凍土地區(qū)接地系統(tǒng)方案設(shè)計

摘 要：本文針對凍土的高阻問題，從各種接地材料的降阻效果、使用壽命、穩(wěn)定性、環(huán)境保護、材料資源等幾個方面進行了比較，同時進行了技術(shù)經(jīng)濟的比較，合理地選用接地材料，并提出了具體的接地方案，可供參考。

關(guān)鍵詞：接地方案設(shè)計；材料選擇；電阻率

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）27-0053-02

1 接地網(wǎng)的概念

變電站接地網(wǎng)在系統(tǒng)運行安全中具有重要地位，因其一次性建設(shè)、維護困難等特點在工程建設(shè)中受到重視。此外，在設(shè)計及施工時也不易控制。為保證電力系統(tǒng)的安全運行，如何降低接地工程造價、提高接地網(wǎng)的可靠性，減少維護成本是文章的重點。文章結(jié)合工程的實際情況，對凍土地區(qū)變電站接地系統(tǒng)在電網(wǎng)建設(shè)工程中的應用作了改進、優(yōu)化。

2 凍土對于變電站接地系統(tǒng)安全性能的影響

（1）當土壤地表層由于冰凍而形成高阻層時，接地電阻隨高阻層厚度或電阻率的增加而增加。當高阻層厚度超過地網(wǎng)埋深時，如果冰凍層的電阻率很高，接地電阻升高將增加到原來的1.7～3.0倍。

（2）地網(wǎng)表面的接觸電壓隨高阻層的厚度或電阻率的增加而增加，高于正常情況時對應的數(shù)值。當高阻層厚度超過地網(wǎng)的埋深時，接觸電壓增高很多。如果冰凍引起高阻層的電阻率達到5000Ω·m，接觸電壓將增加到原來的12倍。

（3）高阻層將導致地表跨步電壓>正常情況時地網(wǎng)的跨步電壓，危害人身安全。當?shù)乇砀咦鑼雍穸纫欢〞r，跨步電壓隨高阻層電阻率的增加而增加。

因此，對于高寒冰凍地區(qū)的地網(wǎng)，在設(shè)計時必須嚴格分析冰凍高阻層引起的接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的增加是否導致地網(wǎng)安全性能的下降，最好將地網(wǎng)埋在凍土層之下[1]。

3 蒙東220kV變電站工程接地方案設(shè)計

3.1 材料選擇

接地設(shè)計工作在整個接地系統(tǒng)中占有很大的比重，土壤電阻率是接地設(shè)計中的不可或缺的參數(shù)。然而土壤電阻率受季節(jié)變化影響較大，尤其是本項目，站址位于北方，屬于季節(jié)性凍土，地表1.6m范圍內(nèi)冬季凍結(jié)、夏季消融，且極易受工程擾動影響產(chǎn)生凍脹或融沉。

凍土是一種對溫度十分敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體，在影響凍土土壤電阻率的諸多因素中，土壤的含水量與環(huán)境溫度是最主要的兩個因素。由于季節(jié)變化，氣溫改變，使土壤表層的電阻率變化明顯，引起電力系統(tǒng)接地裝置的接地電阻大幅變化。傳統(tǒng)的接地技術(shù)降阻穩(wěn)定性差，難以達到工程設(shè)計要求，若雷擊時接地不當則可能造成雷擊事故，凍土地區(qū)防雷接地工程如何實施成為變電站運維亟待解決的課題之一。故本項目接地材料的選擇應考慮性能穩(wěn)定，受溫度影響較小的產(chǎn)品為主。

本項目降阻產(chǎn)品選用銅接地極接地裝置，水平接地極采用金屬材料熱鍍鋅扁鋼，且截面積選擇如下。

根據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時，接地線的最小截面應符合式（1）要求。

Sg≥■■（1）

式（1）中：Sg-接地線的最小截面，mm2；Ig-流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，50kA（按工程遠景年系統(tǒng)最大運行方式確定）；te-短路的等效持續(xù)時間，0.3s；c-接地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料的種類、性能及最高允許溫度和短路前接地線的初始溫度確定。熱鍍鋅鋼C=70。

代入數(shù)據(jù)得Sg=391.23mm2，接地裝置接地極的截面，應≥連接至該接地裝置的接地導體截面的75%，故水平接地極的最小截面為391.23×75%=293.42mm2<60×8=480mm2，故水平接地極采用60×8mm熱鍍鋅扁鋼滿足熱穩(wěn)定要求。

考慮腐蝕情況，腐蝕率為0.065mm/年，按設(shè)計年限40年計算，則水平接地體的有效截面積為：（60-0.065×40）×（8-0.065×40）=309.96mm2>293.42mm2，依然滿足熱穩(wěn)定要求。

3.2 接地方案設(shè)計

文章將對以下幾種方案進行接觸電壓、跨步電壓的對比：凍土層以下埋設(shè)單層接地網(wǎng)、凍土層內(nèi)沿圍墻內(nèi)側(cè)埋設(shè)一圈均壓帶和凍土層以下埋設(shè)單層接地網(wǎng)相結(jié)合的簡單雙層接地網(wǎng)、接地網(wǎng)的夏季、冬季均壓效果對比分析[2]。

