土壤電阻率

國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院、江蘇省電力設(shè)計(jì)院的研究人員周潔、李海濱等，在2018年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，位于高土壤電阻率地區(qū)的變電站接地網(wǎng)接地電阻較高，且變電站征地困難和費(fèi)用較高等常規(guī)降阻方案難以達(dá)到預(yù)期效果。

本文針對(duì)此提出了3種適用的降阻措施。雙層地網(wǎng)系統(tǒng)，適用于底層土壤電阻率較低的情況；離子接地極深井系統(tǒng)，適用于土壤電阻率高的情況；斜長(zhǎng)接地系統(tǒng)，適用于土壤電阻率不是很高且底層土壤電阻率不降低的情況。本文對(duì)這3種降阻措施分別進(jìn)行了詳細(xì)研究，具有實(shí)際參考意義。隨著城市用地的緊張，變電站布置越來(lái)越緊湊，占地面積越來(lái)越小，但同時(shí)隨著智能變電站的推行生產(chǎn)運(yùn)維部門對(duì)接地系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度較大[1-3]。特別是在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻一般很難達(dá)到要求。因此，需要采取各種措施以降低接地電阻?，F(xiàn)在電網(wǎng)工程征地成本高昂，在不增加征地的條件下，本文提出了適用于不同類型高土壤電阻率地區(qū)的降阻措施，并對(duì)各種措施進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，使得變電站接地電阻能達(dá)到設(shè)計(jì)要求值。

本文以將接地電阻降低到0.5?以下為目標(biāo)，研究各降阻措施所需的條件及采取的措施，實(shí)際工程中當(dāng)接地電阻無(wú)法滿足要求或?yàn)檫_(dá)到目標(biāo)降阻費(fèi)用過(guò)大時(shí)，目標(biāo)接地電阻可根據(jù)相關(guān)規(guī)程和實(shí)際條件適當(dāng)?shù)胤艑捯?，但是?yīng)做好相關(guān)措施，保證人身安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 接地網(wǎng)降阻的基本原理

根據(jù)我國(guó)相關(guān)接地標(biāo)準(zhǔn)中接地網(wǎng)接地電阻值的計(jì)算方法如下[4]。

接地網(wǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算法為

（1）

式中，為土壤電阻率；S為接地網(wǎng)系統(tǒng)的總面積；L為水平接地體的總長(zhǎng)。

由式（1）可知，接地電阻大小主要與接地網(wǎng)面積S、接地極總長(zhǎng)度L、土壤電阻率密切相關(guān)，降阻措施應(yīng)從增大接地網(wǎng)面積、增加接地極總長(zhǎng)度、減小土壤電阻率大小這3個(gè)方面入手。

加密水平接地網(wǎng)能夠增加接地極長(zhǎng)度為L(zhǎng)，降低接地電阻，但是當(dāng)L增加到一定大小繼續(xù)增加對(duì)接地電阻的影響較小，且其經(jīng)濟(jì)性較差；外引接地是在水平方向增大接地網(wǎng)面積，雙層接地網(wǎng)和接地井實(shí)在垂直方向增加接地網(wǎng)面積，斜長(zhǎng)接地極相當(dāng)于增大了接地網(wǎng)的面積且不需征地；換土、添加降阻劑、離子接地極是人為的減小土壤電阻率[5-6]。

在各種降阻措施中，外引擴(kuò)網(wǎng)和水平接地體外延需額外征地，水平接地網(wǎng)均壓帶加密對(duì)于高土壤電阻地區(qū)降阻效果微乎其微，因而本文重點(diǎn)討論雙層地網(wǎng)系統(tǒng)、離子接地極接地深井系統(tǒng)和斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)這3種降阻措施。

2 雙層接地網(wǎng)系統(tǒng)論

1）雙層地網(wǎng)降阻原理

雙層接地網(wǎng)是利用下層低土壤電阻率區(qū)域以達(dá)到降低接地電阻目的的，可以考慮將接地網(wǎng)部分埋于深層土壤，部分埋于表層土壤，該方案能有效降低接地電阻，相關(guān)研究表明下層接地網(wǎng)格大小不同，對(duì)接地電阻影響不大，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮可采用下層接地網(wǎng)為單一外框的形式[8-9]。雙層地網(wǎng)主要靠底層低土壤電阻率區(qū)域?qū)崿F(xiàn)降阻，因而本文著重研究底層土壤電阻率相對(duì)降阻效果的影響。

