深井压力注浆接地技术研究在变电站中的应用

国网陕西省电力公司经济技术研究院 罗 海 国网榆林供电公司 魏 铎 白 璐 屈宏志 艾铖杰

西安卓力科技发展有限公司 杨 雄 程 营 王 盛

作为新型接地技术，变电站的压力注浆深井接地技术包含在国家电网公司国网基建部关于发布依托工程设计新技术推广应用实施目录中，该技术有效地解决了砂砾土及裂隙岩等电阻率较高的地区传统接地材料和接地网施工方法难以符合设计规范的问题，避免接地不良和雷击跳闸等事故，为长期的变电站接地系统做出可靠和稳定的技术保证。当前电力建设项目的预算和预算分配中，缺少与压力注浆匹配的子目。在之前对压力注浆的接地技术进行安装时，总预算的计算方法基本使用的是电力行业通用的“降阻剂”计算，或安装成本根据经验系数乘以设备和材料成本计入工程成本，这就导致费用的精度和实际费用有很大不同，不符合成本合理化的成本管理要求[1]。

1 压力注浆下的深井接地技术

压力注浆深井接地技术最明显的特点就是利用机械钻井，降阻材料是从管状接地体的内部注入，这也就使泥浆是从导流孔的位置流入到深井下部[2]。封井后，降阻材料注入岩土中并在注入岩土周围的金属矿物质层、地下水层及岩土缝隙中进行扩散，以更好的达到降低岩土视在电阻率的目的。

注浆工艺研究：在深井接地中使用注浆技术主要分为裂隙岩注浆法、砂砾石层注浆法。常用的砂砾石层注浆法主要有套管护壁注浆法、套管阀注浆法、钻进同步注浆法、打花管注浆法等，裂隙岩注浆法一般分为钻孔、清理注浆机碎屑和岩体裂缝、通过水压试验获取岩体渗透率的四个阶段[3]。裂隙岩注浆法可分为三个方法：由下部向上部栓塞注浆法、下部上部分段栓塞注浆法、由上部至下部栓塞注浆法。不同的注浆工艺具有不同的特点和应用前景。因此，最有效的注浆策略是结合现有注浆工艺寻找适合不同地质构造的注浆组合。

降阻机理研究：岩土的土壤电阻率特性与岩土成分、结构、温度、含水量、孔隙比等关键因素有直接关系，大量低电阻率材料填入岩层裂隙中，可大大降低岩层中各电性层的电阻率[4]。注浆过程中，大部分低电阻注浆物质都没有储存在深井里，而是借助压力填充在岩层裂缝和孔隙中，形成类似树状的低电阻网络。所以压力注浆接地技术降阻机理是最大限度地利用岩土结构的孔隙和裂缝，结合压力向岩土结构的细孔和裂缝中注入低电阻率材料浆体、达到改善岩土电阻率特性目的，从而达到降阻目的。

2 深井压力注浆接地技术施工工艺分析

2.1 施工工艺流程分析

施工准备：技术说明。按照批准的施工计划，施工单位将向施工负责人提供技术细节，包括施工现场的布局、施工方法、人员组织、材料和工具的准备、机械准备、技术对策、安全和环境保护的预防措施等；施工现场的准备。在最初的两项分项项目中，已完成了地基内的栅栏和警告标识等相关的安全对策；施工过程中的准备。为了开展工作，召开班级前的会议，检查机器和工具，确认是否满足施工条件。

操作流程。为便于压力注浆机的注入，将搅拌筒放置在接地极附近，要先将相应数量的水倒入搅拌筒内，按设计比例均匀搅拌导电剂，将注浆机的管与搅拌桶的管进行连接，用管连接到深井电极外露部分，使用压力注浆机将其注入深井，使用压力注浆机将导电剂完全混合，直到深井中充满导电剂；工艺标准。导电剂和水按照比例混合；施工准备。施工时各注浆压力控制为注浆≤1MPa，压力注浆4～8MPa，导电介质应与水均匀混合，运输、搅拌过程中应避免产生粉尘，保证施工现场的安全施工以及文明施工。

2.2 施工工艺技术的机理和特点

压力注浆接地技术是根据以往的深井接地技术又追加上的压力注浆技术。深井接地电极可根据砂壤土的腐蚀度用钢管、铜管、铜包覆钢材质管制成，ZLC-A型的Hi-c CPC导电剂可从喷嘴向深井内填充压力。压力注浆接地技术的电阻降低机制是在插入Hi-c CPC导电剂后，通过深井接地电极管的压力将Hi-c CPC导电剂注入深井，地面周围的砂壤土通过扩散到周围较宽的金属矿物质层和砂壤土中渗透，将原始松散的地层结构凝结在三维低电阻扩散网络表面，改变原砂壤土结构，降低砂壤土阻力，有效地减少接地电阻(图1）。试验表明，通过压力注浆接地技术后土壤视在电阻率的改善区域呈现不规则的椭球形，改善距离可达2米到几十米远（图2）。压力注浆接地技术实际上是一种巧妙的大范围土壤改性技术。

