高土壤電阻率地區(qū)的接地設計與降阻措施探討

張玉華

引言：高土壤電阻率地區(qū)采用常規(guī)水平接地極和垂直接地體結合的復合接地網設計，其接地電阻、跨步電壓、接觸電勢往往達不到要求，危及操作人員和電氣設備的安全。高效削減變電站地網的接地電阻并且迎合電力系統(tǒng)飛速發(fā)展的要求，是很多電氣設計人員面臨的難題。本文主要探討高土壤電阻率地區(qū)變電站接地方案設計與地網降阻措施的具體應用和局限性。

變電站接地系統(tǒng)是電氣設備正常運行、保障人身和設施安全、防止雷電和靜電危害等必不可少的措施。接地電阻是衡量接地系統(tǒng)好壞的主要標準之一，接地電阻應滿足設備對電位、接觸電勢、跨步電勢和暫態(tài)過電壓的要求，其大小取決于土壤電阻率、入地短路電流、接地網形式等數值。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對接地技術提出了新的要求，表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、輸電線路電壓等級高、系統(tǒng)容量急劇增大，入地短路電流大幅度升高；

2、集成電氣設備的出現(xiàn)和廣泛應用，如GIS設備、箱式變壓器、模塊化變電站等，使變電站占地面積越來越小，地網面積也隨之減??；

3、變電站設計倡導資源節(jié)約型，要求少占良田耕地并要為城市發(fā)展讓路，隨著電網的迅速發(fā)展，致使電力設施被迫建在偏遠郊區(qū)、山區(qū)等地質狀況復雜、高土壤電阻率地區(qū)，且地網面積也受征地問題的限制。

4、隨著電力系統(tǒng)自動化水平和管理水平的不斷提高，計算機等電子設備進入電力系統(tǒng)，帶來強電設備干擾弱電設備、侵入波對電子設備的損壞和射頻干擾等問題。

為確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，提高供電可靠性，接地系統(tǒng)的設計顯得日益突出。

一、接地降阻的技術

110kV及以上大接地短路電流系統(tǒng)，其接地網的接地電阻要符合以下標準：R≤2000/IΩ，I為流經接地裝置的入地短路電流。當I>4000A時，規(guī)范規(guī)定R≤0.5Ω。目前大接地短路電流的I值大多超過4000A，所以需要一般電阻率地區(qū)接地電阻R≤0.5Ω，在高土壤電阻率地區(qū)規(guī)范明確可適當放寬R，但需采取均壓措施、隔離接地電位措施等，并要驗算接觸電壓和跨步電壓。故對110kV及以上變電站設計時至少要求接地電阻R≤0.5Ω。實際工程中，當變電站面積確定后，影響接地電阻大小的關鍵因數就是土壤電阻率，有些變電站占地面積小、土壤電阻率高，設計時需要考慮降阻效果及技術方案便于實施，費用經濟合理。

土壤電阻率是接地設計的一個重要參數，直接影響接地裝置接地電阻的大小、接地電流的分布、地網電位分布、跨步電壓和接觸電勢。隨著電網的不斷發(fā)展，在土壤電阻率達到200～300Ωm時，對大型變電站，沿用常規(guī)復合地網設計理念已經不能滿足要求，必須分析、研究、建立新的概念，采用新方法以適應發(fā)展的需要，從而達到運行安全可靠，技術經濟合理。為了降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻，保證運行人員及電氣設備的安全運行，工程中常采應用自然接地體、引外接地深埋接地、井式或深鉆式接地極、深孔爆破、降阻劑法、人工改善土壤電阻率或應用新型接地材料等方法。

實際項目中要求根據地勢情況采用對應措施，應用科學的降阻方案，經過技術與經濟比較，進而獲取最好的降阻成效，盡可能地做到技術處于前沿，經濟實惠，環(huán)境友好的狀態(tài)。

1、應用自然接地體

自然接地體包含土地上有優(yōu)良接觸的各式金屬部件、金屬井管、混凝土結構物中的鋼筋骨架以及埋設在地下的金屬管道與設備等。利用這些自然接地體，使專門敷設的接地帶連接作用得到加強，從而減小接地電阻，而且還可以起到引流、分流、均壓作用。變電站地網設計中要盡可能地應用自然接地體來削減接地電阻。

2、引外接地、深埋接地

在高土壤電阻率地區(qū)，當發(fā)電廠、變電站2000米以內有較低土壤電阻率區(qū)域，能夠設計和主接地網相接的協(xié)助接地網或變電站周圍有池塘、低洼沼澤地等水源，可以設置水下接地網時，可敷設引外接地裝置，然后利用接地扁鋼與變電站地網相連達到削減接地電阻的目的。在設計引外接地時，應考慮降阻的需要決定外延電網的大小，并考慮安全的需要決定引外接地網的網格布置、埋深和形狀。引外接地裝置要避開行人經常走動的地方以防止跨步電壓，埋深要達到1米以上，以便不影響田地的耕作使用和避免接地體遭到破壞。

