对变电站接地设计若干问题探讨

　　摘要：变电站接地网是一项系统工程，随着电力系统容量的增大，变电站地网面积的减少，变电站接地网的设计变得越来越困难，这需要设计者更仔细地设计，施工单位更加认真地施工，大家共同努力，营造一个安全而高效的地网，保证变电站内人身和设备安全。
　　关键词：电力系统；变电站；工程设计
　　1引言
　　随着科技发展电力系统接地问题是一个看似简单、而实际上却非常复杂又至关重要的问题，一方面，随着电力系统的发展，电网规模的不断扩大，接地短路电流越来越大，对接地的要求越来越高。另一方面，变电站用地日益紧张，大部分的站址仅能选择在高土壤电阻率地区，且用地面积受限制，造成变电站在接地设计方面的突出问题是接地面积小，土壤电阻率高，无可敷设外接接地条件等。因此在设计变电站接地网时需要根据现场情况采取多种措施（包括近些年研究的新成果）才能使接地电阻满足规程要求。
　　2接地工程设计中的几个问题
　　2.1土壤电阻率ρ的测量
　　土壤电阻率ρ值是接地设计和计算的重要依据，由于土地的分布千差万别，大多数情况下土壤都是不均匀，表现在实际的土壤电阻率沿水平和垂直方向不均匀分布，并且无任何规律可言，通过地质勘探资料的各种土质和地下水位来估算土壤电阻率ρ值往往与实际出入很大。实测土壤电阻率需要各个方向都要测，以测出在不同水平方向上土壤电阻率的不同分布，以此找出土壤电阻率ρ最低的方向，并在设计中优先考虑沿此方向延伸地极。实测土壤电阻率时还要测出不同深度的土壤电阻率，对于大体积未翻动过的土壤进行土壤电阻率测量，最准确的方法是“四点法”。在测量时，一定要注意避开地下可能有的金属部件或管道，对于新建的变电站可在变电站接地装置布置地点进行测量；对于旧站改造，可在旁边类似的土质地方测试，否则如果在原地网上面测试，因下方有接地体的影响而使结果偏小，会使接地设计产生很大的误差。
　　2.2变电站接地电阻规定的执行
　　1根据电力行业标准DL/T621-1997《交流配电装置的接地》中对于有效接地和低电阻接地系统中的变电站电气装置保护接地的接地电阻要求，一般情况下应符合下式要求：
　　Rd≤ 2000
　　 I
　　⑴
　　式中Rd–-考虑季节变化的最大接地电阻，Ω
　　I--为计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。
　　2当接地装置的接地电阻不符合⑴式要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5Ω且应符合电力行业标准DL/T621-1997《交流配电装置的接地》第6.2.2的要求，特别应采取隔离、均压等措施。
　　实际工作中，部分运行人员对110kV及以上电压等级变电站接地电阻的取值，采取两种截然不同的态度：一种看法是不管流过接地装置入地电流的大小，一律坚持要求接地电阻必须0.5Ω以下，这实际上受已作废的SDJ8-79《电气设备接地技术规程》某些条文的影响，这是不科学的。对土壤电阻率较高，降阻困难的地区，入地短路电流较小的变电站坚持要求接地电阻0.5Ω以下会造成较大的无谓投入。另一种是只要接地电阻控制0.5Ω以下，就什么都不用管了，这还是受SDJ8-79《电气设备接地技术规程》的影响，这是不正确的。接地电阻的大小主要以接地装置流过接地短路电流入地时，接地装置的电位不超过2000V为准，否则不管接地电阻多大，都需按规定核算接触电势、跨步电压等指标，并应采取相应的措施。事实上，低接地电阻的接地网可能是危险的地网，而通过合理的设计，较高接地电阻的地网是安全的地网。通过合理的设计，使得变电站有一个低的足够安全的接触电位差、跨步电位差、地电位是我们设计安全地网的最终目的。
　　计算时首先应按系统最大运行方式时的短路阻抗计算出设计水平年电网在非对称故障情况下最大短路电流Imax（一般当零序阻抗大于正序阻抗或负序阻抗时，单相接地故障电流较严重；反之，两相接地故障电流情况较严重），然后根据下式分别计算变电站内、外接地短路时，流经接地装置的电流：
　　I=(Imax–Iz)(1–Kf1)⑵
　　I=Iz(1–Kf2)⑶
　　上式中I--为计算用的流经接地装置的入地短路电流，A；
　　Iz–-发生最大接地短路电流时，流经变电站接地中性点的最大短路电流，A；
　　Kf1、Kf2—分别是变电站内、外短路时，避雷线的工频分流系数。
　　计算用的入地短路电流取上两式中较大的I值，实际上，接地故障电流一侧，并不一定入地故障电流也最大。
