一起變電站接地網(wǎng)接地電阻超標(biāo)分析處理

云南文山電力股份有限公司 李月芹

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局 蔣體浩 朱洪明

一起變電站接地網(wǎng)接地電阻超標(biāo)分析處理

云南文山電力股份有限公司 李月芹

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局 蔣體浩 朱洪明

變電站接地系統(tǒng)在變電站中有著及其重要的地位，其作用是將故障電流安全引入地下并為變電站內(nèi)設(shè)備提供基準(zhǔn)參考電位，起到保護(hù)電力系統(tǒng)、電力設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及運(yùn)行人員的安全；本文以某220kV變電站接地網(wǎng)接地電阻超標(biāo)為例，分析接地電阻超標(biāo)的原因及整改措施，并為后續(xù)建設(shè)在設(shè)計(jì)審查、隨工驗(yàn)收及運(yùn)行維護(hù)等階段提供借鑒。

變電站；接地網(wǎng)；接地電；降阻措施

1 前言

隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加，流經(jīng)系統(tǒng)接地網(wǎng)的短路電流也越來越大，變電站一次設(shè)備及二次保護(hù)對(duì)接地裝置的要求不斷提高。因此，為確保變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，確保人身及設(shè)備的安全，防止由于一次設(shè)備接地、接地網(wǎng)發(fā)生問題造成高壓竄入二次回路及操作系統(tǒng)，使保護(hù)系統(tǒng)失靈；若短路電流持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致接地網(wǎng)進(jìn)一步多處燒斷，使變電站內(nèi)出現(xiàn)高電位差，造成主設(shè)備的損傷和人員的傷害。

2 現(xiàn)狀

某220kV變電站所處位置地質(zhì)情況復(fù)雜，其表皮為1～3米的浮土，下層為不規(guī)則巖石體，且土壤干燥，土壤電阻率（測(cè)量值：ρ=715Ω·m）偏高。在接地網(wǎng)的施工完成后，經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)接地電阻為4.92Ω，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求0.5Ω。其后，共進(jìn)行了三次接地網(wǎng)改造。第一次施工調(diào)整，在原設(shè)計(jì)25組接地極的基礎(chǔ)上增加了10組，共35組，平均深度在16米。在變電站四周都敷設(shè)了接地極，經(jīng)測(cè)試接地電阻從原來4.92Ω下降到1.4Ω。第二次施工調(diào)整，在變電站大門左上側(cè)圍墻外做一外引地網(wǎng)，地網(wǎng)總長(zhǎng)度為390米，每根接地極深9米，共安裝39組，經(jīng)測(cè)試，接地電阻為0.8Ω。第三次施工調(diào)整，在變電站大門左側(cè)圍墻外，做一扇形地網(wǎng)。地網(wǎng)總長(zhǎng)度為120米，每根接地極深3米，共安裝12組，經(jīng)測(cè)試，接地電阻為0.703Ω。經(jīng)過三次施工改造，變電站的接地電阻仍未滿足設(shè)計(jì)要求0.5Ω。

3 原因分析

3.1 接地電阻值的要求

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定，接地裝置的接地電阻值需滿足R≤2000/I，即IR≤2000V。式中I為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，當(dāng)接地裝置內(nèi)、外發(fā)生短路時(shí)，通過接地裝置流入大地的最大短路電流對(duì)稱分量值，該電流在考慮遠(yuǎn)景規(guī)劃（即5至10年左右）的系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，以及電網(wǎng)系統(tǒng)中各分支接地中性點(diǎn)間的短路電流分配情況；即當(dāng)系統(tǒng)短路電流I＞4000A時(shí)，R≤0.5Ω。

3.2 接地電阻的計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用簡(jiǎn)單計(jì)算方法：

S：接地網(wǎng)面積；

L：接地總長(zhǎng)度；

L：接地網(wǎng)外緣長(zhǎng)度；

h：水平接地體所埋深度；

d：等效半徑；

r：接地電阻。

由上式我們可以得出接地網(wǎng)接地電阻與以下因素有關(guān)：

①土壤電阻率（ρ）：接地電阻R與土壤電阻率成正比，特別是土壤干燥的地區(qū)，由于土壤電阻率偏高，對(duì)系統(tǒng)接地電阻影響較大。

②接地網(wǎng)面積（s）：接地電阻R與接地網(wǎng)面積成反比，當(dāng)接地網(wǎng)面積越大時(shí)，接地電阻越小，但受變電站規(guī)模等限制條件，接地網(wǎng)面積不可能無限擴(kuò)大。

③接地總長(zhǎng)度（L）：接地電阻R與接地總長(zhǎng)度L反比，接地總長(zhǎng)度與接地網(wǎng)的布置間距相關(guān)，但接地網(wǎng)長(zhǎng)度不能無限延長(zhǎng)。

