離子接地技術(shù)在110kV 變電站接地網(wǎng)改造中的應(yīng)用

王世學(xué)，龔 震，李 峰，張 楊

（1.重慶市北碚縉能勘察設(shè)計(jì)院，重慶 400700 2.成都桑萊特科技股份有限公司重慶分公司，重慶 401147）

0 引言

變電所地網(wǎng)安全除了對(duì)接地阻抗有要求外，還對(duì)地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、使用壽命、地網(wǎng)穩(wěn)定性、跨步電位差、接觸電位差、轉(zhuǎn)移電位危害等提出了較高的要求。對(duì)于大多數(shù)土壤電阻率較大的變電站而言，只要使用合適的材料，比如離子接地體、銅材等，都可以解決地網(wǎng)使用壽命的問題，但降低接地電阻到要求的值卻是不容易的，這不僅要靠高降阻性的材料，而且要依靠施工技術(shù)，或者可以叫工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

甘肅省東岔110kV變電站于2003年12月30日投運(yùn)，由于變電站處于石山腳下、古河道之上，受常年雨水沖刷，地質(zhì)情況極其復(fù)雜。由地表向下5m深為沙石層、5～44m為卵石層、44m以下為基巖。據(jù)地質(zhì)人員介紹，基巖層厚度超過100m，也就是說由地表向下至少150m深內(nèi)無土壤層，這種地質(zhì)情況對(duì)于變電站接地網(wǎng)施工極為不利，導(dǎo)致變電站自運(yùn)行起就未達(dá)到變電站主接地網(wǎng)接地電阻小于0.5Ω的技術(shù)指標(biāo)。

為此，變電站從投運(yùn)至2006年底共進(jìn)行了兩次大規(guī)模改造。第一次改造方法是擴(kuò)大地網(wǎng)面積，將整個(gè)變電站的面積(144×78m2)全部使用，在擴(kuò)大地網(wǎng)面積的過程中使用了大量的降阻劑和黃土;第二次改造方法是采用深井法。兩次改造后接地網(wǎng)阻值大于1.6Ω，還是未達(dá)到110kV變電站主接地網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)。

2 第一次設(shè)計(jì)思路

2.1 接地改造工程應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)

接地裝置的工頻接地電阻:R≤0.5Ω;

地面跨步電壓:418V;

設(shè)備接觸電壓:207V;

設(shè)備接地引下線及地網(wǎng)主干線滿足7.75kA接地短路電流的熱穩(wěn)定要求;

接地裝置的設(shè)計(jì)使用壽命為30年;

其他參數(shù)在原地網(wǎng)設(shè)計(jì)已考慮。

2.2 設(shè)計(jì)思想

該變電站所處地區(qū)為河灘地，為砂石土壤，雖有一定濕度，但土壤導(dǎo)電性能較差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察變電站外，只有東面小樹林的土質(zhì)情況比較符合原始情況，經(jīng)在該地點(diǎn)測(cè)試土壤電阻率為500Ω·m。經(jīng)勘測(cè)0～40m深度為砂石結(jié)構(gòu)，超過40m后，逐漸進(jìn)入基巖結(jié)構(gòu)中，不宜采取深井式接地極進(jìn)行降阻。

應(yīng)主管供電局的要求及勘測(cè)情況得出改造措施是不改變?cè)鼐W(wǎng)結(jié)構(gòu)及尺寸，在變電站東墻外小樹林北邊新擴(kuò)一個(gè)面積為72m×144m地網(wǎng)，在變電站內(nèi)或在擴(kuò)網(wǎng)地上合理安裝國內(nèi)某廠家(銅)離子接地單元產(chǎn)品及填充高導(dǎo)活性離子填充劑進(jìn)行降阻防腐處理，通過該(銅)離子接地單元產(chǎn)品的高效降阻作用，達(dá)到使地網(wǎng)接地電阻降到小于0.5Ω的目的。

2.3 接地阻值計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合該廠家技術(shù)體系，在該地區(qū)安裝長度12m的離子接地單元的接地阻值變化范圍是10～5Ω，經(jīng)過一段時(shí)期的離子改良，阻值將長期穩(wěn)定在5Ω附近。

2.3.1 長度12m的離子接地單元的使用數(shù)量

原地網(wǎng)按1.6Ω考慮，長度12m的離子接地單元按8Ω考慮，根據(jù)接地體電阻并聯(lián)計(jì)算原則，若考慮原地網(wǎng)以及屏蔽系數(shù)影響，應(yīng)至少使用15套離子接地單元。

2.3.2 等間距布置的組合型離子接地體阻值計(jì)算

采用單個(gè)離子接地單元時(shí)，有時(shí)接地電阻達(dá)不到要求，往往采用組合體，即將若干離子接地單元用接地線連接起來。離子接地單元間的距離一般為其長度的2～3倍。

