淺談變電站降低接地電阻的措施

鄭維娟 陳靜

一、前言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，接地短路電流越來(lái)越大，接地裝置對(duì)設(shè)備和人身安全的影響也越來(lái)越大。在山區(qū)、高土壤電阻率地區(qū)如何有效地降低接地裝置的接地電阻，如何用較少的投資獲得較大的降阻效果，目前仍然是電力系統(tǒng)中廣大工程技術(shù)人員面對(duì)的主要技術(shù)難題。因而有必要對(duì)每種降阻措施的作用、適用場(chǎng)所和應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行深入的分析和研究， 采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的方法，具體工程，具體對(duì)待，在保證設(shè)備和人身安全的前提下，結(jié)合具體的工程情況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，特別是現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)、地勢(shì)情況，土壤電阻率分布以及具體的工程要求，找出最佳的降阻措施，找出正確合理的降阻方法達(dá)到有效降低接地裝置接地電阻的目的。

二、接地電阻的構(gòu)成及降低接地電阻的措施

改善接地的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜，要求又非常嚴(yán)格，并涉及地質(zhì)學(xué)，電磁理論，電磁屏蔽，地中電流，電氣測(cè)量，應(yīng)用化學(xué)、應(yīng)用地球物理及地質(zhì)鉆探技術(shù)等多領(lǐng)域，已成為綜合性極強(qiáng)的邊緣學(xué)科。分析接地網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，就其接地電阻的構(gòu)成，與諸多因素相關(guān)：接地體的布置，連接，接地體的材質(zhì)，埋設(shè)接地裝置區(qū)域的地質(zhì)及氣候和化學(xué)降阻劑的應(yīng)用等。從理論分析及在工程實(shí)踐中去探討降低接裝置電阻的措施，是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施。有關(guān)規(guī)程規(guī)范中嚴(yán)格規(guī)定電力系統(tǒng)各種接地裝置的電阻值，接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)就是以此為目標(biāo)值。了解接地網(wǎng)電阻構(gòu)成，在設(shè)計(jì)中可以在主要影響接地網(wǎng)電阻的環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的措施，以降低接地網(wǎng)的電阻值。接地網(wǎng)的電阻由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

（1）接地引線電阻，是指由接地體至設(shè)備接地母線間引線本身的電阻，其阻值與引線的幾何尺寸和材質(zhì)有關(guān)。

（2）接地體本身的電阻，其電阻值與接地體的幾何尺寸和材質(zhì)有關(guān)。

（3）接地體表面與土壤的接觸電阻，其阻值還與土壤的性質(zhì)、顆粒、含水量及土壤與接地體的接觸面積及接觸緊密程度有關(guān)。

（4）從接地體開(kāi)始向遠(yuǎn)處擴(kuò)散電流所經(jīng)過(guò)的路徑土壤電阻，即散流電阻。決定散流電阻的主要因素是土壤的電阻率。

接地電阻雖由四部分構(gòu)成，但前兩項(xiàng)所占接地電阻值的比例甚微，起決定作用的是接觸電阻及散流電阻。因此改善接地網(wǎng)的接地電阻的辦法不外乎以下幾種：

1、外延（擴(kuò)大）水平接地網(wǎng)

該方案實(shí)質(zhì)是擴(kuò)大接地網(wǎng)的面積，從而達(dá)到直接降低接地網(wǎng)接地電阻之目的。我們知道，在土壤電阻率一定的條件下，接地電阻與接地網(wǎng)面積的平方根成反比，接地網(wǎng)面積增大，則接地電阻減小，因此，利用擴(kuò)大接地網(wǎng)面積來(lái)降低接地電阻是可以預(yù)見(jiàn)的有效降阻措施。但是具有這種條件的工程是不多的。這種條件包括地理?xiàng)l件及地質(zhì)條件。

2、使用降阻劑

該方案實(shí)質(zhì)是減小接地網(wǎng)與地層土壤的接觸電阻，從而達(dá)到間接降低接地網(wǎng)接地電阻之目的。接地網(wǎng)的接地電阻主要取決于接地網(wǎng)面積的大小與地層電阻率，在接地網(wǎng)內(nèi)敷設(shè)化學(xué)降阻劑對(duì)降低接地電阻不起決定性作用。而且化學(xué)降阻劑易于流失，受外界氣候、溫度等因素影響較大，且不利于環(huán)保。多座變電站或發(fā)電廠的接地網(wǎng)的開(kāi)挖及分析表明，化學(xué)降阻劑對(duì)接地體的腐蝕有兩種情況：一種是早期生產(chǎn)的降阻劑本身對(duì)接地體的腐蝕，這種腐蝕很?chē)?yán)重；另一種是現(xiàn)在生產(chǎn)的降阻劑，即使其本身對(duì)接地體無(wú)腐蝕作用或腐蝕很緩慢，但在有、無(wú)降阻劑的交界處由于電化學(xué)的作用而使接地體的腐蝕速度高于無(wú)降阻劑情況下的腐蝕速度。后一種情況不可避免，且難于解決。

