新型放射針狀環(huán)繞接地技術(shù)研究及應用

孫長海+尚京城+陳百通+王明+文建+吳彥

摘 要：以國家電網(wǎng)公司科技項目——新型長壽命多針式垂直接地技術(shù)研究及實現(xiàn)為課題，基于土壤放電機理及熱熔焊技術(shù)，研制出一種新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)，具有高導電特性及耐腐特性，延長了變電站接地系統(tǒng)的服役壽命，并成功應用于變電站接地系統(tǒng)。新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)占地面積較小，接地電阻滿足國家標準及規(guī)范，解決了接地系統(tǒng)小型化的工程難題，對變電站的接地技術(shù)具有一定的指導。

關(guān)鍵詞：接地；放射針狀；新型接地系統(tǒng)；小型化

中圖分類號：TM862 文獻標志碼：A

Abstract： Based on the State Grid Corporation of science and technology project ‘the new long-life multi-pin vertical grounding technology research and implementation ， by the mechanism of soil discharge and the technology of heat fusion welding， developing a new radiate needle shaped encircling grounding system equipped with high conductivity and corrosion resistance， to extend the service life of grounding system in substation. The new radiation needle shaped encircling grounding system occupies a smaller area， and the grounding resistance meets the national standards and specifications. It solves the engineering problem of the miniaturization of the grounding system， and has certain guidance for the grounding technology of the substation.

Keywords：Grounding；Radiate needle； New grounding system； Miniaturization

0 引言

接地是電氣設(shè)備正常運行或出現(xiàn)故障時用以泄放能量時最重要的保護手段。有效地降低接地電阻，保證電氣設(shè)備的反擊電壓盡可能小，進而保護人身和設(shè)備的安全，這是接地設(shè)計的首要目標。

現(xiàn)階段，隨著我國城市化進程日益加快，土地資源越來越匱乏，為了滿足接地電阻的要求，無限制地增加水平接地網(wǎng)的面積顯然不切實際，因此大部分科研工作者開始著手研究新型接地技術(shù)。馮喬春開展了空腹注水式接地裝置、電解離子接地裝置、深井壓力灌注接地技術(shù)、爆破接地技術(shù)等新型接地技術(shù)研究；馬勇利用PSCAD/EMTDC開展了不同變電站的接地典型模型；王光輝提出了新型抗鹽堿腐蝕材料；何詩昆設(shè)計引外接地降低接地網(wǎng)接地阻抗的降阻方法；陳德鑫研究了智能樓宇的供電接地系統(tǒng)。

本文重點研究新型接地系統(tǒng)的設(shè)計方法，降低接地系統(tǒng)的接地電阻，提高變電站的運行特性；研究獲得的新型接地技術(shù)對于指導新型接地系統(tǒng)的設(shè)計及應用具有一定的意義。

1 變電站接地系統(tǒng)存在的問題

接地系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)交直流電氣設(shè)備接地及防雷保護接地，對系統(tǒng)的安全運行起著至關(guān)重要的作用。由于接地系統(tǒng)作為隱性工程容易被忽視，隨著電力系統(tǒng)電壓等級的升高及容量的增加，接地問題屢有發(fā)生。鑒于變電站接地系統(tǒng)在電氣設(shè)備運行安全中的重要地位，接地問題越來越受到重視。

1.1 接地體材料腐蝕問題

接地體腐蝕是影響電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。在我國，因接地網(wǎng)腐蝕而引起的電力系統(tǒng)事故時有發(fā)生，每次事故都會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。目前國內(nèi)的變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計未調(diào)查站區(qū)土壤對金屬材料的腐蝕程度及對金屬材料的腐蝕速度。此外，考慮到經(jīng)濟問題，接地體多采用鋼材，存在鋼材被腐蝕而截面積不斷減少、接地性能不良的問題，接地系統(tǒng)未能高效運行，造成變電站的存在安全隱患。

