接地模塊在降低變電站接地電阻中的應(yīng)用

陸德琳

（浙江省富陽(yáng)市供電局，浙江 富陽(yáng) 311400）

變電站接地網(wǎng)對(duì)于電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和變電站工作人員的人身安全起著重要作用，其接地電阻、跨步電壓與接觸電壓是變電站接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，因此,變電站在投入運(yùn)行前，接地電阻必須達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，否則變電站將無(wú)法正常運(yùn)行。然而，有些變電站由于受地理?xiàng)l件的限制，不得不建在高土壤電阻率地區(qū)，導(dǎo)致這些變電站的接地電阻、跨步電壓與接觸電壓的設(shè)計(jì)計(jì)算值偏高，無(wú)法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中如何合理確定接地裝置的設(shè)計(jì)方案，降低接地電阻，這是變電站電氣設(shè)計(jì)施工的重點(diǎn)之一。如何降低電力系統(tǒng)接地裝置的接地電阻，長(zhǎng)期以來(lái)一直是電力系統(tǒng)關(guān)心的重要問(wèn)題之一。接地模塊接地技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的降低接地裝置接地電阻的新技術(shù)，通過(guò)安裝接地模塊，起到改善很大范圍的土壤導(dǎo)電性能的目的，相當(dāng)于大范圍的土壤改性。本文就以富陽(yáng)110kV新桐變電站為例，分析其接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，并給出了理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果。

1 接地模塊降低接地電阻的原理

1.1 接地模塊原理

接地模塊是以導(dǎo)電非金屬材料為主的接地體，它由導(dǎo)電性、穩(wěn)定性好的非金屬材料、電解質(zhì)、保濕吸濕劑和防腐金屬電極芯組成。模塊埋入土壤中后，與土壤緊密接觸，大幅度地?cái)U(kuò)大了接地體的散流面積，有效地降低了接地電阻。模塊特有的保濕、吸濕性，使其周圍附近的土壤保持較低的電阻率，進(jìn)一步改善了接地體的導(dǎo)電性能。接地模塊通常采用壓鑄法成型，使低電阻非金屬材料與防腐金屬電極形成緊密穩(wěn)固的接觸，擴(kuò)大了金屬電極的導(dǎo)電面積，由于非金屬材料的自由電子擴(kuò)散作用，在模塊周圍形成一個(gè)穩(wěn)固的低電阻區(qū)域，達(dá)到了非常好的降阻效果，改善了接地模塊（接地體）附近土壤電阻率，減少了接觸電阻，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接地體的良好降阻效果。

1.2 接地模塊性能特點(diǎn)

1）由于接地模塊內(nèi)置防腐金屬電極、周圍密實(shí)包裹著物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的低電阻導(dǎo)電材料，保證了接地模塊的導(dǎo)電性不受季節(jié)影響。

2）具有吸濕、保濕特性，接地模塊電阻低且能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3）在高土壤電阻率地區(qū)，能有效降低地網(wǎng)接地電阻。

4）經(jīng)多次大電流沖擊后，阻值不增大，無(wú)變硬、發(fā)脆、斷裂等現(xiàn)象發(fā)生。

5）耐腐蝕、無(wú)毒害、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用壽命長(zhǎng)，大于30年。

2 接地模塊在降低接地電阻中的應(yīng)用

對(duì)于高土壤電阻率變電站的接地系統(tǒng)，由于其復(fù)雜的地質(zhì)，若使用單一接地裝置來(lái)降低接地電阻，會(huì)造成預(yù)算增大、無(wú)接地施工空間等矛盾。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率、可供施工面積、不同地形、投資額度等因素合理選擇使用接地裝置，是目前變電站接地設(shè)計(jì)常使用的方案。這樣即可保障線路、設(shè)備的正常運(yùn)行，又可以避免接地裝置工程投資過(guò)高情況的發(fā)生。

110kV富陽(yáng)新桐變電站位于富陽(yáng)市礦山工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，占地59m×57m，地質(zhì)以塊石填土、粘土為主，綜合考慮，土壤電阻率約為600Ω·m。該站地質(zhì)條件復(fù)雜、土壤電阻率較高及施工現(xiàn)場(chǎng)較為狹窄，其工頻接地電阻的設(shè)計(jì)要求為小于0.5?。