3、引外接地

當(dāng)接地網(wǎng)附近2000米內(nèi)（一般不超過(guò)1000米）有低土壤電阻率（水塘、水田、水洼地、裂隙發(fā)育且有低阻充填物、地下水豐富且有斷層構(gòu)造等），可以敷設(shè)輔助接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)連接，這種方式叫引外接地。這也是降低接地電阻的有效措施。該方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)外設(shè)輔助接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)并聯(lián)，從而達(dá)到降低接地網(wǎng)接地電阻之目的。引外接地需注意：距離不能太遠(yuǎn)，接地體要深埋，要作好安全保護(hù)措施，防止因跨步電位差引起人員和牲畜的觸電事故發(fā)生，必須保證引外接地的安全性。

4、局部換土

該方案實(shí)質(zhì)是利用電阻率非常低的土壤（一般ρs<50Ω.m）來(lái)置換接地網(wǎng)處原有的高電阻率土壤，通過(guò)減小接地網(wǎng)與地層土壤的接觸電阻，從而達(dá)到間接降低接地網(wǎng)接地電阻之目的。用換土的方法來(lái)降低高土壤電阻率地區(qū)接地網(wǎng)接地電阻，這是大家公認(rèn)的有效措施之一。通常采用的局部換土，只對(duì)水平接地帶和垂直接地極的全部或部分實(shí)施換土，但在接地網(wǎng)內(nèi)局部范圍采用置換（換土）或化學(xué)方法（降阻劑）改善接地體附近高電阻率土壤，除對(duì)消除接觸電阻有顯著效果外，對(duì)減小接地電阻的作用不大。而且對(duì)所需要的換土的要求非常高。有資料數(shù)據(jù)表明，即使接地網(wǎng)達(dá)到半球形接地體，也只能使接地電阻減小36.4%。

5。、深井接地

采用深井或超深井接地來(lái)降低接地電阻，該方法實(shí)質(zhì)是利用下伏（或者深部）的厚度較大的穩(wěn)定的低電阻率層，通過(guò)立體網(wǎng)與水平接地網(wǎng)的并聯(lián)，從而達(dá)到降低接地網(wǎng)接地電阻之目的。因該方法利用的是深部的低電阻率地層，故不受氣候、溫度等外界因素的影響，改善結(jié)果非常穩(wěn)定，而且深井施工可在站內(nèi)進(jìn)行，不與周?chē)用癜l(fā)生關(guān)系，排除了一定的人為干擾，使得施工有了順利進(jìn)行的先決條件，因而受到電力系統(tǒng)的偏愛(ài)。

6、利用地下水或地下含水層

該方法的實(shí)質(zhì)就是利用水的低電阻率來(lái)到達(dá)降阻之目的。其實(shí)質(zhì)屬于深水井接地范疇。

7、利用接地模塊

該方法的實(shí)質(zhì)就是利用接地模塊的主體材料與土壤的物理結(jié)構(gòu)相似，能與土壤結(jié)合為一體，使接地體與土壤的有效接觸面積比金屬接地體大許多倍，增大了接地體的有效散流面積，極大降低接地體與土壤的接觸電阻，因此能顯著提高接地效率，減少地網(wǎng)占用土地面積。該方法利用的是1米左右的地表電阻率，易受氣候、溫度等外部條件的影響。有些接地模塊由于加入某些吸水、保水材料的作用還具有一定的吸水、保水作用。但接地模塊同導(dǎo)電水泥和固體降阻劑一樣由于不具有滲透和擴(kuò)散作用，不能改善周?chē)寥赖耐寥离娮杪?，其降阻作用受到一定的局限。因而只能結(jié)合其它降阻方法作為輔助的降阻措施。

上述幾種方法中最有效、且不與當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)生關(guān)系，又能免維護(hù)的只有使用降阻劑和深井接地

三、降阻劑的種類(lèi)