2）算例分析

假設(shè)某變電站接地網(wǎng)面積為114m×87m，導(dǎo)體間距為10m，接地導(dǎo)體為60×8熱鍍鋅扁鋼，最大入地電流為15kA；該站址所處地區(qū)為雙層土壤，表層土壤電阻率為400?·m，分層厚度為2m。底層土壤電阻率值選取見(jiàn)表1。

表1 底層土壤電阻率不同對(duì)降阻效果的影響

上層接地網(wǎng)埋深0.8m，網(wǎng)格大小10m×10m，下層接地網(wǎng)埋深2.5m，且為減小施難度只保留水平接地網(wǎng)外框。該方案只需在變電所周圍一圈挖深2.5m，所內(nèi)只需挖深0.8m。敷設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 雙層接地網(wǎng)敷設(shè)示意圖

經(jīng)CDEGS計(jì)算得到分別輻射單層地網(wǎng)和雙層地網(wǎng)的接地電阻結(jié)果如下。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，當(dāng)?shù)讓油寥离娮杪蕿?5?時(shí)，采用雙層接地網(wǎng)方式可以將土壤電阻率降低到0.5?以下；通過(guò)對(duì)比接地電阻降低百分比可以看到，底層土壤電阻率越小，雙層接地網(wǎng)降阻效果越明顯。

3 離子接地極接地深井系統(tǒng)

當(dāng)土壤電阻率很高時(shí)，此時(shí)采用雙層接地網(wǎng)或斜長(zhǎng)接地極方案獲得降阻效果一般時(shí)，考慮到征地費(fèi)用、民事賠償?shù)葐?wèn)題，可以適當(dāng)利用深井接地系統(tǒng)、離子接地裝置和一些輔助降阻材料聯(lián)合降阻。

1）離子接地極降阻原理

離子接地極降阻技術(shù)是將電解離子化合物裝入銅管中制成電解地極，銅管上設(shè)有大量呼吸孔，電解離子化合物通過(guò)呼吸孔與周圍土壤中的水分發(fā)生潮解反應(yīng)，釋放電解離子，降低周圍土壤電阻率[11]。

離子接地極降阻法具有占地面積小、安裝過(guò)程規(guī)范性，施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)周圍的土壤環(huán)境要求較低，應(yīng)用面較廣。

離子接地極結(jié)合深井系統(tǒng)，同時(shí)向井內(nèi)灌注低電阻率材料，改善接地體與土壤或巖石裂縫中的沉積物，通過(guò)樹(shù)枝反應(yīng)，改變電流流過(guò)路徑，增加接地體占有的面積，有效降低接地電阻。離子接地極的降阻效果示意圖如圖2所示。

2）算例分析

以某變電站為例，該變電站水平地網(wǎng)面積為3813m2，土壤電阻率取值430?·m，水平地網(wǎng)的接地電阻R計(jì)算如下：

圖2 離子接地極降阻效果圖

（2）

式中，R1為水平地網(wǎng)的接地電阻；??為變電站的土壤電阻率；S為地網(wǎng)面積。

在主地網(wǎng)外圍均勻布置6口50m的深井，每口深井內(nèi)布置6m長(zhǎng)的離子接地極1套，用95mm2銅絞線引出井外與主地網(wǎng)相連，并向井內(nèi)灌注低電阻率的離子緩釋填料以輔助降阻，每米用量25kg，合計(jì)約7.5t。

單口深井接地系統(tǒng)的接地電阻為

（3）

式中，R2為單口深井接地系統(tǒng)的接地電阻；??為變電站的土壤電阻率；l1為單口深井接地極的長(zhǎng)度；d為深井接地體的等效直徑；W為離子緩釋填料利用系數(shù)。則多組深井接地系統(tǒng)與水平地網(wǎng)并聯(lián)后的綜合電阻為

（4）

式中，R3為水平地網(wǎng)與深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合接地電阻；R1為水平地網(wǎng)的接地電阻；R2為單組深井接地系統(tǒng)的接地電阻；n1為深井?dāng)?shù)量；為深井與水平地網(wǎng)之間的屏蔽系數(shù)。接地電阻仍不能滿足要求。

