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降低高土壤電阻率變電站接地電阻的研究

文檔作者：王金煒，余力行文檔來(lái)源：國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年02月10日
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第20 卷(2018 年第2 期) 電力安全技術(shù)
王金煒，余力行
(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000)
降低高土壤電阻率變電站接地電阻的研究
〔摘 要〕 通過(guò)對(duì)一個(gè)雙層高土壤電阻率變電站接地網(wǎng)的處理，介紹了降低雙層高土壤電阻率
變電站接地網(wǎng)接地電阻的有效措施，包括增加垂直接地極的數(shù)量和填充降阻劑。通過(guò)計(jì)算確定了需
要增加的垂直接地極的數(shù)量并計(jì)算了改造后接地網(wǎng)的接地電阻。接地電阻的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值
進(jìn)行比較，證明了所采用方法的實(shí)用性。
〔關(guān)鍵詞〕 雙層高土壤電阻率；接地網(wǎng)；接地電阻
在高土壤電阻率地區(qū)，可采取的降低接地電阻
的措施有以下幾種：
(1) 若在變電所2 000 m 以?xún)?nèi)有較低電阻率的
土壤時(shí)，可敷設(shè)外引接地極；
(2) 當(dāng)?shù)叵螺^深處的土壤電阻率較低時(shí)，可采
用井式或深鉆式接地極；
(3) 填充電阻率較低的物質(zhì)或降阻劑；
(4) 敷設(shè)水下接地網(wǎng)。
該變電站現(xiàn)有的接地網(wǎng)水平接地體采用70×
10 熱鍍鋅扁鋼，沿變電站圍墻敷設(shè)，埋深為0.8 m。
依據(jù)該變電站接地網(wǎng)布置圖紙，制定接地網(wǎng)改造方
案如下：
(1) 沿水平接地網(wǎng)外環(huán)周?chē)笤O(shè)Φ50 銅覆鋼
管深井接地極；
(2) 深井回填采用“深井壓力灌漿”工藝，每
口井回填煅燒石油焦炭450 kg，灌漿壓力保持在
4.5 MPa±0.5 MPa；
(3) 深井接地極連成的環(huán)網(wǎng)與原地網(wǎng)間需進(jìn)行
可靠連接，連接點(diǎn)應(yīng)不少于10 處；
(4) 水平接地體與深井接地極、水平接地體之
間均采用放熱焊接且保證焊接牢固，焊點(diǎn)及周?chē)?
氧化部位需涂刷瀝青漆進(jìn)行防腐。
改造后的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
2 改造方案特點(diǎn)
(1) 全站接地采用銅覆鋼接地裝置，銅層厚度
不小于0.25 mm，具有導(dǎo)電性能優(yōu)、熱穩(wěn)定性能好、
0 引言
變電站良好的接地是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)
行、保護(hù)運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施。理
論分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：在土壤電阻率低的地區(qū)，
地網(wǎng)接地電阻值容易滿(mǎn)足要求，但土壤腐蝕問(wèn)題嚴(yán)
重；而在土壤電阻率高的地區(qū)，特別是在山區(qū)，表
面土層一般較薄，下層的土壤往往不止一層，地網(wǎng)
的接地電阻很難達(dá)到規(guī)定值。
在近期對(duì)某35 kV 變電站接地電阻例行試
驗(yàn)后， 結(jié)果顯示其接地電阻達(dá)到7 Ω， 已大于
GB 50056—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》
4.2.1 條“不接地系統(tǒng)接地電阻不大于4 Ω，高電
阻率地區(qū)接地電阻不大于10 Ω”的要求。經(jīng)過(guò)現(xiàn)
場(chǎng)勘查后發(fā)現(xiàn)，該變電站外區(qū)域表層為紅色粉質(zhì)粘
土，分布于全場(chǎng)區(qū)，結(jié)構(gòu)疏松，土質(zhì)不均勻；中層
及其下層均為第3 紀(jì)重風(fēng)化石灰?guī)r，分布于全場(chǎng)區(qū)，
層頂起伏較大，中等風(fēng)化。該土壤結(jié)構(gòu)屬于典型的
雙層土壤結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖土報(bào)告，土壤電阻率分布為
上層土壤(0—5 m)h 1=5 m，ρ1=300 Ω·m；下層
土壤( 5 m 以下)h 2=13 m，ρ2=1 000 Ω·m。
1 接地網(wǎng)改造方案
目前接地網(wǎng)原材料大多采用扁鋼、角鋼或鋼管，
鋼材在土壤中腐蝕后，進(jìn)而腐蝕接地網(wǎng)。金屬在土
壤中的腐蝕有化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕，
其中電化學(xué)腐蝕對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕最為嚴(yán)重。