④水平接地體所埋深度（h）：接地電阻R與水平接地體所埋深度(h)成反比，水平接地體的埋設(shè)深度一般小于1米。

⑤接地網(wǎng)外緣長(zhǎng)度（L）：接地電阻R與接地網(wǎng)外緣長(zhǎng)度成反比。

除以上技術(shù)因素外，接地電阻偏大還與以下人為因素有關(guān)：

①設(shè)計(jì)階段沒有實(shí)際對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘探測(cè)量：在設(shè)計(jì)時(shí)，只根據(jù)地質(zhì)資料查找設(shè)計(jì)手冊(cè)所對(duì)應(yīng)的土壤電阻率。而實(shí)際上不同點(diǎn)土壤電阻率的偏差很大，況且同種土壤的電阻率會(huì)存在一定的差異。

②測(cè)量值存在誤差：設(shè)計(jì)人員一般現(xiàn)場(chǎng)采用四極法測(cè)量原土層的土壤電阻率。這種方法雖然符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，比較科學(xué)而且準(zhǔn)確的，但是四極法是屬于在場(chǎng)地中抽樣測(cè)量，在接地網(wǎng)埋設(shè)處地質(zhì)經(jīng)常出現(xiàn)斷層，地電阻率是不均勻的，山坡地形還需要在不同的方位、不同的方向進(jìn)行測(cè)量，找出沿橫向、縱向和不同深層的土壤電阻率。

③施工工藝控制不到位：對(duì)于不同地區(qū)變電站的接地來說，特別對(duì)于地形復(fù)雜，位于巖石區(qū)的變電站，存在接地網(wǎng)水平接地溝槽的開挖和垂直接地極的置入較為困難。而接地施工環(huán)節(jié)又屬于隱蔽工程，如施工過程中不可能全過程的監(jiān)督，施工人員往往會(huì)偷工減料，存在開挖埋深不夠、焊接搭接面不夠、焊縫焊渣處理不徹底等問題。

④運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)產(chǎn)生變化：一些變電站的接地電阻在剛建成初期是合格的，但運(yùn)行一定年限后，接地電阻就會(huì)變大；綜合分析來除了施工時(shí)留下的隱患外，還受以下因素有關(guān)：一是受接地體的不斷腐蝕，使接地體與周圍土壤的接觸電阻變大，特別是在山區(qū)酸性土壤中，接地體的腐蝕速度相當(dāng)快，會(huì)造成一部分接地體脫離。二是在接地引下線與接地裝置的連接部分，因銹蝕而使接觸電阻變大或嚴(yán)重時(shí)形成開路。三是受外力破壞，接地網(wǎng)的接地引下線、接地極在運(yùn)行過程中受外力破壞而損壞等因素影響。

4 解決方案

根據(jù)上述的分析，我們得知了影響接地電阻的技術(shù)及人為原因，那么在設(shè)計(jì)解決方案時(shí)，我們進(jìn)一步簡(jiǎn)化了接地電阻的計(jì)算公式，著重考慮了與影響因素相對(duì)應(yīng)的降阻方案。

4.1 降阻方案分析

已知該變電站土壤電阻率ρ=711Ω·m，系統(tǒng)校核要求接地電阻R小于0.5Ω，而變電站面積150米×130米，根據(jù)接地電阻公式：

其中：

ρ為土壤電阻率；

S為接地網(wǎng)面積；

R地網(wǎng)接地電阻。

得：

=2.55Ω

即在面積150米×130米的地方做地網(wǎng)只能將接地電阻降至2.55Ω，若要將接地電阻降至0.5Ω，則需要的面積：

由上述分析可以知道，若將該變電站的接地電阻降至0.5Ω以下，需搭建接地網(wǎng)的接地面積511225平方米；綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根本無如此大的接地面積來實(shí)施，加之該站的土壤電阻率極高，通過外延埋設(shè)接地網(wǎng)很難把接地電阻很難降下來；那唯一的辦法只有采用新型的降阻材料，在接地網(wǎng)土壤內(nèi)布置電解極和布置降阻劑來處理，即將接地網(wǎng)等效于一個(gè)半球接地體，如圖1所示：

圖1 半球接地體示意圖

其中r為半球接地體的半徑，其接地電阻的公式：

已知現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率ρ為711Ω·m，要將接地電阻值降到R小于0.5Ω，需將半球接地體的半徑r擴(kuò)大：

r=ρ/(2πR)

=711/(2×3.14×0.5)

=228(m)

