运行人员和电气设备安全的根本保障。随着电网容量的增大，故障时经地网流散的电流愈来愈大。调查表明，我国曾发生多起因接地网的接地电阻达不到要求而导致的重大变电站停电事故和火灾事故。接地网的可靠关系到电网的安全稳定运行，故接地网的可靠运行和接地电阻的准确测量至关重要。

1.2 接地电阻允许值

我国电力行业接地规程规定，接地装置的接地电阻R不符合R≤2 000/I时，可通过技术经济比较增大R，且应该R＜5Ω。但是，当土壤电阻率特别高时，即使将R放宽到5Ω，接地网也无法满足要求。另一方面，随着系统容量的不断增大，国内某些变电站的短路入地电流已达30 kA，甚至更大，即使将R降到0．5Ω，其地电位升也有15 kV。从实际运行看，甚至地电位升到14．5 kV都可能不会造成设备与人身伤害。一定的地电位升是否会损坏设备与采用的设备及其布置方案等因素相关。

1.3 土壤结构组成对接地电阻的影响[1]

土壤的结构对接地网流散电流的效果影响至关重要，因不同结构的土壤其反射系数不同，随着反射系数绝对值的增大，对于相同厚度的土壤其接地电阻的相对误差越来越大，而且反射系数为正时的最大相对误差(0%～40%)变化大于反射系数为负时的最大相对误差(0%～10%)。以两层土壤为例，当上层土壤电阻率大于下层土壤电阻率时,用0.618法测量接地电阻的精度比较高；对于相同反射系数的土壤，随着土壤厚度的增加，相对误差先增大后减小，且在上层土壤厚度与接地网半径相近时误差最大。

土壤电阻率ρ的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量，它是土壤中所含导电离子浓度A的倒数A1和单位体积土壤含水量B的倒数B1的函数。也就是说，土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小；反之就越大。如沙河中河底的ρ较大，就是河底流水的冲刷、导电离子浓度较小所致。土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好，ρ就越小；反之就越大。这就是接地体的接地电阻随土壤干湿变化的原因。当含水量达到15%～20%及以上时，ρ下降很少。不同土质的土壤电阻率不同，甚至相差几千到几万倍。温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降。当温度再下降时，ρ出现明显的增大；而温度从0°C上升时，ρ仅平稳下降。土壤的致密性对土壤电阻率也有一定的影响。实验表明，当黏土的质量分数为10%，温度不变，单位压力由1 961 Pa增大10倍到19 610 Pa时，ρ可下降到原来的65%。因此，必须将接地体四周的回填土夯实，使接地极与土壤紧密接触，才能达到减小土壤电阻率的效果。

2 高土壤电阻率地区变电站接地网设计

2.1 东山地区土壤条件概况

山西太钢东山石灰窑35 kV变电站地处太行山脉大凉山1 145 m海拔高地，土壤结构成分多为灰岩，属高土壤电阻率地区，其土壤电阻率最高为1 300Ω·m左右，变电站内面积2 204 m2,地网面积1 664 m2。变电站接地电阻要求不大于4Ω，独立避雷针地网要求不大于10Ω，根据相关计算，仅靠常规接地不能达到要求。由于地质条件差，大部分属于高土壤电阻率地质，接地材料质量的好坏直接关系到设备的正常运行及人身安全。为此，针对接地材料的选择和接地网设计提出严格要求。

2.2 东山石灰窑变电站地质结构分析

通过在变电站原始地表进行地质勘探，采用钻孔取样得到该地区的土壤分布状况，如表1。

表1 东山35 kV变电站土壤结构分布图

2.3 东山土壤接地电阻测量[2]

土壤的接地电阻与其组成结构有关，土壤电阻率是决定接地体电阻的重要因素。为了合理设计接地装置，必须对土壤电阻率进行实测，以便用实测电阻率作接地电阻的计算参数。测量土壤电阻率的方法之一是对接地体进行接地电阻测量，测得接地体接地电阻后，再计算土壤电阻率。

1）用钢管或圆钢作接地体

式中：L为钢管或圆钢入地长度，m；d为钢管或圆钢直径，m；Rj为测出的接地电阻值，Ω。

2）用扁钢作接地体

式中：L为扁钢长度，m；b为扁钢厚度，m；h为埋设深度，m。

上述方法有个缺点，就是由于存在接地电阻的影响，可能造成很大误差，如果地层结构不均匀，计算出来的土壤电阻率也随着接地体的尺寸和埋设方式不同而变化。

3 东山石灰窑35 kV变电站接地网的设计（见表2）

3.1 接地材料的选择

为提高接地网的流散电流效果，接地极采用表2中地层编号3。

表2 东山石灰窑35 kV变电站接地网的设计

ALG防腐离子接地体。ALG防腐离子接地体为三部分组成：防护罩，电极单元，HC高能回填料。防护罩为工程防爆塑料制造，能直接铺设于地面，保证承重5 t以上；电极单元为耐腐蚀的合金材料，主体为铜质，电极单元内部能缓慢释放导电离子；回填料具有强吸水性、强吸附能力和离子交换能力。表2接地材料的技术指标见表3。

表3 接地材料的技术指标

3.2 地质条件的改善

换土对降低土壤电阻率有良好的效果。变电站位于的基层为岩石，采用开挖基坑后更换黏土的方法改善土壤条件。该变电站设计时更换地表以下1.5 m的深度岩石为黏土，一方面保证地面含养，保持水分；另一方面便于绿化，改善山区环境。黏土的硬度对接地网的保护也起到了良好作用。

采用降阻剂回填接地极的方法也改善了接地效果。该变电站采用天然火山灰作为化学降阻剂，可以有效地降低土壤电阻率。降阻剂技术指标见表4。

表4 降阻剂技术指标

4 结论

通过采用改善土壤结构、增加接地极的长度和回填降阻剂的方法，最终实际测量东山石灰窑35 kV变电站的接地电阻值为1.5Ω，达到了规范要求。同一地区采用普通扁钢接地网设计方法，接地电阻值测量为35Ω。因此，在岩石山地采用防腐离子接地体和铜带接地网以及换土、回填降阻剂的方法能够解决高山地区变电站建设接地网的设计问题。