（1）僅凍土層下敷設(shè)單層水平接地網(wǎng)

以入地短路電流8.8kA為基礎(chǔ)，采用CDEGS的MALZ模塊，計算接地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓。

通過CDEGS軟件對凍土層下單層接地網(wǎng)進行建模，可得到接地電阻為3.9Ω。允許接觸電壓、跨步電壓最大值分別為680V、2179V，而本接地方案最大接觸電壓為3610V，最大跨步電壓為1064V，由此發(fā)現(xiàn)接觸電壓超出允許值較多，跨步電壓滿足要求。接觸電壓最大值分布于變電站四角及邊緣，以下將尋求在地網(wǎng)外側(cè)增加一圈均壓環(huán)來緩解接觸電壓超標程度的方案。

（2）寒冷季節(jié)凍土層內(nèi)敷設(shè)一圈均壓環(huán)與凍土層下敷設(shè)單層水平接地網(wǎng)相結(jié)合的接地系統(tǒng)方案

以入地短路電流8.8kA為基礎(chǔ)，采用CDEGS的MALZ模塊，計算接地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓。

通過CDEGS軟件對凍土層下雙層接地網(wǎng)進行建模，按寒冷季節(jié)有凍土層考慮，可得到接地電阻為3.8Ω，與單層接地網(wǎng)變化不大，主要是由于凍土層電阻率太大，少量增加的接地體對整個站區(qū)接地系統(tǒng)的電阻影響不大。而本接地方案最大接觸電壓為3510V，而且只存在與四角，絕大部分區(qū)域的接觸電壓都控制在2000V以內(nèi)；最大跨步電壓為860V，由此發(fā)現(xiàn)在寒冷季節(jié)，雖接觸電壓仍超出允許值較多，但相比單層接地網(wǎng)已有顯著降壓效果，說明方案可行，跨步電壓滿足要求。以下將驗證在溫暖季節(jié)，無凍土情況下，地網(wǎng)外側(cè)增加一圈均壓環(huán)的效果。

（3）溫暖季節(jié)凍土層內(nèi)敷設(shè)一圈均壓環(huán)與凍土層下敷設(shè)單層水平接地網(wǎng)相結(jié)合的接地系統(tǒng)方案

以入地短路電流8.8kA為基礎(chǔ)，采用CDEGS的MALZ模塊，計算接地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓。

通過CDEGS軟件對凍土層下雙層接地網(wǎng)進行建模，按溫暖季節(jié)有凍土層考慮，得到接地電阻為3.7Ω左右，變化不大。而溫暖季節(jié)本接地方案最大接觸電壓為3000V，而且只存在與四角，絕大部分區(qū)域的接觸電壓都控制在1780V以內(nèi)；最大跨步電壓為685V，由此發(fā)現(xiàn)在溫暖季節(jié)，接觸電壓超標，跨步電壓滿足要求。但可以看出，溫暖季節(jié)，雙層接地網(wǎng)方案的均壓效果更加顯著[3～4]。

綜上，接觸電壓始終無法滿足要求，因此需要采取一些措施來保證設(shè)備及人身安全，考慮在變電站內(nèi)土壤裸露部位鋪設(shè)碎石，另外在設(shè)備機構(gòu)操作處制作操作地坪。

4 結(jié)束語

綜上所述，文章針對凍土的高阻問題，合理地選用接地材料，最終確定了使用熱鍍鋅扁鋼做水平接地網(wǎng)，銅接地極做垂直接地材料的方案。同時，設(shè)計了凍土層以下埋設(shè)單層接地網(wǎng)、凍土層內(nèi)沿圍墻內(nèi)側(cè)埋設(shè)一圈均壓帶和凍土層以下埋設(shè)單層接地網(wǎng)相結(jié)合的簡單雙層接地網(wǎng)兩種方案，并對兩種方案的接地電阻大小和均壓效果進行了對比，其中雙層接地網(wǎng)方案還分了溫暖季節(jié)、寒冷季節(jié)兩種情況，值得參考。

參考文獻

[1]劉 洋.凍土環(huán)境下變電所接地系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[2]何金良，康 鵬，曾 嶸，等.青藏鐵路110kV輸變電工程五道梁和沱沱河變電站的接地系統(tǒng)設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006（04）：60～64.

[3]高延慶，何金良，曾 嶸，等.非均勻土壤中變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計[J].清華大學學報（自然科學版），2002（03）：345～348.

[4]謝 暉.高寒凍土地區(qū)鐵路牽引變電所接地問題研究[J].電氣化鐵道，2015（05）：28～31+43.

收稿日期：2018-8-8

作者簡介：劉玉雷（1983-），男，安徽蚌埠人，工程師，碩士，從事電網(wǎng)設(shè)計工作。