若采用打深井放降阻劑，則變電站要打多個(gè)228米的深井，這樣做成本很高,實(shí)施困難，暫不選擇。

若采用在土壤中布置電解材料的方法來降低土壤電阻率，即選用電解地極，電解液向砂質(zhì)粘土的縱深方向和巖石表面的四周滲透，在原來導(dǎo)電率差的的地質(zhì)結(jié)構(gòu)周圍形成了一個(gè)良好的導(dǎo)電通道，可以有效降低土壤電阻率。

綜合分析，最終確定采用構(gòu)建外延接地網(wǎng)和布置電解極相結(jié)合來進(jìn)行降低接地電阻值。

4.2 制定降阻策略

從變電站自基礎(chǔ)地網(wǎng)預(yù)留接地端分別引出外延接地線，各向不同方向外引；外延接地線路徑上，均勻并聯(lián)焊接電解地極。即沿進(jìn)站大門的路邊（往南方向）可以外延大約600米的水平接地線。在北面可以外延大約500米的水平接地線。在東、西面均可以外延大約200米的水平接地線。且在各個(gè)方向的水平接地體每隔10米左右打一根垂直接地體。

4．2．1 電解極埋設(shè)要求

要求挖深不小于0.8m；將電解極布置在挖好的溝內(nèi)，把電解極與水平接地網(wǎng)有效連接后，在放置電解極的地方用填料均勻覆蓋，然后再用含砂石少的土回填、夯實(shí)即可。

4．2．2 電解極數(shù)量的確定

假設(shè)N為我們要達(dá)到接地電阻R所需的電解極的數(shù)量，由公式：

其中：R0為原地網(wǎng)的接地電阻；

R為地網(wǎng)設(shè)計(jì)接地電阻；

ρ為土壤電阻率；

N為電解極數(shù)量；

k為系數(shù)。

當(dāng)：ρ＜200Ω·m，k取3；

200≤ρ＜500Ω·m，k取4；

500≤ρ＜1000Ω·m，k取4.5；

ρ≥1000Ω·m，k取5。

現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率ρ=711Ω·m，k取4.5，原來接地網(wǎng)的接地電阻R=2.55Ω。

電解地極套數(shù)：

=22（套）

綜合考慮季節(jié)變化等因素，取系數(shù)（1.2-1.3），確定全站采用電解極30套。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)影響接地電阻因素的分析以及降阻措施的實(shí)施，變電站接地網(wǎng)接地電阻進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)量值為0.432Ω，小于設(shè)計(jì)值0.5Ω，達(dá)到預(yù)期效果；對(duì)于我們?cè)诮拥鼐W(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及運(yùn)行、改造等環(huán)節(jié)得到了以下的借鑒意義：

（1）接地網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)有詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，圖紙資料及施工工藝要求。110kV及以上等級(jí)地網(wǎng)改造，須經(jīng)有關(guān)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙的審查和工程施工驗(yàn)收。

（2）改造工程中，新建和改造的接地體應(yīng)采用熱鍍鋅，且接地干線的連接應(yīng)采用四面焊接，焊口處應(yīng)涂防腐劑。接地引下線則必須有熱鍍鋅處理，其表面應(yīng)涂15至100mm寬度相等的綠色和黃色的條紋。

（3）為延長(zhǎng)地網(wǎng)壽命，接地體應(yīng)埋深0.8米；在有妨礙耕作或受機(jī)械外力破壞處，宜埋深1.0米以上。

（4）對(duì)大接地短路電流系統(tǒng)，高土壤電阻率地區(qū)；當(dāng)接地電阻不符合要求時(shí)，應(yīng)按要求采用有效的電位隔離措施，以防低電位引入在站內(nèi)形成高電位差，并應(yīng)進(jìn)行接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)校驗(yàn)，以確保人身安全。

[1]司恭成．接地裝置在工程中的安裝及應(yīng)用[J]．科技傳播;2011,14．

[2]宋茂宏．降低青巖110kV變電站接地電阻的方法研究[J]．重慶大學(xué),2004．

[3]曾育新,武安慶．高電阻率土壤220kV變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的研究和應(yīng)用[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2011,24．

[4]李志剛,郭立紅．降低接地電阻新方法分析[J]．河北水利,2006(06)．

[5]王東生．關(guān)于降低變電站接地電阻的實(shí)際應(yīng)用研究研究[J]．廣西氣象,2006(s2)．

李月芹（1974-），女，云南文山電力股份有限公司工程師，長(zhǎng)期從事運(yùn)行管理及相關(guān)技術(shù)研究工作。

蔣體浩（1976-），男，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局工程師，主要從事繼電保護(hù)、變電運(yùn)行管理及相關(guān)技術(shù)研究工作。

朱洪明（1979-），男，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局工程師，主要從事變電運(yùn)行管理及相關(guān)技術(shù)研究工作。