　　在实际工作中，一些技术管理部门人员直接把接地短路电流作为入地电流，不考虑架空地线的分流和变压器中性点的分流，造成了对接地电阻盲目的高要求。在我们地区刚投运的一个110千伏变电站地处山区，尽管地网外延的面积比变电站面积大差不多一倍，接地电阻仅1Ω。设计人员已经根据实际数值计算出接地电阻满足⑴式要求，并核实接触电压和跨步电压满足要求，但运行单位的技术管理人员不认可⑵、⑶式的分流作用，坚持要按非对称故障情况下最大短路电流计算，以此认定接地电阻不合格，要求继续采取措施降低接地电阻，这势必会造成巨大浪费。
　　2.3接触电位差、跨步电位差和接地电位允许值的计算
　　2.3.1系统发生单相接地或由两相短路导致的同点接地时，接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：
　　Ut= 174+0.17ρf
　　 √t
　　（4）
　　
　　Us= 174+0.7ρf
　　 √t
　　（5）
　　
　　上式中Ut––接触电位差，V；
　　Us––跨步电位差，V；
　　ρf––人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω•m；
　　t––接地短路（故障）电流的持续时间，s。
　　2.3.2考虑短路电流非周期分量的影响，根据氧化锌避雷器在暂态过电压下不动作来确定最大的地电位升允值Ugmax，即根据在发生短路故障时避雷器工频电压耐受能力确定地电位允许值，对110kV变电站，宜以10kV氧化锌避雷器暂态过电压来确定最大允许的地电位。
　　如对HY5WZ-17/45氧化锌避雷器1s工频耐受电压峰值为：
　　1.15*17*√2=27.65kV
　　允许的地电位为：
　　Ugmax=27.65/2.55=10.8kV
　　根据变电站的最大入地短路电流Imax和最大地电位升允许值Ugmax来确定允许的最大接地电阻为：
　　Rmax=Ugmax/Idmax
　　根据变电站所在的土壤电阻率及地形条件等，通过技术经济比较设计一个满足接触电压和跨步电压的接地网，其电阻值Rd≤Rmax。
　　2.3.3影响地网接触电位差、跨步电位差和地电位升的主要因素很多，但主要有接地故障电流(I)的大小、持续的时间(t)、架空地线分流系数(K)，土壤电阻率(ρ)，地表材料电阻率（ρf），土壤电阻率的均匀性等因素。这要求我们在设计中既要考虑减少各种因素的影响，又要合理使用接地材料，降低成本；另外也要减少对设备性能、运行方式的要求，把地网设计得更安全。这是我们目前变电站接地设计所面对的现实。
　　3接地工程设计中部分降阻措施应注意的问题
　　3.1利用自然接地体降阻应事先做好规划
　　在接地工程中，充分利用混凝土结构物中的钢筋，金属结构物以及上下水金属管道等自然接地体，是减小电阻、节约钢材的有效措施，由于钢筋和金属结构物分布广而密集，能很好起到均衡电位的作用。
　　在变电站可利用的自然接地体有：
　　1变电站主控楼及高压配电室混凝土基础；
　　2各类设备钢筋混凝土基础；
　　3架空输电线路的“地线－杆塔”地系统；
　　4埋于地下的金属自来水管和有金属外皮的电缆。
　　对于因地质要求需要增加桩基础的，可将桩基内的钢筋引出或附加钢筋接地，这相当做了接地深井。
　　在利用这些自然接地体时，要事先做好规划，由于接地通常属电气一次部分，图纸较土建施工图出得迟，因此电气专业要事先向土建专业了解基础结构，看有什么自然接地体可以利用，然后在向土建移交资料时增加自然接地体引出的要求，土建施工图中要按电气要求做好引出线，同时对钢筋混凝土内钢筋焊接提出要求，在施工中应严格按要求进行连接。为了充分利用人工接地体的降阻作用，应尽是避免人工接地体对自然接地的屏蔽作用。
　　3.2外引地网或扩网要做好安全措施
　　由公式Rg=0.5ρ/√A可知，地网接地电阻的大小，主要取决于接地网的面积，如果接地电阻率ρ值过高，要把接地电阻降到0.5Ω以下，地网面积要达到几万平方，要建这么大的地网是不可能的。但如果变电站周围有电阻率为500Ω•m以下的土壤区域或距变电站2000m以内有更低土壤电阻率区时（水田、水塘等），可以考虑在这些低电阻率区域扩网或敷设辅助接地网与站内地网连接，这是降低接地电阻常用措施之一。
　　由于无论外引地网或扩网，都不在变电站范围内，其它人员可能在这些区域活动，为此要注意的是，无论是专门降阻的外引接地装置，还是外扩的接地网（水平接地体），接地体都要深埋，一般要求不少于1米。不影响农民的耕作，以防接地体损坏；另外要做好安全保护措施，防止因跨步电位差引起人员和动物触电事故发生，保证外引接地的安全。