電力安全技術(shù) 第20卷 (2018年第2期)
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耐腐蝕能力強(qiáng)、施工方便、使用壽命長(zhǎng)、投運(yùn)后檢
驗(yàn)維護(hù)工作量少、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。
(2) 全站降阻采用“深井壓力灌漿”工藝，以
低電阻率的接地工程用煅燒石油焦炭灌注深井，可
使低電阻材料填充地層裂隙，增大低電阻區(qū)域，有
效降低接地體局部接地電阻。
(3) 接地工程用煅燒石油焦炭的碳含量不小于
95 %，具有低電阻、低流失、無(wú)腐蝕性和無(wú)污染的
優(yōu)點(diǎn)。
(4) 全站接地體連接采用放熱焊接方式，施工
方便，焊接點(diǎn)的電氣性能、機(jī)械性能、耐腐蝕性均
優(yōu)于傳統(tǒng)焊接，有效保障了接地網(wǎng)的電氣安全。
圖1 等效的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)
3 接地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算
文獻(xiàn)1 給出以水平接地導(dǎo)體為主、邊緣閉合
的復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算公式，該公式考慮了
構(gòu)成水平接地網(wǎng)的水平接地導(dǎo)體之間的電流屏蔽作
用，對(duì)于任意復(fù)雜的接地網(wǎng)都能得到比較準(zhǔn)確的接
地電阻值。式(1)—(4) 為復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻公式。
Rn=αR e (1)
式中:Rn——任意形狀邊緣接地閉合網(wǎng)的接地
電阻，Ω；Re——等值方形接地網(wǎng)接地電阻，Ω；
S ——接地網(wǎng)總面積，m2；d——水平接地極的直徑，
m;h ——水平接地極的埋沒(méi)深度，m;L 0——接地
網(wǎng)的外緣邊線(xiàn)總長(zhǎng)度，m;L ——水平接地級(jí)的總
長(zhǎng)度，m。
由資料得ρ1=300 Ω·m，S =1 060 m2，L 0=
134 m，B =0.9，α =0.98，h =0.8 m，則有Rn=
4.5 Ω。此電阻與實(shí)際測(cè)量所得接近。
改造后的接地網(wǎng)參數(shù)采用利用系數(shù)法計(jì)算，需
要的垂直接地極鋼管數(shù)量見(jiàn)式(5)。
假定需要的接地極鋼管數(shù)量n=50，式中η v
為水平接地體的利用系數(shù)，查文獻(xiàn)2 得η v=0.96；
Rne 為接地電阻要求值；Rv 為單根接地電阻體的散
流電阻Rv=k×ρv，k 為雙層土壤的反射系數(shù)，取
0.326, 求得Rv=97.8 Ω。按式(5) 求得接地極鋼
管數(shù)量n=23，取50 根接地極鋼管。
垂直接地極根數(shù)從10—70 根時(shí)，接地網(wǎng)的接
地電阻隨垂直接地極數(shù)量的變化曲線(xiàn)如圖1 所示。
由圖1 看出，在水平地網(wǎng)保持不變的情況下，接地
網(wǎng)的接地電阻R 隨垂直接地極根數(shù)n 的增大而降
低；當(dāng)n 達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，R 值趨于恒定。這是由
于垂直極間距減小后，相互間的屏蔽作用增強(qiáng)，垂
直接地極根數(shù)越多，屏蔽系數(shù)越大。當(dāng)垂直接地極
根數(shù)增加到一定程度后，屏蔽作用已非常明顯，再
增加已無(wú)意義。
圖1 接地網(wǎng)電阻與垂直接地極根數(shù)的關(guān)系
驗(yàn)算接地電阻見(jiàn)式(6）。
由于該變電所為雙層土壤，所以需要計(jì)算由于
雙層土壤影響而增加的電阻，見(jiàn)式(7)—(9)。
R′=F (R1+Rad) (7)
水平接地網(wǎng)
垂直接地極山體裂紋
α=(3l n -0.2) (3)
L 0
S
S
L 0
Re=0.213 (1+B )+ (l n -5B ) (2)
ρ1
S
ρ1 2πL
S
9hd
B = (4)
h
S
1+4.6
1
n ≥ （5）
0.9Rv
Rneη v
Rne= = =1.8 Ω (6)
0.9Rv
nη v
0.9×97.8
50×0.96
10
10 20 30 40 50 60 70 n，根
R，Ω
0
9
7
5
3
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第20 卷(2018 年第2 期) 電力安全技術(shù)
式中，Rad 為垂直接地體由于雙層土壤影響
而增加的電阻，當(dāng)土壤電阻率為100 Ω·m，埋
深3 m 時(shí)查表取Rad=1.98 Ω， 在經(jīng)過(guò)換算后取
Rad=0.2 Ω；F 為雙層土壤的影響系數(shù)，可以根據(jù)
土壤的反射系數(shù)和接地體底部的埋深計(jì)算而得，取
F =1.7；土壤的反射系數(shù)K 見(jiàn)式(8);R1 為垂直接
地體僅埋設(shè)在上層土壤中的接地電阻，見(jiàn)式(9)。