架空線桿塔采用放射形接地極，在放射形接地極每根長度的1.5倍范圍內有較低土壤電阻率地帶時，可部分采用外引接地。

實際項目中要求依據變電站周圍土壤電阻率平行分布狀況來考慮是否引外接地，并不是每個項目都可以做引外接地的。此外，引外接地也需要征地，而且后期的運行維護也不容易，所以需在項目設計中考慮周全。

對于地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方，可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。地電阻率隨深度增加而減小的規(guī)律，往往在達到一定深度后，地電阻率會突然減小很多。因此利用大地性質，深埋接地體后，使接地體深入到地電阻率低的地層中，通過小的地電阻率來達到減小接地電阻的目的。

3、井式或深鉆式接地極

當變電站所在位置地下深層有較低土壤電阻率的地質結構時，可以采用深井式、深入鉆地式接地極或爆發(fā)式接地技術進行降阻或構成立體地網。深層土地電阻率不受外界環(huán)境的制約，穩(wěn)定性能好。尤其是在較深的地域出現(xiàn)地富水層或含有低電阻率物品（如金屬礦）時，降阻效果顯著。采用深井式接地極要求對接地裝置及其周圍測出垂直方向上的土壤電阻率均勻分布。采用深井式接地極可減少占地、接地裝置接地電阻受氣候影響較小，接地問題在變電站內解決，不涉及征地協(xié)調問題，廣受電力系統(tǒng)的偏愛。對于占據地面很小的市內變電站，常常采用長垂直接地極綜合爆發(fā)式接地技術來降低變電站的接地電阻。

采用深井式接地極需要考慮屏蔽問題，且對垂直接地極鋪排的形式、深度還有距離的遠近，均需根據項目的現(xiàn)實狀況，整合分層土壤地質情況確定，在設計中需要遵循以下原則：

（1）為了削減平行接地網與垂直接地極之間的屏蔽，進而提升垂直接地極的應用指數，深井接地極一般應設在水平地網的邊緣，并且深井接地極之間的距離應達到接地體長度的2`3倍，才能取得良好的降阻效果。

（2）垂直接地極的數目和尺寸的挑選需要依據平行接地網電阻數值的高低、降阻需要及地質結構最終確定。同時需考慮兩點：一是垂直接地極數量并非越多降阻效果越好，當接地極添加到一定數目時降阻效果會趨于飽和；二是尺寸過長的垂直接地極其投資成本相對較高。深井式接地極的施工費用往往大于水平接地施工費用的若干倍。

（3）處于高土壤電阻率的區(qū)域，為了獲得優(yōu)良的降阻成效，選用壓強灌漿法把長時間有效的接地降阻液澆注進填埋好的垂直接地極井內深處。假如變電站所在的地方深處是巖石層，仍能夠選用爆發(fā)式接地技術，把井內深處的巖石爆破，進而方便地讓降阻液順著裂隙滲透入，大幅度的削減接地電阻。

4、爆破法

爆破接地技術是通過爆破制裂，再用壓力機將低電阻率材料壓入爆破裂隙中，從而改善接地極周圍土壤的電阻率分布和散流性能，屬于大范圍的土壤改性。深井爆破接地極不但可以利用常規(guī)深井接地極降組的有利因素，而且利用人工爆破使使地下巖石產生裂縫，通過在裂縫中填充低電阻率材料，在地下較大范圍的巖石內形成一個網狀、向外延伸的散流帶，降組效果更好明顯。

基本原理是：采用鉆孔機在地中垂直鉆直徑為100mm，深度為幾十米甚至上百米的孔，在孔中布置接地電極，然后沿孔整個深度隔一定距離安放一定量的炸藥進行爆破，然后用壓力機將調成漿狀的降阻劑壓入深孔及爆破制裂產生的縫隙中，加強接地電極與土壤的接觸，等效增大了接地極的直徑，從而大幅度降低接地電阻。爆破法應用在裂隙較多、土壤干燥或巖石地區(qū)。

5、運用降阻劑

降阻劑由電解質、防腐劑、固化劑、潤滑劑及填充材料組成，通?？煞譃?大類：化學降阻劑和物理降阻劑?；瘜W降阻劑原理是借助化合物的離子改善土壤的導電特性從而降低地網的接地電阻，有較強的時效性；物理降阻劑工作原理是借助其本身的低電阻率（主要材料為碳粉）在土壤中滲透，降低接地體與土壤間的接觸電阻，效果比較穩(wěn)定。

降阻劑的降阻成效在長時間的經過項目實施中得到了檢驗，亦被現(xiàn)在的國際標準與電力行業(yè)標準推崇與應用，其降阻原理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）由于降阻劑的擴散和滲透作用，降低了地網周圍的土壤電阻率，在接地體四周組成一個改變平緩的電阻值較低的領域。

