庆阳市某变电站接地网改造工程设计

徐 耕，王容鹤

（1．庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000；2.庆阳市资源勘查院，甘肃 庆阳 745000）

雷电是自然界中一种复杂的大气物理现象，是带电荷的云层内部、云层与大地、云层与云层之间产生的一种远距离的瞬间放电现象，表现出高电压、大电流、强电磁辐射、瞬时性、突发性与破坏性强等特点。近年来，随着社会经济与科学技术的飞速发展，雷电发生频率显著升高，由此造成的影响与破坏也日趋严重。据统计，全球每分钟将会发生2 000次雷电过程，每年由雷击造成的人员伤亡数量多于1万人，由此造成的通信中断、电力线路故障、火灾、爆炸等安全事故逐年增多。庆阳市位于甘肃省东部，该地区的雷电活动较强。特别是在夏季，雷电活动尤为强烈且多发，严重影响了当地民众的日常生产和生活，甚至危及生命安全。庆阳某变电站位于庆阳市郊处，该地区土壤电阻率为400Ω·m。地形平坦，地下水位深度约32 m，最大冻土深度约1.15 m。这个变电站基础土壤的主要成份为黄土状亚粘土或轻亚粘土。上部为0.6 m左右厚的耕土，有大孔隙，15 m以下为轻亚粘土夹数层砂卵石。地质构造简单均匀。随着该变电站运行时间的增长，雷雨天时站内设备出现故障的频率也不断增加。经勘查，主要是因为该站的接地网接地电阻超标，不能及时泄放雷电流造成。因此，做好雷电防护工作，对于保障大众的生命财产安全具有重要意义。接地网的作用较多，主要有雷电流的泄放、故障电流的泄流、精密仪器设备的工作接地等。然而接地网在运行过程中随着使用年限的增加，容易出现断裂、腐蚀的情况，发生安全事故的风险变大[1]。随着变电站的不断发展，接入地网的高精度弱电设备也逐渐增多，这些设备需有良好的接地才能正常使用运行。这就对变电站接地网提出了更高的标准，其运行安全也越来越受到重视，其中，接地电阻是衡量地网的一个极为重要的技术参数，在变电站正常运行中必须达到一定的规范数值才可以。本文通过对该变电站原地网及地质情况的实际勘察，结合国家标准和电力行业的要求对该站接地网进行改造。测量改造完成后，地网的跨步电压和设备接触电压等均达到了电力行业标准的规定。

1 原接地网存在的隐患

1.1 接地材料存在严重腐蚀、断裂

在对原接地网开挖检查发现地网接地体锈蚀腐烂严重，腐蚀情况如图1所示。接地线和接地体的截面积偏小，后对接地体进行了电阻测试，发现其接地电阻阻值也超标严重。在地网对角方向，测得接地电阻为0.98Ω，而在另一处对角线方向测量时接地电阻为1.68Ω。二者接地电阻值相差较大，说明接地网在埋入地下的接地装置已不是一个整体，埋入地下的接地扁铁已被腐蚀断裂，无法满足国标和电力行业对接地网的要求。接地网锈蚀除了运行时间较长，另外地网中杂散电流也会加速电化学腐蚀的进程。发生这种情况后，地网在进行雷电流泄流或接入地网的设备发生漏电等情况时，存在很大的安全隐患，严重时会导致人员安全问题。

图1 接地带扁钢的腐蚀情况

1.2 接地电阻超标

接地电阻的目标值由下式确定：

式中I为实际流入接地网的接地短路电流值，该站的I为1 880 A，则接地电阻的理论值应该为0.94Ω。而接地电阻实测值为0.98～1.68Ω，超过了接地电阻的要求，需要对接地网进行改造，以达到降低接地电阻的目的。