　　3.3敷设水下接地网要注意核实水体电阻多大
　　物体潮湿时会导电，在大多数人印象中水是良导体，在高土壤电阻率地区，变电站附近有水源，设计人员设计接地装置通常会敷设外接地装置至水源。这其中有一个问题设计人员通常会忽略：这个水源的电阻率是多少？实际中，有水不等于电阻率低。
　　前文提到的变电站其地下水位较高，设计人员不假思索增加接地深井，正是受地下水位高，电阻率肯定较低的思想影响，所以才不到现场实测，导致失误。因此敷设水下接地网，首先要测出拟设接地网的水的电阻率，只有那些含盐量大的水，电阻率才能低，特别利用河水时，只有含盐较大时才有效（实际上河水含盐量一般不高）。
　　设计敷设水下接地网时，须注意：
　　1首先充分利用水工建筑物（水塔、水井、水池等）以及其它与水接触的金属部分作为自然接地体。此时在水下钢筋混凝土结构物内绑扎成的许多钢筋网中，选择一些纵横交叉点焊接，并与地网连接起来。
　　2当利用水工建筑物作为自然接地体仍不满足要求或有困难时，应优先在就近的水中（井水、池塘水、河水）敷设引外来接地装置。该接地装置应尽量敷设于水源流速不大处或静水中，并妥为固定；在水域宽阔处，首先应尽可能增大占用水域的面积，其次才向水域的长度发展。
　　3水下接地网一般可用φ12圆钢焊接成外缘闭合的矩形网，网内用纵横连接带构成的网孔不宜多于32个。水下接地网接地电阻Rw的可按下式估算：
　　Rw=Ks ρs
　　 40
　　⑷
　　
　　式中ρs––河水电阻率；
　　Ks–-接地电阻系数，与河水电阻率和河床电阻率的比值有关，可查阅文献有关图表得出。
　　3.4深井接地要根据土壤具体电阻率来选用
　　由于变电站用地面积的限制，加上部分变电站已经与其它用房毗邻，使用外引地网已不可能，这时多想到使用深井接地这方法。早些年，在旧变电站接地电阻不够要求需要改造地网时，首先想到的是使用深井，但部分深井的效果并不理想，究其原因，是忽略了土壤的不均匀性。
　　事实上土壤是分层的，不同层的土壤电阻率不一定相同，使用接地深井存在有多种情况：
　　1当上下层的土壤电阻率变化不大时，采用深井灌降阻剂的方法，可以建成立体网，使流过大地的电流，向垂直和水平方向扩散，在均匀电阻率的土壤中呈半球形等位面扩散，充分利用电流垂直方向的扩散分量，可将较大的电流引入地的深层。
　　2当上下层的土壤电阻率变化较大且下层土壤的电阻率远远小于上层土壤的电阻率时，可把竖井打到下层土壤内，充分利用下层较低电阻率的地质层来降低电阻。
　　3当上下层的土壤电阻率变化较大，但下层土壤的电阻率高于上层土壤的电阻率时，如竖井打到下层土壤内，由于电阻率较大，所起到的分流降压作用较小，这时深井的效果非常小，会造成较大浪费。
　　3.5人工降低土壤电阻率
　　常用的人工改善接地电极附近的土壤电阻率的方法是在接地极附近施用低电阻率的材料——降阻剂。这种方法包括用低电阻的固体或液体材料置换接地体附近小范围内的高电阻率土壤，或用高压泵将低电阻率的化学溶液压入高电阻率的地层中。降阻剂就其降阻方式的不同可分为三种类型。
　　（1）食盐或食盐与木炭的混合物。它是靠电解质溶液中的例子渗透到土壤的空隙中来降低土壤的电阻率。
　　（2）化学降阻剂。化学降阻剂是一种电解质与胶凝材料结合组成的凝胶状导电物质，即用脲醛树脂、丙烯树脂之类的高分子有机化学物作为主要胶凝材料加上食盐等盐类物质作为电解质，在引发剂的作用下发生聚合反应生成的一种具有网状分子结构的高分子共聚物。它靠包围于高分子网格中的电解质导电。
　　（3）无机降阻剂。无机降阻剂是一种以石墨为导电材料，加上石灰、水泥、石膏或水玻璃等无机材料用水调整后固结而成的固体导电物质。
　　4结束语
　　根据多年接地工程的经验，方法基本就是那么几个，但如果使用不合理，不仅使用效果不佳，而且造成的浪费也非常严重。为此，在设计前必须对现场进行认真的勘探、测量，看土壤是均匀还是不均匀土壤，地下电阻率是不是比较低；变电站周围有没有土壤电阻率的地方可以外引地网；附近有没有可以利用的水资源和土壤较湿的地方。掌握全部资料后，根据变电站的规模、接地短路电流的大小，对接地电阻、地网均压和地电位的要求，认真地分析计算，综合分析对比各种方法的效果、费用以及维护是否方便，决定采用什么样的接地降阻方式，要力争一次达到目的，杜绝返工或后续增加其它措施。
　　
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