綜上，通過(guò)式(7) 可求得R′。
R′=F (R1+Rad)=1.7×(0.2+2)=3.74 Ω
改造后的總接地電阻見(jiàn)式(10)。
R=Rne+R′=3.74+1.8=5.54 Ω (10)
改造后的實(shí)際接地網(wǎng)接地電阻測(cè)量值為
1.86 Ω，滿(mǎn)足規(guī)范要求的不接地系統(tǒng)接地電阻不
大于4 Ω 的要求。
4 接觸電位差與跨步電位差
根據(jù)文獻(xiàn)1 要求，35 kV 不接地系統(tǒng)發(fā)生單相
接地故障后，當(dāng)不迅速切除故障時(shí)，此時(shí)變電站接
地裝置的接觸電位差Ut 和跨步電位差Us 不應(yīng)該超
過(guò)式(11) 和式(12)。
Ut=50 + 0.05ρf (11)
Us=50 + 0.2ρf (12)
其中ρf 為人腳站立處地表面的土壤電阻
率。取ρf=300 Ω·m， 計(jì)算得允許值Ut=65 V，
Us=56 V。
接地網(wǎng)最大接觸電位差和最大跨步電位差的公
式見(jiàn)式(13)，(14)。
UT=K TLK ThK TdK TsK TNK TmV (13)
US=K SLK ShK SdK SsK SNK SmV (14)
其中：K TL，K Th，K Td，K Ts，K TN 和K Tm 分別
為最大接觸電位差的形狀、埋深、直徑、地網(wǎng)面積、
接地導(dǎo)體根數(shù)和網(wǎng)孔數(shù)目影響系數(shù)；K SL，K Sh，
K Sd，K Ss，K SN 和K Sm 分別為最大跨步電位差的形
狀、埋深、直徑、地網(wǎng)面積、接地導(dǎo)體根數(shù)和網(wǎng)孔
數(shù)目影響系數(shù)；V 為接地網(wǎng)故障電流時(shí)的最大接地
位升高。當(dāng)I =1 000 A( 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)所得的計(jì)算
值)，地網(wǎng)接地電阻R=1.86 Ω 時(shí)，接觸電位差的
R1= = =2.0 Ω (9)
Rv
nη v
97.8
50×0.96
K = = =0.53 (8)
(ρ2-ρ1)
(ρ2+ρ1)
1 000-300
1 000+300
影響系數(shù)為0.018。驗(yàn)算得：
UT=0.018×1 000×1.86=33.48 V<65 V。
即最大接觸電位差小于允許電壓。變電站內(nèi)跨
步電位差也不會(huì)威脅運(yùn)行人員的巡視安全。
5 結(jié)束語(yǔ)
從安全經(jīng)濟(jì)方面考慮，新建深井接地極連成的
環(huán)網(wǎng)應(yīng)根據(jù)不同部位的腐蝕特點(diǎn)采用必要的防腐措
施。新建環(huán)網(wǎng)要特別注意接地體的防腐能力，鋼材
本身要作防腐處理，如熱鍍鋅；焊接處應(yīng)去掉焊渣
后，涂厚度約2 mm 的瀝青；電纜溝相對(duì)濕度較大，
構(gòu)成電化學(xué)腐蝕條件，故電纜溝內(nèi)的扁鐵除采用鍍
鋅防腐外，還應(yīng)從降低電纜溝濕度的角度減緩腐蝕。
防腐的另一項(xiàng)措施是水平接地體回填土要夯實(shí)。從
地網(wǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)，腐蝕嚴(yán)重處大多是土壤與水平接地
體間有空洞或不緊密的地方，而土塊緊粘在扁鐵外
的腐蝕就比較少。
在實(shí)施接地網(wǎng)改造時(shí)，必須按圖紙施工，以保
證施工質(zhì)量和接地扁鐵之間的焊接質(zhì)量。首先要保
證搭接面積，嚴(yán)禁點(diǎn)焊，必要時(shí)可以在焊接處搭接
一根相當(dāng)于扁鐵截面的圓鋼，圓鋼長(zhǎng)度要大于其直
徑的12 倍；其次在折彎處禁止采用高溫加熱處理，
因?yàn)楦邷丶訜岷?，鋼鐵的有效截面會(huì)發(fā)生變化，不
能保證足夠的通流面積；另外，禁止設(shè)備接地引下
線(xiàn)串接，以防某處地線(xiàn)斷開(kāi)時(shí)造成后面串接設(shè)備失
地。為避免遺留事故隱患，接地網(wǎng)回填土之前必須
經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員驗(yàn)收，驗(yàn)收資料及改造圖紙存檔待查。
參考文獻(xiàn):
1 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50065—2011
交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版
社，2011．
2 鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)
[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1996．
收稿日期：2017-11-10。
作者簡(jiǎn)介：
王金煒(1985—)， 男， 工程師， 主要從事電氣試驗(yàn)工作，
email：wangjinwei1985@126.com。
余力行(1982—)，男，工程師，主要從事電氣試驗(yàn)工作。

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