2 接地网工程改造

原地网的情况如图2所示，针对该变电站接地网存在的隐患对原接地网进行改造。主要有以下措施。

图2 变电站原地网状况

（1）挖开已断裂腐蚀的接地体，用新的热镀锌扁铁进行更换，对新敷设的接地体采取严格的防腐措施，延长使用寿命[2]。

（2）对电阻率较高的地方，采取有效的降阻措施，利用降阻剂与埋设新接地极的方法进行改造设计[3]。

（3）设计新的接地网，与原地网好的部分连为一体，增大地网的面积。这样形成的新地网具有更好的导通性，不但对接入地网的设备可以重新起到保护作用，也使地网的跨步电压和设备接触电压达到电力部门的要求[4]。

3 接地网改造措施

图3 文纳四级法连接图

3.1 地网改造方案

变电站站内接地网设计：开工前对现场进行详细检查分析，开挖原地网的原则为尽量保护地面设施，能不开挖的不开挖，能小面积开挖的小面积开挖，开挖后及时恢复原样。新铺设的接地网应覆盖整个变电站，为保证均压效果、跨步电压以及设备接触电压符合要求，全站接地以水平接地体为主，以垂直接地体为辅组成符合接地网。主接地网沟深0.9 m，采用热镀锌圆钢进行敷设，垂直接地体采用热镀锌角钢埋设。降阻剂采用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂，主要使用在土壤电阻率较高的区域，搅拌均匀后包裹人工接地体，达到降低土壤电阻率的目的。

经对现场检查分析后，结合构建筑物、电器设备、道路等相关设施位置规划，针对部分设备不能断电改造的特殊要求，考虑采用新旧地网更换引出线、连接线，不影响设备正常运行的方式，设计中提出了2种降阻方案。

方案一：站内接地网为7 m×7 m的方孔接地体，材料用的是普通扁钢。经现场测量站后有一块果林的土壤电阻率约250Ω·m。在该站周围测试发现，可以在原地网的状况上做水平外引接地体。水平外引接地体的长度为120 m，宽度为60 m，围绕原地网进行敷设，形状为矩形。然后其内部做成30 m×30 m的网孔。再结合水平外引接地体并使用GPF-94降阻剂包裹接地体可以达到目标要求。完成图如图4所示。

图4 方案一改造后的地网状况

在此方案中ρ为250Ω·m，地网的面积为7 200 m2计算得出R=1.91Ω。使用截面为0.2 m×0.15 m（15 kg/m）的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂后，接地电阻降为

式中，Rg2为未施加降阻剂时的工频接地电阻；Rg1为施加降阻剂以后，接地装置的接地电阻；Kf为降阻剂的降阻系数，其值与施加降阻剂的截面尺寸有关；这里2种方案里按使用量取值0.6；Kp为地网的屏蔽系数，对地网Kp一般为1.2~1.3。

经计算，Rg1为1.91Ω，Kp取1.2，代入公式计算得到Rg2为1.3Ω。与站内接地网并联后，由，R1为原地网电阻，2.08Ω，R2为1.3Ω。代入公式得R=0.85Ω符合目标值要求。

方案二：站内接地网与仓库外围自然接地体连接，再结合水平外引接地体，并使用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂进行包裹接地体的方法进行敷设。变电站旁边有一仓库，在距离仓库3 m处，均匀对称打下4根垂直接地体，在垂直接地体上敷设一圈水平外引接地体，水平外引接地体与垂直接地体相连。互相连接后与变电站地网再进行并联，站内接地网为7 m×7 m的方孔接地体，用材为普通扁钢。变电站旁有一自来水管，地网与站后一段自来水管道连接（长约2 km）。相当于使用了自然接地体，可以有效降低电阻。改造后的地网状况如图5所示。

图5 方案二地网改造情况

式中，ρ为土壤电阻率，290Ω·m；A为设计地网的面积，18 m2。在此方案中ρ为290Ω·m，地网的面积为18 m2计算得出R=8.11Ω。

施加截面0.2 m×0.2 m（20 kg/m）的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂后，接地电阻计算：