我國(guó)的降阻劑研制始于20 世紀(jì)70 年代， 有關(guān)部門(mén)組織電力部、化工部下屬的10 余個(gè)單位成立了降阻劑研制課題組， 1983 年前后列入“七五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。1997 年以后一種新型的物理降阻劑問(wèn)世， 從而使降阻劑明顯地分成了化學(xué)降阻劑和物理降阻劑兩大類(lèi)型。

1、化學(xué)降阻劑

目前降阻劑品種繁多，但大都屬于化學(xué)降阻劑模式。從物態(tài)可分為液態(tài)和固態(tài)降阻劑；從物類(lèi)則可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)降阻劑。 化學(xué)降阻劑的共同特點(diǎn)主要是電解質(zhì)鹽類(lèi)為導(dǎo)電物，膠凝物對(duì)金屬有較強(qiáng)的親和力，緊固后緊密附著在金屬表面，形成多相立體結(jié)構(gòu)。對(duì)儲(chǔ)存電解質(zhì)，減少初期流失有一定的效果。這種低電阻結(jié)構(gòu)比土壤致密度高，只有在有水時(shí)電解質(zhì)電離出帶電離子才能成為導(dǎo)電主體，電解質(zhì)濃度越高或電離度越大，電阻越低，降阻劑性能越好，但這時(shí)陰離子對(duì)金屬的腐蝕更加嚴(yán)重。季節(jié)性地下水位的起落，使得電解質(zhì)流失，尤其當(dāng)無(wú)水時(shí)電解質(zhì)結(jié)晶或低溫結(jié)冰，電阻率就會(huì)升高而失去降阻能力。

2、物理降阻劑

物理降阻劑是以強(qiáng)堿弱酸鹽為膠凝物，去掉了電解質(zhì)的離子導(dǎo)電物，以非電解質(zhì)的固體粉末為導(dǎo)電材料，主要是以炭素自由電子材料和防腐劑組成。其特性為耐酸堿鹽，在干旱的沙漠應(yīng)用具有明顯優(yōu)越性。

降阻劑的降阻效果是不可置疑的，因?yàn)榻底鑴┮言趯?shí)際的接地工程中得到大量的，長(zhǎng)期的應(yīng)用，并被寫(xiě)進(jìn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，降阻劑的降阻機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）由于降阻劑的擴(kuò)散和滲透作用，降低接地體周?chē)耐寥离娮杪省ｊP(guān)于擴(kuò)散和滲透作用，一般化學(xué)降阻劑強(qiáng)于其他型式的降阻劑，膨潤(rùn)土類(lèi)的降阻劑擴(kuò)散和滲透作用較差，但降阻劑的穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性與擴(kuò)散和滲透作用是矛盾的。擴(kuò)散和滲透好的降阻劑其穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性都比較差，因?yàn)閿U(kuò)散和滲透性強(qiáng)的降阻劑容易隨雨水的流失而流失。

（2）接地體周?chē)┘咏底鑴┖?，相?dāng)于擴(kuò)大了接地體的有效截面，這對(duì)固體降阻劑和膨潤(rùn)土類(lèi)降阻劑最為明顯，而化學(xué)降阻劑和樹(shù)枝狀的降阻劑隨著時(shí)間的流失有效截面的增大則不太明顯，會(huì)越來(lái)越小。

（3）消除接觸電阻，接地體的接地電阻可以分為兩部分，一是接地體與周?chē)拇蟮厮尸F(xiàn)的電阻Rd；二是接地體與周?chē)寥赖慕佑|電阻Rj， Rj的大小與接地極周?chē)耐寥烙嘘P(guān)，一般土質(zhì)越密實(shí)，接觸電阻越小，土壤越松散，接觸電阻越大；接觸電阻還與電極表面狀況有關(guān)，接地極表面越光滑，接觸電阻越小，接地極表面越粗糙，接觸電阻越大。接地極生銹后，接觸電阻會(huì)逐漸增大。接地體施加降阻劑后，會(huì)減少或消除接觸電阻，但只有某些物理降阻劑和膨潤(rùn)土類(lèi)降阻劑才具有這方面的功能，而化學(xué)降阻劑和流質(zhì)降阻劑則不具有這方面的功能，有些降阻劑由于腐蝕還會(huì)使接觸電阻變大。

（4）降阻劑的吸水性和保水性改善并保持土壤導(dǎo)電性能，土壤的導(dǎo)電性能除了與土壤所含金屬導(dǎo)電離子的濃度有關(guān)外，還與土壤的含水量有關(guān)。某些降阻劑具有較強(qiáng)的吸水性和保水性，如膨潤(rùn)土類(lèi)降阻劑，具有較強(qiáng)的吸水性，吸水后體積膨脹并能長(zhǎng)期保持水分成為漿糊狀，使接地電阻一直保持穩(wěn)定不受氣候的影響。