2.1 增大接地面積方案

變電站常規(guī)接地網(wǎng)一般采用熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體、2.5m的圓鋼或者角鋼作為垂直接地體的綜合接地，根據(jù)發(fā)、變電站接地網(wǎng)工頻接地電阻的經(jīng)驗(yàn)公式可得知，在土壤電阻率不變的情況下，面積越大，接地電阻值就越??；但由于該變電站占地面積較小，更沒(méi)有擴(kuò)大接地面積的可能，因此采用此種接地方式無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，且難以施工，故未予采納。

2.2 深井接地方案

深井方案由于在站內(nèi)處理不會(huì)涉及政策處理問(wèn)題，是最先考慮方案，但由于所內(nèi)10m以下為風(fēng)化凝灰?guī)r，土壤電阻率較高，即使土壤電阻率按600Ω·m計(jì)算，150m深井的接地電阻約為9?，不考慮屏蔽效應(yīng)，20口150m的深井理論才能降至0.5?，但由于變電站面積較小，較多的深井施工無(wú)法實(shí)施，產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)也會(huì)很強(qiáng)，且 150m的深井施工產(chǎn)生的費(fèi)用無(wú)法估量，故未予采納。

2.3 外引接地方案

對(duì)予面積較小，地質(zhì)復(fù)雜的變電站，外引接地是一很好的選擇，可利用其較大的面積、較低的土壤電阻率降低電阻。但外引接地也同時(shí)存在較大問(wèn)題，涉及征地、管理、安全等問(wèn)題。如浙江省220kV某變電站外引接地至江河中，由于管理不便，存在被偷盜，挖沙船破壞現(xiàn)象，致使接地網(wǎng)不能很好的起到降低接地電阻的作用；以及部分變電站外引接地至耕地，管理不便以致被偷盜，蓋房挖斷等，接地網(wǎng)嚴(yán)重破壞。110kV富陽(yáng)新桐變電站位于開(kāi)發(fā)區(qū)交通要道邊，附近又無(wú)可利用土地，故不予采納。

2.4 局部換土方案

用局部換土的方式來(lái)降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻，是提高接地效果的有力措施。一般可就近取水塘、稻田泥土或特別低土壤電阻率礦物質(zhì)土壤，置換范圍在接地體周圍 0.5m以內(nèi)和接地體的 1/3處。但根據(jù)此站的地理位置，這種取土置換方法對(duì)人力和工時(shí)耗費(fèi)都較大，綜合費(fèi)用較高，降阻效果很難達(dá)到要求，故不予采納。

2.5 綜合降阻方案

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況、地質(zhì)報(bào)告、地勘報(bào)告的分析研究，采取了接地模塊、離子接地極等新型接地材料的綜合降阻方案。也是目前常用的降阻方案，具體為：該站依然采用常規(guī)接地網(wǎng)，輔以接地模塊做垂直接地體，離子接地極做接地深井，每個(gè)深井回填接地高效回填料，垂直接地體接地模塊和水平接地體在回填時(shí)采用土壤電阻率較低的土進(jìn)行回填，確保降阻效果。具體施工方法見(jiàn)圖1。

圖1 富陽(yáng)110kV新桐變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖

3 降阻的理論計(jì)算

本站采用-60mm×8mm的熱鍍鋅扁鋼1600m做水平接地網(wǎng)，間隔約為 5m，埋設(shè)深度為 0.8m；用500mm×400mm×50mm的接地模塊做垂直接地體，數(shù)量228個(gè)點(diǎn)（256塊），用φ55，L=3m的離子接地極做接地深井，深10m，每個(gè)深井回填150kg接地高效回填料。垂直接地體接地模塊和水平接地體在回填時(shí)采用土壤電阻率小于100Ω·m的粘土回填，確保接地體與大地接觸電阻達(dá)到最小。

3.1 計(jì)算條件

1）土壤電阻率 ρ=600?·m。

2）地網(wǎng)面積S=3363m2。

3）水平接地體L=1600m。

4）深井接地體L=10m，共12個(gè)。

5）垂直接地體接地模塊n=256塊。

3.2 接地電阻計(jì)算

1）水平地網(wǎng)工頻接地電阻Rs的計(jì)算：

2）垂直接地體接地模塊降低接地電阻的計(jì)算：

垂直接地體接地模塊敷設(shè)換土回填對(duì)周圍土壤環(huán)境的影響系數(shù)為：γ2=0.9（實(shí)驗(yàn)所得）

Rm=0.160ρ2=86.4Ω（單塊接地模塊的接地電阻）

Rz= Rm/nμa=0.701Ω＞Ry（接地模塊并聯(lián)后的接地電阻）

其中，ρ2為土壤電阻率，取 540Ω·m；n為接地模塊點(diǎn)數(shù)量，取228；μ為屏蔽系數(shù),取0.6；a為雙接地模塊利用系數(shù),取0.9。