在此计算时，Rg1为8.11Ω，Kp取1.2，代入公式计算得出Rg2为4.87Ω。连接自来水管道、并联站内接地网后接地电阻=0.78Ω降到目标值要求的0.94Ω以下。

上述两套方案均能实现改造地网的目标。但经对比，方案一比方案二使用的材料和降阻剂稍多一点，且方案一中涉及使用农民的土地（果林），需要给农民给予一定的经济补偿。所以选择了方案二对该站的接地网进行改造。

3.2 降阻剂的选择

GPF-94降阻剂由多种成份组成，其中含有细石墨、膨润土、固化剂、润滑剂和导电水泥等[5]。在接地体周围使用这种降阻剂时，一方面能够与金属接地体紧密接触，形成足够大的电流流通面；另一方面它能向周围土壤渗透，降低周围土壤电阻率，在接地体周围形成一个变化平缓的低电阻区域，这样使接地体的电阻大大减小。

如果能正确地掌握降阻剂的用量和施工方法会给施工带来事半功倍的效果。降阻剂与水以3∶2的比例混合。搅拌要充分，整体成浆糊状为好。均匀施加在接地体的周围，不能出现脱节现象，要不会出现接地体锈蚀等问题。同时要注意降阻剂用量愈大，降阻率愈大，但降阻剂用量增大到一定程度，降阻效果会出现饱和现象。在与土壤交界处的接地极要采取防腐措施，保证施工质量，充分发挥降阻剂的作用，有效降低接地电阻。

3.3 防腐措施

（1）地网改造过程中所用的钢材都使用热镀锌钢材，可以有效防止钢材内部的锈蚀。

（2）GPF-94降阻剂成分中含有防腐剂，减少了接地体与土壤接触面积，降低了接地体被空气的腐蚀概率。

（3）在水平接地体与垂直接地体焊接位置处涂刷防腐涂料。在涂刷防腐沥青漆时需要将虚焊部位的焊渣清理干净，否则会导致涂刷不全面，不能对焊点起到防腐保护作用。

4 接地改造效果

4.1 接地电阻测量试验

经文纳四极法计算接地电阻，U与I的取值在表1中取值计算得到。该站接地电阻的目标值为0.94Ω，符合要求，说明降阻方案是可行并成功的。

表1 接地电阻试验结果

4.2 设备接触电位试验

电力行业标准DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》第3.4条a规定：在220kV及以上有效接地系统发生单相接地或异点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差不应超过下列数值[2]。

式中，ρ为人脚站立地表面的土壤电阻率，Ω·m；t为接地短路（故障）电流持续时间，ρ取值为290Ω·m，时间取2 s，计算得出E为157 V。

经过测试，部分设备的接触电压超过了目标值157 V的要求。需在设备下铺设一层高土壤电阻率的砾石，或者铺设沥青。以此保证工作人员在日常维护设备时的人身安全。

4.3 电位分布试验

式中，Usmax为最大跨步电压，V；Ksmax为最大跨步电压系数；Ug为电压，得出Usmax=KsmaxUg=248.1 V。

沿站四周分别选择了四个测试点，每隔0.8 m测量一次，实际测得最大跨步电压为20.85 V≤Usmax，所以改造后地网的跨步电压符合目标值要求。

5 结论

通过对该接地网主要参数的测量，得出采用此方案进行改造后是比较成功的。得出以下结论：

（1）变电站的接地网改造设计工程较为复杂，包含了现场勘察、接地体的安装、降阻剂的选择与使用等，需要综合考虑后再进行设计改造方案。

（2）各种措施应根据现场的实际条件进行，不能盲目地照搬国标规范。

（3）降阻剂要慎重选择。在选择降阻剂时，一是要考虑其性能如何。能否在该土壤条件下起到吸水、防腐的性能。二是要考虑其用法，不能盲目的去使用，需要考虑屏蔽作用带来的影响，以免达不到预期的目标。