（2）等效增大接地極外形尺寸。接地體周圍施加降阻劑后，相當于擴大了接地體的有效截面，組成相當大的電流傳遞面，這種原理對固體降阻劑和膨脹土類降阻劑最為明顯。

（3）消除接觸電阻。在接地極周圍敷設了降阻劑后，可以起到增大接地極外形尺寸，降低接觸電阻的作用。

（4）降阻劑的吸水性和保水性改善并保持土壤導電性能。

實際項目中，降阻劑的應用在獲得了良好降阻效果同時，也存在一系列的問題，表現(xiàn)在：降阻劑的腐蝕問題、降阻效果問題、降阻穩(wěn)定性及長效問題，還有對降阻劑對土壤下層地下水資源的污染等問題。所以需要選擇電阻率數值較低、處于穩(wěn)定狀態(tài)與成效可以長時間維持的、對鋼接地體的腐蝕率要低、對環(huán)境無污染、不含有毒物質經環(huán)保部門檢測通過的環(huán)境友好型的降阻劑，而且要求嚴格按照生產廠家說明書上的說明來使用和施工。

6、人工改善土壤電阻率

在高土壤電阻率地區(qū)應用人工改善地電阻率方法，對于減小接地電阻有一定的效果。

（1）人工換土的方法

在接地體周圍1～4米范圍內，換上比原來土壤電阻率小得多的土壤，可以用粘土、泥炭、黑土等，必要時可以使用焦炭粉和碎土炭。換土后，接地電阻可以減小到原來的2/3～2/5，這種方法，其土壤電阻率受外界壓力和溫度的影響變化較大，在地下水位高、水分滲入多的地區(qū)使用效果較好，但在石質地層則難以取得較滿意效果。

（2）添加食鹽等人工處理方式

在接地體四周土壤中添加食鹽、煤渣、焦炭、爐灰等，提高土壤的導電效果，其中常用的方法是添加食鹽，因為食鹽對改善土壤電阻系數的效果很好，且價格較低、受季節(jié)影響較小。對于扁鋼、圓鋼等水平接地體，用上述方法處理可以獲得很好的效果。但是，該方案也存在缺陷，就像對巖石還有含石較多的土壤效果不好，會削減接地體的穩(wěn)固性，增大接地體銹蝕速度，由于食鹽的溶解流失而讓接地電阻的慢慢變大。

7、應用全新的接地材質

（1）采用導電性能良好的接地材料

采用導電性能良好的接地材料可以降低接地體本身的電阻，加強散流從而達到降阻目的。例如采用銅質材料、銅包鋼質的材料等，但是此方法資金投入較高，通常用于市區(qū)變電站。

（2）采用電解離子接地系統(tǒng)

電解離子接地列系統(tǒng)，簡稱IEA。IEA能在土壤中提供大量的自由離子，從而有效解決接地問題。IEA由先進的陶瓷復合材料、合金電極、中性離子化合物組成，以確保提供穩(wěn)定、可靠的接地保護。其原理是將陶瓷合金化合物（固體）裝入有孔的銅管或銅合金管中，由于管內含有電解離子化合物，每跟銅管就變成一個電解離子接地極。IEA的銅、銅合金管保證地極有較高的導電性能及較長的使用壽命。IEA內部特制的無毒電解離子化合物可以自動釋放活性電解離子，能降低周圍土壤的電阻率，使土壤導電性能高，散流效果好，長效發(fā)揮作用。IEA特制的回填料具有較好的膨脹性、吸水性及離子滲透性，使其與土壤有良好的接觸界面，不受周圍環(huán)境和氣候的影響，保持最佳的接地保護效果。該方案投資相對也是比較大的。

（3）采用新型接地材料

目前的新型降阻材料有降阻模塊、防腐離子接地體等。采用這種方法主要是考慮增強單個垂直接地體的降阻效果，優(yōu)勢在于施工量小、效果明顯，資金投入較前兩種小，近幾年使用相對較多。

二、結束語

總的來講，上述各種降阻方法都有其運用的特定條件，應針對不同的地區(qū)、不同的條件采用適當的方法，同時各種方法也不是獨立的。對于采用何種降組措施，需要結合具體工程的接地電阻目標值，對變電站周圍的地形、地勢進行認真的勘探測量，找出有利于降組的最佳條件，然后綜合幾種降阻措施的組合方案，如采用外引接地加降阻劑、深井接地加接地模塊、深井外引加降阻劑等，綜合計算分析比較各種方案的效果、費用以及運行維護是否方便來確定采取的降組措施。合理配合使用幾種降組措施往往能用最少的投資來獲得最佳的降組效果。

需要指出的是，變電站地網的設計中，除接地電阻之外，接觸電壓和跨步電壓值都要求要復合規(guī)范的要求，故在接地網的邊緣經常有人出入的走道處，應鋪設礫石、瀝青路面或“帽檐式”均壓帶，以降低。在經常有人出入的地方，要結合道路施工，采用高土壤電阻率路面結構層作為安全措施。

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（作者單位：云南電網公司紅河供電局）