如組合接地體包含有N個(gè)離子接地單元，每個(gè)離子接地單元的接地電阻為R1。此時(shí)，由于屏蔽作用，其總接地電阻Rc一定比其并聯(lián)的計(jì)算電阻大，以ηc表示利用系數(shù)，則根據(jù)該廠家技術(shù)體系，長度12m的離子接地單元半球等效半徑為1.7m，間距D至少為34m，此時(shí)，屏蔽系數(shù)分為1.37，利用系數(shù)為0.73。

2.3.3 15套垂直接地體阻值的計(jì)算

接地體阻值計(jì)算式為:

式中:ηc——利用系數(shù)確定取0.73;

N——接地體的根數(shù)，取15套;

R1——單根接地體的接地阻值;經(jīng)試驗(yàn)在東岔地區(qū)取8Ω。

將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得組合接地體的接地阻值為0.73Ω。

2.3.4 水平接地體阻值的計(jì)算

由于離子接地單元之間常采用水平地線連接，所以需考慮水平連接線接地阻值的作用，其接地電阻計(jì)算公式如下:

式中:ρ——土壤電阻率，取500 Ω·m;

L——水平接地體的總長度，取1764m;

h——水平接地體埋設(shè)深度，取1.2m;

d——水平接地體的直徑或等效直徑，取0.05/2=0.025m;

A——水平接地極的形狀系數(shù)，取1(參考DL/T621－1997附錄A);

Rs——水平接地體的阻值Ω。

將以上數(shù)據(jù)代入公式(2)計(jì)算，得水平接地體的電阻為0.88Ω。

2.3.5 新建設(shè)復(fù)合接地網(wǎng)阻值的計(jì)算

由于離子接地單元之間采用水平地線連接，因此，計(jì)算考慮水平接地體與垂直接地體并聯(lián)的利用系數(shù)η。計(jì)算公式如下:

式中:η——利用系數(shù)，取0.9;Rc——垂直接地體的阻值，取0.73Ω;Rs——水平接地體的阻值，取0.88Ω;R——復(fù)合接地網(wǎng)的阻值。

將以上數(shù)據(jù)代入公式(3)計(jì)算，得復(fù)合網(wǎng)的接地電阻為0.44Ω。

2.3.6 與原地網(wǎng)合并阻值計(jì)算

根據(jù)接地體電阻并聯(lián)計(jì)算公式計(jì)算總接地電阻:

式中:R——復(fù)合接地網(wǎng)的阻值，取0.44Ω;

Ry——原接地網(wǎng)的接地電阻，取1.6Ω。

將以上數(shù)據(jù)帶入公式(4)計(jì)算，得總接地電阻約為0.34Ω。

以上數(shù)據(jù)均是理論計(jì)算數(shù)值，由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況復(fù)雜，總的接地電阻值會(huì)由于土壤電阻率的不均勻性及不確定因素的影響有一定的浮動(dòng)。

3 施工階段總結(jié)

2007年4～5 月第一階段施工測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第一階段施工測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 為接地極布置圖

若照此施工下去，新建地網(wǎng)的阻值為:

式中:Rx——已安裝的10套離子接地單元的平均值，為12.61Ω;

η——已安裝的10套離子接地單元的利用系數(shù)，取0.67;

新建地網(wǎng)與變電站內(nèi)地網(wǎng)連接后的阻值為:

式中:Ry——變電站內(nèi)接地網(wǎng)的阻值，取1.6Ω;

η——新建地網(wǎng)與變電站內(nèi)地網(wǎng)連接的利用系數(shù)，取0.9;

結(jié)論:按本方案繼續(xù)施工將無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

分析出現(xiàn)這種偏差的原因是:

①單根離子接地極的實(shí)際值均大于設(shè)計(jì)值(8Ω);

②多根離子接地極連接后的利用系數(shù)0.67小于設(shè)計(jì)值(0.73)。

4 桑萊特調(diào)整設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)調(diào)整思路及原則

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采取降阻效率更高的ALG離子接地極。

在接地極周圍置換土壤電阻率較低的黃土。水平接地體周圍的換土量深應(yīng)不小于1.5m，寬應(yīng)不小于1.2m。而垂直接地極的換土量則應(yīng)根據(jù)垂直接地極的長度而確定。為方便施工，本方案采用3 m的ALG防腐離子接地體。

因面積有限，故單根垂直接地極的接地電阻應(yīng)足夠小，在新征地的東邊及第一階段未安裝深井接地極的地方，安裝ALG防腐離子接地體，減小屏蔽效應(yīng)，提高利用率。