1.2 接地系統(tǒng)性能不良問題

土壤電阻率是決定接地系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，由于受到測量設(shè)備、方法等條件的限制，土壤電阻率的測量往往不夠準確，無法探測到土壤在水平方向和垂直方向的土壤電阻率變化情況，且不夠重視站區(qū)土壤電阻率隨季節(jié)的變化情況，進而導致接地系統(tǒng)接地電阻過大，性能不良。目前變電站的接地系統(tǒng)還停留在傳統(tǒng)接地方式，仍然采用單一導體直接入地放電的方式，該接地方式性能不優(yōu)，釋放電流較差，接地電阻較大，對于目前的高電壓等級、大電流泄放以及智能電氣設(shè)備的有效保護不夠，容易造成變電站出現(xiàn)事故、電氣設(shè)備出現(xiàn)損傷、維護人員出現(xiàn)意外，造成不必要的損失。

2 新型接地系統(tǒng)設(shè)計研究

2.1 新型接地系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）為避免溫度、濕度對接地系統(tǒng)的影響，接地體通常埋設(shè)在距離土壤表面0.6 m～0.8 m處。

（2）為避免屏蔽效應，接地體間距離D與接地體長度L的設(shè)計原則：大電流時，D≥2L；小電流時，D≥L。

（3）接地體間采用并聯(lián)閉環(huán)連接構(gòu)成接地系統(tǒng)。

2.2 新型接地系統(tǒng)設(shè)計方法

（1）根據(jù)建筑或設(shè)備的國家標準和實際需求，確定新型接地系統(tǒng)的接地電阻R。

（2）現(xiàn)場確定工程區(qū)域，確定接地體可埋設(shè)深度及接地體長度。

（3）測量土壤電阻率及酸堿度，利用公式（1）計算單支接地體埋入土壤時的接地電阻R1。endprint

式中，R1、ρ、l、d分別為單支接地體接地電阻（Ω）、土壤電阻率（Ω·m）、接地體長度（m）、接地體等效直徑（m）。

（4）依據(jù)變電站接地體設(shè)計規(guī)范優(yōu)化設(shè)計接地體結(jié)構(gòu)。

（5）運用公式（2）獲得接地體的數(shù)量，依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境制定接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)設(shè)計

3.1 新型放射針狀垂直接地體結(jié)構(gòu)設(shè)計

放射針狀垂直接地體采用銅包鋼合金材料制成，長度設(shè)計為2.5m，直徑為25mm，其上間隔50mm垂直熱熔焊接均勻分布4個長25mm、直徑4mm、尖端曲率0.2mm的針狀放電極，如圖1所示。

1—接地極；2—針狀放電極

圖1 放射針狀接地體結(jié)構(gòu)圖

3.2 新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型接地系統(tǒng)設(shè)計為同心圓結(jié)構(gòu)，中心處設(shè)有與接地引下線相連接的接地體，同心圓各層均勻分布有多支放射針狀接地體，各接地體通過水平接地相互連接，最內(nèi)層即為第一層同心圓半徑為2m，第n層同心圓半徑為2nm，第x層同心圓上最近兩支接地體間的圓心角為θ，用公式（3）計算最近兩支接地體的距離L。接地體在每層同心圓上均勻分布，每兩支接地體的水平距離至少為2m；以同心圓層數(shù)最少和每支接地體到中心接地體的距離最短為依據(jù)，確定同心圓層數(shù)、接地體數(shù)目以及新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)中每支放射針狀接地體。

（3）

最內(nèi)層同心圓上放射針狀垂直接地體可設(shè)計數(shù)目為3、4、5、6。表1～表4分別為最內(nèi)層同心圓上接地體數(shù)目為3～6時各層最近兩支接地體的直線距離L。

經(jīng)測試，每支接地體的平均接地電阻為9Ω，為了滿足國家規(guī)范要求的2Ω，運用公式（2）計算接地體數(shù)目n≥5，由表中可知，當接地體數(shù)目n=5且為單層結(jié)構(gòu)時，各接地體間的距離L≥2.8m，由此可初步設(shè)計放射針狀垂直接地體數(shù)目n=5，L=3，選擇最內(nèi)層同心圓上放射針狀垂直接地體數(shù)目為4的1層同心圓結(jié)構(gòu)作為新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