图1 填充了降阻剂的区域

图2 注浆后形成的立体网状结构

3 榆林某110kV变电站应用分析

3.1 工程简况

榆林市位于陕西省的最北端，市区内的地貌特征划分是以长城为界线，长城以北属于风沙草滩地带、占市区总面积42%，长城以南是黄土的丘陵地带、占市区总面积58%，地下水类型主要为潜水。本站采用以水平接地体为主、垂直接地体为辅的人工接地网。主地网采用－60×8mm镀锌扁钢，垂直接地体采用Φ50mm镀锌钢管、长度为2.5m，主地网的敷设深度为-1.7m。在进站大门等主要出入口处装设与接地网相连的均压带。降阻措施采用压力注浆接地技术，沿围墙设置6口36m深接地井，深井接地体采用φ48mm镀铜钢管接地极，注浆量设置46kg/m，接地体寿命40年，年腐蚀率约为0.065mm。

3.2 实施步骤和注浆状况

榆林110kV变电站项目使用压力注浆深井技术的降阻措施，深井注浆压力控制采用了三种注入方法，即一种低压控制和两种高压梯度控制，注浆材料选择碳基材料Hi-c CPC导电剂，采用高密度电流法对比注浆前后岩土电阻率特性的改善情况。注浆完成后，对各单口压力注浆深井进行接地电阻测量，并分别在接地极接入主接地前、后测量主接地网接地电阻。

3.3 试验数据分析

对低电阻率区域及表层细砂土壤（0～3m）视在电阻率的改善较小，当土壤视在电阻率值≤300Ωm时，其平均降阻效率约为30%。其原因是表层土壤较为松散，受自然降水及温度的影响其含水率较高，本身土壤视在电阻率值较低，可改善的域度有限。

对视在土壤电阻率值300～500Ωm的页岩层具有明显的改善作用。当土壤视在电阻率值为300～500Ωm时，其平均降阻效率约为30～50%（即将原土壤电阻率降低了30～50%）。也就是说：采用压力注浆深井接地方式可有效降低此类砂砾土、砂岩以及结构较为松散的风化岩等典型岩土的土壤视在电阻率值。其原因是此类岩土较为松散、孔隙率较大，虽然受岩土含水率的影响，其岩土本身含水率较高，但其岩土本身的土壤视在电阻率值较高，可改善的域度较大，当采用压力注浆深井接地方式将大部分孔隙注满低电阻率的Hi-c CPC导电剂时，其土壤视在电阻率值明显降低。

对视在土壤电阻率值500～1000Ωm的砂岩、泥岩等具有显著的改善作用。当土壤视在电阻率值为500～1000Ωm时，其平均降阻效率约为60～80%（即将原土壤电阻率降低了70～80%）。也就是说：采用压力注浆深井接地方式可有效降低结构较为完整的风化石灰岩、页岩、板岩、泥岩、砂岩、凝灰岩、大理岩、片麻岩等典型岩土的土壤视在电阻率值。其原因是此类岩土结构较完整、孔隙率较小，虽然裂隙发育较多但其岩土本身的含水率较低，因此土壤视在电阻率值高。当采用压力注浆深井接地方式时，在机械开孔的冲击力和注浆压力的作用下使这些裂隙进一步变大，当将大部分孔隙和裂隙注满低电阻率的Hi-c CPC导电剂时，其土壤视在电阻率值显著降低。

3.4 成本分析

深井压力注浆接地工程的合同成本比预算低约20%，主要原因是估计报价不平衡策略。这部分的综合单价下降主要是由于三个原因：合同费用的固定额还没有充分适用，合同费用不合理。深井接地埋设及压力注浆不适用于安装项目2018年版130元/m的额度，合同成本的分配比预算的分配水平低约60元/m，偏差约在13.44%左右；合同费用的设备材料的估计比较低，合同费用的设备材料的估计比预算低300元/m以上，偏差在50%；由于中标者采用了不平衡报价策略，工程量增加的可能性很高，导致施工材料整体单价上升，相应的项目整体收益水平也随之上升。建立压力注浆接地技术的施工预算指数，在对施工技术和施工过程的分析的基础上，样品项目是根据工作日的写实法等技术测定方法，以及手册、材料及机械的消费指标在现场测定的，为计价提供基本数据。

根据上述分析，针对于榆林边110kV变电站工程实例，在满足设计接地电阻要求值0.374Ω的前提下，通过电解离子接地、深井接地、压力注浆深井三种降阻措施的投资对比，工程的费用由高到低依次是深井接地＞电解离子接地＞压力注浆深井，压力注浆深井接地相较于深井接地和电解离子接地费用分别降低了12.5%和24.8%的投资。

结论：陕西榆林地区地质条件复杂、土壤电阻率较高，大大增加了接地系统设计的难度。新型压力注浆深井接地技术在榆林110kV变电站工程中的成功应用，表明该技术完全适用于陕西省榆林地区砂壤土、裂隙岩等典型地质条件下高土壤电阻率的变电站接地降阻工程，也为陕西电网针对高土壤电阻率地区如何进行准确而有效的降阻提供了新的解题方案。