但是降阻劑在實(shí)際的工程應(yīng)用中確實(shí)也存在一系列的問(wèn)題，比如降阻劑的腐蝕性問(wèn)題，降阻效果問(wèn)題，降阻穩(wěn)定性問(wèn)題，以及對(duì)地下水資源的污染問(wèn)題。這主要是前一個(gè)時(shí)期降阻劑市場(chǎng)混亂，缺乏監(jiān)督，一些廠家片面追求短期的降阻效果而忽略了降阻穩(wěn)定性，長(zhǎng)效性和對(duì)鋼接地體的腐蝕，有的還對(duì)環(huán)境構(gòu)成了污染，降阻效果也隨著時(shí)間的推移迅速下降，接地電阻反彈，接地體受到嚴(yán)重的腐蝕，形成了很大的負(fù)面影響，造成一些用戶(hù)對(duì)降阻劑產(chǎn)生了抵觸情緒，有些單位甚至下文規(guī)定不準(zhǔn)使用降阻劑。

在使用降阻劑時(shí)，必須滿(mǎn)足下列條件：

（1）降阻劑的電阻率。要想獲得理想的降阻效果，首先降阻劑本身的電阻率ρ值要小。在選擇降阻劑時(shí)首先要考慮的就是降阻劑自身的標(biāo)稱(chēng)電阻率，一般情況下，降阻劑自身的標(biāo)稱(chēng)電阻率越小越好。

（2）降阻劑對(duì)鋼接地體的腐蝕率。降阻劑對(duì)鋼接地體的腐蝕率要低，一些降阻劑對(duì)鋼接地體有腐蝕作用，但也有一些降阻劑對(duì)鋼接地體有防腐保護(hù)作用。降阻劑是否具有防腐作用，一般要看其對(duì)鋼接地體的平均年腐蝕率是否低于當(dāng)?shù)赝寥缹?duì)鋼接地體的腐蝕率。如果降阻劑對(duì)鋼接地體的腐蝕率低于當(dāng)?shù)赝寥缹?duì)鋼接地體的腐蝕率就認(rèn)為降阻劑對(duì)鋼接地體具有防腐作用；否則就認(rèn)為具有腐蝕作用。

（3）降阻劑的穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性。我們希望接地裝置的接地電阻一直穩(wěn)定在某個(gè)值以下，不希望其經(jīng)常變化，而某些降阻劑的降阻效果會(huì)隨土壤干濕度的變化而變化，特別是一些無(wú)機(jī)降阻劑，離子類(lèi)降阻劑，一旦缺水就會(huì)析出顆粒狀的晶體，失去導(dǎo)電特性，還有一些靠非電解質(zhì)導(dǎo)電粉末的降阻劑，或固體降阻劑，導(dǎo)電水泥等，其降阻效果受土壤干濕度的影響也較大。另外，有些降阻劑雖然具有較強(qiáng)的滲透性、護(hù)散性，在短期內(nèi)降阻效果好，但容易隨水分而流失，隨著時(shí)間的推移逐漸失去其降阻效果，甚至失效，使接地電阻回升，這是我們特別應(yīng)該注意的。

（4）對(duì)環(huán)境有無(wú)污染，選擇降阻劑時(shí)一定要選無(wú)污染，無(wú)毒性，使用安全的降阻劑，對(duì)降阻劑要看其組分，要查有無(wú)環(huán)保部門(mén)的檢測(cè)報(bào)告。

一般來(lái)說(shuō)，小面積地網(wǎng)如35Kv以下變電所接地、輸電線路桿塔接地、避雷針接地、微波通信站接地等采用降阻劑降阻的工程實(shí)例較多，而變電站（所）采用的相對(duì)較少，一般降阻劑的性能難以達(dá)到理想化程度。對(duì)降阻劑的使用褒貶不一，仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，但比較一致的意見(jiàn)是由于相互屏蔽作用，降阻劑對(duì)大中型接地網(wǎng)的降阻效果很小，建議大中型接地網(wǎng)不宜使用降阻劑來(lái)作為主要的降阻措施。這一點(diǎn)在《水利發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》有明確說(shuō)明。P79頁(yè)原文如下：人工降阻（P16頁(yè)指出人工降阻包括使用降阻劑和低電阻材料置換）成本高，僅對(duì)單個(gè)或集中接地體的工頻接地電阻具有顯著效果，對(duì)小地網(wǎng)也有一定效果，對(duì)大、中型地網(wǎng)沒(méi)有任何作用。