4 新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)工程應用

4.1 新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)的構(gòu)建

依據(jù)變電站現(xiàn)場的高電阻率土質(zhì)特點以及站內(nèi)狹小的施工面積，為了降低接地電阻，最終采用新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)工程應用結(jié)構(gòu)：n=7，L=3，如圖3所示。

4.2 新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)的安裝

（1）挖設(shè)半徑為4m，深4m的圓柱坑道，定位7支接地體埋設(shè)位置。（2）圓形坑道內(nèi)填入0.75m深的細黃土，夯實并澆實。（3）將熱熔焊接好的接地系統(tǒng)下設(shè)到圓柱坑道內(nèi)，周圍加入降阻劑，并用水澆實。（4）從新型接地系統(tǒng)中心接地體處引出接地引下線。（5）用細黃土回填，不斷夯實土壤，用標準混凝土灌封。

4.3 新型放射針狀垂直接地系統(tǒng)的接地電阻測試

利用地網(wǎng)電阻測試儀，采用國家標準的測試方法對變電站新型接地系統(tǒng)測試接地電阻，測試結(jié)果如圖4所示。

新型接地系統(tǒng)占地面積僅為28.26m2，為普通接地系統(tǒng)的1/20，接地電阻為0.183Ω，小于變電站接地系統(tǒng)國家規(guī)范值，實現(xiàn)了新型接地系統(tǒng)小型化及安全可靠性，保障了變電站電氣設(shè)備的高效運行。

結(jié)論

本文依托于土壤放電理論及熱熔焊技術(shù)，設(shè)計了一套新型接地系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了接地工程應用，高效解決了接地系統(tǒng)的小型化的工程問題。主要研究成果如下：

（1）以土壤高壓放電理論為指導，采用熱熔焊接技術(shù)，研究探索了新型接地技術(shù)，將尖端放電技術(shù)嫁接到接地體，設(shè)計了基于同心圓結(jié)構(gòu)的新型接地系統(tǒng)，提高了接地體的放電效率，保障了變電站的安全性。

（2）依托新型接地技術(shù)，依據(jù)高土壤電阻率的變電站環(huán)境，優(yōu)化接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成功完成了工程應用，接地系統(tǒng)占地28.26m2，接地電阻為0.183Ω，保證了變電站的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

（3）該技術(shù)及工程案例可為變電站接地系統(tǒng)改造及優(yōu)化設(shè)計提供參考。

參考文獻

[1]解廣潤.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]馮喬春.電網(wǎng)接地技術(shù)工程應用研究[D].昆明理工大學， 2009.

[3]馬勇.中壓配電網(wǎng)新型接地方式應用研究[D].華中科技大學， 2011.

[4]王光輝.特殊材料包裹接地網(wǎng)技術(shù)的應用研究[D].華北電力大學（河北）， 2009.

[5]何詩昆.引外接地對降低接地網(wǎng)接地阻抗的作用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（16）：54-55.

[6]陳德鑫.論智能建筑的電氣保護與接地[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（5）：172.

[7]劉文傳.500kV變電站安全分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（4）：143-144.

[8]滿超楠.接地材料和防腐降阻材料的性能研究及其優(yōu)化選擇[D].長沙理工大學，2013.

[9]譚波，楊建軍，文習山，等.高土壤電阻率地區(qū)大型水電站接地系統(tǒng)設(shè)計[J]. 高電壓技術(shù)，2011，37（10）：2485-2490.

[10]文建.多針式垂直接地系統(tǒng)研究及其高頻應用[D].大連理工大學，2014.

[11]孫長海，粘凱昕，馬海峰，等. 多針式高頻垂直接地系統(tǒng)設(shè)計[J].軍械工程學院學報，2015，27（6）：35-39.

[12]孫長海，粘凱昕，馬海峰，等.新型多針式垂直接地系統(tǒng)工程應用[J].電力科學與工程，2015，31（11）：30-34.

[13]林雄德.變電站接地系統(tǒng)降阻及優(yōu)化的研究[D].華南理工大學，2014.endprint