3）垂直接地體（離子接地極）接地深井降低接地電阻的計(jì)算：

垂直接地體深井接地極敷設(shè)離子緩釋劑對(duì)周圍土壤環(huán)境的影響系數(shù)為：γ3=0.38（實(shí)驗(yàn)所得）ρ3=ργ3=228Ω·m

單根深井接地極的計(jì)算

式（1）中，Rs為單根深井接地極接地電阻（?）；ρ3為土壤電阻率（?·m）；L為接地極長(zhǎng)度（m）；D為灌外回填土的等效垂直接地體直徑，取0.152m；K為降阻系數(shù)。

當(dāng)ρ≤50?·m K取 5

50≤ρ＜100?·m K 取 10

100≤ρ＜500?·m K 取 15

500≤ρ＜1000?·m K 取 20

ρ≥1000?·m K 取 25

當(dāng)多根深井接地極組成接地系統(tǒng)：

式（2）中，Rc為單根深井接地極接地電阻（?）；n為深井接地極數(shù)量（根）， 取12；η為利用系數(shù)，取0.56；Rn為n根深井接地極的接地電阻（?）。

4）變電站工頻接地電阻：Rq=1/（1/ Rω+1/Rz+1/Rn）=0.419Ω＜Ry此理論值完全符合接地設(shè)計(jì)要求小于0.5Ω。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

110kV富陽(yáng)新桐變接地網(wǎng)施工結(jié)束后，富陽(yáng)市供電局變電檢修工區(qū)采用大型接地網(wǎng)接地電阻測(cè)試儀對(duì)接地電阻進(jìn)行了實(shí)測(cè)，具體測(cè)試以變電站東西側(cè)扁鋼作為基準(zhǔn)點(diǎn)，向遠(yuǎn)離變電站方向測(cè)試：即東南、東北、西南、西北四點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果為：東南方向0.48Ω；東北方向0.45Ω；西南方向0.46Ω；西北方向0.45Ω。

該測(cè)試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)值：接地電阻＜0.5?的要求。由于新桐變的復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值有一定的偏差，但該值完全滿足設(shè)計(jì)的要求，接地網(wǎng)總費(fèi)用控制在預(yù)算額度以內(nèi)，滿足運(yùn)行單位要求。該工程的實(shí)測(cè)值也說(shuō)明了接地模塊對(duì)高土壤電阻率地區(qū)變電站降低接地電阻值具有明顯的效果，且成本較低，材料容易。由于事先綜合考慮了土壤電阻率、施工地點(diǎn)、施工條件等因素，減少了施工的隨機(jī)性和盲目性，降低工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，接地模塊是深埋在土壤中的固體，不會(huì)因雨水流失而影響它的降阻效果，接地電阻值基本上是較穩(wěn)定的且不存在對(duì)土質(zhì)的污染的問(wèn)題。

5 結(jié)論

變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行, 接地裝置能否發(fā)揮它應(yīng)起的作用，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)和施工運(yùn)行這兩個(gè)環(huán)節(jié)。首先是設(shè)計(jì)，它是保證接地裝置效果的前提條件；其次是施工運(yùn)行維護(hù)，施工的工藝和質(zhì)量是保證接地裝置效果的基礎(chǔ)，是體現(xiàn)設(shè)計(jì)目的的手段，而維護(hù)是后期地保養(yǎng)及使用期限的延長(zhǎng)。因而在高土壤電阻率地區(qū)的變電站設(shè)計(jì)與建設(shè)中，必須注重優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合治理，以充分提高地網(wǎng)建設(shè)地經(jīng)濟(jì)性與安全運(yùn)行地可靠性，同時(shí)降阻效率高、抗腐蝕性好、成份穩(wěn)定、價(jià)格低廉地新型降阻材料亦將成為接地網(wǎng)降阻研究的主流。

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