在主地網(wǎng)外圍布置20口6m深的淺井，配置6m長(zhǎng)的離子接地極1套，淺井內(nèi)每組配合使用80kg離子緩釋填料以輔助降阻。

20套離子接地極的接地電阻為

（5）

式中，R4為20套離子接地極的接地電阻；為離子接地極降阻系數(shù)；??為土壤電阻率；l2為單套離子接地極的長(zhǎng)度；n2為離子接地極的數(shù)量；為離子接地極之間的屏蔽系數(shù)。

20套離子接地極與水平綜合地網(wǎng)、深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合電阻為

（6）

式中，R5為水平地網(wǎng)、深井接地系統(tǒng)、離子接地極并聯(lián)后的總接地電阻；R4為20套離子接地極的接地電阻；R3為水平地網(wǎng)與深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合接地電阻。

4 斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)

1）斜接地極降阻原理

斜接地極降阻原理與垂直接地極相似，但由于其與地面垂直方向存在一定的角度，能夠在不額外征地的情況下增加接地網(wǎng)面積，從而降低接地電阻。

實(shí)際工程中可根據(jù)地下土壤分層情況、地下設(shè)施的布置情況調(diào)整斜井接地極與地面的夾角，達(dá)到預(yù)期的降阻效果[5-13]。本文針對(duì)均勻土壤模型，主要從斜接地極長(zhǎng)度方面研究接地極的降阻效果。斜長(zhǎng)接地極方案如圖3所示。

圖3 斜長(zhǎng)接地方案示意圖

2）算例分析

假設(shè)土壤模型為均勻土壤，土壤電阻率為150?·m。該變電所水平接地網(wǎng)面積為114m×87m，導(dǎo)體間距為10m，接地導(dǎo)體采用60×8熱鍍鋅管扁鋼，最大入地電流為15kA。在0.8m深處埋設(shè)網(wǎng)格為10m的上層水平接地網(wǎng)，在接地網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加斜長(zhǎng)接地極，沿主接地網(wǎng)邊緣設(shè)置8根斜長(zhǎng)接地極，與水平面夾角為20°，長(zhǎng)度分別見(jiàn)表2。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，采用斜長(zhǎng)接地極可以獲得一定的降阻效果，斜長(zhǎng)接地極越長(zhǎng)，降阻效果越好。以本節(jié)模型為例，接地電阻想要降低到0.5?以下，需采用60m長(zhǎng)的斜長(zhǎng)接地極。斜長(zhǎng)接地極方案在不增加征地面積的情況下，通過(guò)線性延伸地網(wǎng)擴(kuò)大地網(wǎng)面積，從而獲得了不錯(cuò)的降阻效果。

表2 斜接地極長(zhǎng)度對(duì)降阻效果的影響

5 結(jié)論

本文針對(duì)高土壤電阻率地區(qū)的變電站，提出了雙層接地網(wǎng)、離子接地極接地深井系統(tǒng)和斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)3種降阻方案。

1）雙層地網(wǎng)系統(tǒng)適用于底層存在低阻層的區(qū)域，底層土壤電阻率越低其降阻效果越好。

2）離子接地極深井系統(tǒng)適用于土壤電阻率很高的地區(qū)，通過(guò)離子接地極和深井的結(jié)合，獲得較好的降阻效果。

3）在土壤電阻較高且底層土壤電阻率不降低的情況下，可以采用斜長(zhǎng)接地極系統(tǒng)以降低接地電阻。

在實(shí)際工程接地設(shè)計(jì)中要綜合考慮站址地形地貌、土壤分層情況、地下水分布情況等，并經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較選擇合適的降阻方案。當(dāng)單一降阻方案無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，可以采取幾種降阻的組合方案。

（1）在電力設(shè)備附近有電阻率較低的土壤，可敷設(shè)外引接地體。經(jīng)過(guò)公路的外引線，埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.8m.

（2）如地下較深處土壤電阻率較低，可采用井式或深鉆式接地體。

（3）填充電阻率較低物質(zhì)，換土或用降阻劑處理。但采用的降阻劑，應(yīng)對(duì)地下水和土壤無(wú)污染，以符合環(huán)保要求。

（4）敷設(shè)水下接地網(wǎng)。