4.2 地網(wǎng)接地電阻的理論計(jì)算

設(shè)計(jì)條件:

基土的土壤電阻率:ρ=300Ω.m;

外引敷設(shè)地網(wǎng)面積S=10368m2;

接地電阻要求R≤0.5Ω;

水平地網(wǎng)埋深0.8m，水平接地線采用－50×5的熱鍍鋅扁鋼加物理降阻劑，新增垂直接地極采用3m ALG防腐離子接地體。

①要達(dá)到0.5Ω的接地要求，外引地網(wǎng)應(yīng)達(dá)到的接地電阻為:

式中:R——接地要求電阻值:0.5Ω;

R1——原地網(wǎng)的接地電阻:1.6Ω;

R2——新建地網(wǎng)的接地電阻:Ω;

η ——利用系數(shù)，0.9。

②外引水平地網(wǎng)的接地電阻:

式中:R——水平接地極的接地電阻(Ω);

ρ——土壤電阻率，取300Ω.m;S ——地網(wǎng)面積，約為10368m2。

③要達(dá)到0.626Ω的接地要求，需垂直接地極的接地電阻根據(jù)式(5)計(jì)算，式中各量為:

R——接地要求電阻值，取0.626Ω;

R1——外引地網(wǎng)的接地電阻，取1.227Ω;

R2——垂直接地極的接地電阻(Ω);

η——利用系數(shù)，取0.9。

④單套3m ALG防腐離子接地體的接地電阻為:

⑤原10套12m深井的接地電阻(因地網(wǎng)擴(kuò)建，原安裝的6#、7#、10#深井會(huì)被屏蔽掉)，根據(jù)第一階段施工后實(shí)測(cè)值計(jì)算出接地極的利用系數(shù)為0.67。故:

式中:ρ——土壤電阻率，取300Ω.m;

L——ALG防腐離子接地體的長度，取3.0m;

D——接地極等效直徑，取0.18m;

式中:R7——原深井接地極地網(wǎng)(屏蔽后)的接地電阻，取2.415Ω;

⑥安裝21套3m ALG防腐離子接地體后的接地電阻為:

式中:n——ALG防腐離子接地體的數(shù)量，21套;

Rv——單套ALG防腐離子接地體的接地電阻，取13.39Ω;

R——ALG防腐離子接地體并聯(lián)后的接地電阻;

η——多根垂直接地體利用系數(shù)，取0.65。

式中:R—垂直接地極的接地電阻(Ω);

R1—ALG防腐離子接地體地網(wǎng)的接地電阻，取0.981Ω;

R2—原深井接地極地網(wǎng)(屏蔽后)的接地電阻，取2.415Ω;

η—利用效率，取0.667。

⑧外引地網(wǎng)的接地電阻R，根據(jù)式(9)計(jì)算，式中各量取值為:

R1——外引水平接地極的接地電阻，取1.227Ω;

R2——外引垂直接地極的接地電阻，1.041Ω;

η——利用系數(shù)，取0.9。

⑨地網(wǎng)的總接地電阻R，根據(jù)式(9)計(jì)算，式中各量取值為:

R1——原變電站地網(wǎng)的接地電阻，1.6Ω;

R2——新建地網(wǎng)的接地電阻，0.626Ω;

η ——利用系數(shù)，0.9。

5 驗(yàn)收結(jié)果

主管供電公司修試所高壓試驗(yàn)班2007年8月28號(hào)對(duì)該110kV變電站接地網(wǎng)改造工程進(jìn)行驗(yàn)收，情況如下:

使用儀器:HMDWR－1A大型地網(wǎng)電阻測(cè)試儀;

測(cè)試線型號(hào):4mm2銅線;

測(cè)試線長度:電壓極線長 150m，電流線長300m;

測(cè)試方法:30°夾角測(cè)試法;

測(cè)試數(shù)據(jù):0.348Ω(放線方向?yàn)樽冸娬緰|側(cè)，地質(zhì)情況為原土質(zhì)結(jié)構(gòu));

0.429 Ω(放線方向?yàn)樽冸娬疚鱾?cè)，地質(zhì)情況為新回填建筑垃圾，測(cè)試極固定在石堆中)。

驗(yàn)收結(jié)果:合格

6 結(jié)論

通過該站接地網(wǎng)的建設(shè)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，任何有降阻難度的接地網(wǎng)建設(shè)都不能單純依靠產(chǎn)品材料堆積，而要重視將產(chǎn)品材料高效應(yīng)用的技術(shù)，這也是本站歷次整改最終合格的根本原因。

［1］ DL/T 621，交流電氣裝置的接地［S］.

［2］ GB/T 17949.1，接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測(cè)量導(dǎo)則［S］.

［3］ DL/T 475，接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則［S］.