四、深井接地的種類(lèi)

在電力系統(tǒng)中，輸電線路和電氣設(shè)備需要可靠接地。為降低接地電阻值，往往要采取深井接地方式。深井接地方式分為以下三種：

（1）常規(guī)的深井接地。采用一種簡(jiǎn)單的長(zhǎng)垂直接地極，可說(shuō)成是短垂直接地極在長(zhǎng)度上的延伸。常規(guī)深井接地極主要利用下列措施來(lái)降低接地電阻：增加接地極的長(zhǎng)度L；利用電阻率較低的深層土壤，降低土壤的平均視在電阻率ρ。該方法在地層電阻率縱向上表現(xiàn)為上高下低，在電測(cè)深曲線類(lèi)型為K或D時(shí)常為首選降阻措施。

（2）深井爆破接地。爆破接地技術(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)爆破制裂，再用壓力機(jī)將低電阻率材料壓入爆破裂隙中，從而起到改善很大范圍的土壤導(dǎo)電性能的目的。其基本原理是采用鉆孔機(jī)在地層中垂直鉆一定直徑、深度的孔，在鉆孔中插入接地電極，用清水把孔灌滿(mǎn)，然后沿孔的

整個(gè)深度，隔一定的距離，放置定量的炸藥，實(shí)施爆破，將巖石爆裂、爆松，然后將調(diào)成漿狀的低電阻材料，用壓力機(jī)壓入深孔中和爆破制裂產(chǎn)生的縫隙中，通過(guò)低電阻率材料將地下大范圍的巖石內(nèi)部構(gòu)通，加強(qiáng)接地極與巖土的接觸，從而達(dá)到較大幅度降低接地電阻的目的。

（3）深水井接地 。深水井接地是利用自身的結(jié)構(gòu)形成匯集地下水的空間和地下水流動(dòng)通道，從而改變接地極周?chē)寥赖牡叵滤植迹藶樵黾咏拥貥O周?chē)寥罎穸?，降低這部分土壤的電阻率。深水井接地的降阻作用主要在于充分利用土壤中的地下水，在深水井接地極周?chē)纬梢粋€(gè)由遠(yuǎn)到近、土壤的濕度逐漸增大、土壤電阻率逐漸降低的區(qū)域（降低幅度取決于土壤和地下水的條件）；地下水使接地極導(dǎo)體與周?chē)寥乐g的空隙可以得到很好填充，從而降低接地極與土壤的接觸電阻。

常規(guī)深井接地對(duì)土壤的類(lèi)型、地下水含量沒(méi)有特殊要求。它適用于土壤均勻的地區(qū)，或上層土壤厚度小、下層土壤電阻率很低的土壤結(jié)構(gòu)分層的地區(qū)，不適用于上層土壤厚度小于接地極長(zhǎng)度、下層土壤電阻率較高的地區(qū)。

深井爆破接地適用于裂隙較多、土壤干燥或巖石地區(qū)，如固結(jié)堅(jiān)硬的沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖地區(qū)，硬度稍差的各種砂巖、片巖地區(qū)，特別是在地下水奇缺、土壤電阻率極高的巖石地區(qū)使用有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

深水井接地適用于有一定地下水含量、透水能力強(qiáng)、空隙度大的土壤，更適用于土壤分層結(jié)構(gòu)、在各層土壤中有一層是明顯的含水層或隔水層的地區(qū)。

常規(guī)深井接地適用于中、低電阻率土壤，深井爆破接地適用于高電阻率土壤，深水井接地適用于中、高電阻率土壤，三種深井接地方式有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。

五、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于一個(gè)接地工程往往需要多種降阻措施進(jìn)行降阻，表現(xiàn)形式為以某種方法為主，某種方法為輔。如采用外延接地加降阻劑法；深井接地加降阻劑法；或置換、引外。但使用某種方法時(shí)，必須具備該方法實(shí)施的一系列前提條件。筆者認(rèn)為到目前為止，常規(guī)深井接地對(duì)土壤的類(lèi)型、地下水含量沒(méi)有特殊要求，它適用于土壤均勻的地區(qū)，或上層土壤厚度小、下層土壤電阻率很低的土壤結(jié)構(gòu)分層的地區(qū)，采用深井接地技術(shù)，通過(guò)增加接地極的長(zhǎng)度，充分利用電阻率較低的深層土壤，降低土壤的平均視在電阻率來(lái)改善整個(gè)地網(wǎng)的接地是行之有效的一種手段。

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