0 引言

接地網(wǎng)電阻阻值的大小通常作為衡量變電所接地系統(tǒng)是否符合安全要求的重要指標(biāo)。如果接地網(wǎng)阻值偏大，一旦發(fā)生短路故障或其他大電流流入大地，接地網(wǎng)的電位會(huì)大幅升高，給作業(yè)人員的人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。同時(shí)，電位的升高還有可能破壞設(shè)備的絕緣性能，甚至發(fā)生高壓電串入控制室，使監(jiān)測(cè)控制設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)甚至燒損，引起事故擴(kuò)大。

通過(guò)對(duì)我國(guó)西南地區(qū)貴州境內(nèi)鐵路沿線(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該地區(qū)鐵路沿線(xiàn)地質(zhì)地貌復(fù)雜，大多數(shù)牽引變電所建于土壤多為巖石結(jié)構(gòu)的地區(qū)，其周?chē)寥离娮杪蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)高于平原地區(qū)土壤電阻率。接地網(wǎng)阻值的大小很大程度上取決于土壤電阻率的高低。本文基于國(guó)內(nèi)外關(guān)于降低接地電阻方法的有關(guān)資料和數(shù)據(jù)，對(duì)不同降阻方法進(jìn)行分析總結(jié)。由于其中一些方法（如擴(kuò)大接地網(wǎng)面積）在某些特殊地理位置（尤其是高土壤電阻率地區(qū)）難以實(shí)現(xiàn)有效降阻，因此研究一種適合山區(qū)或地質(zhì)條件惡劣地區(qū)等高土壤電阻率地區(qū)的降阻方案至關(guān)重要。

1 常用降低接地電阻方法

1.1 擴(kuò)大接地網(wǎng)面積及增加接地網(wǎng)埋深

在土壤電阻率比較接近的情況下，牽引變電所接地網(wǎng)的電阻值與接地網(wǎng)面積的平方根近似成反比，因而擴(kuò)大接地網(wǎng)的面積可以降低接地電阻。

擴(kuò)大接地網(wǎng)的面積并不適用于所有場(chǎng)地，尤其是山區(qū)等高土壤電阻率地區(qū)。建于該區(qū)的變電所受到地形的限制，無(wú)法擴(kuò)大接地網(wǎng)面積。同時(shí)，因?yàn)槠渫寥离娮杪瘦^高，通過(guò)增加接地網(wǎng)埋深進(jìn)行降阻的效果也并不理想。

1.2 局部換土

采用局部換土的方式降低土壤電阻率在理論上是可行的，可以采用置換的方式替換高土壤電阻率的土壤。但是在實(shí)際施工過(guò)程中，山區(qū)土壤類(lèi)型較為復(fù)雜，局部換土只能替換掉表層的土壤，而對(duì)于巖石層和沙礫層，置換土壤的工程量較大，實(shí)施成本較高。

1.3 引外接地

引外接地是指將接地網(wǎng)與變電所外的某一區(qū)域（如水源附近）進(jìn)行連接以降低接地網(wǎng)電阻。其局限性在于變電所周?chē)璐嬖谕寥离娮杪瘦^低的區(qū)域。另外，如果變電所和引外接地之間距離過(guò)長(zhǎng)，則容易產(chǎn)生電位差，特別是在雷電等高頻沖擊作用時(shí)。因此，引外接地方式必須確保主接地網(wǎng)與引外接地之間采用多根接地導(dǎo)體連接。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況分析

以渝黔鐵路息烽牽引變電所為例，采用銅絞線(xiàn)作為水平接地體，純銅棒作為垂直接地極，垂直接地極的銅棒為j18×3 000 mm，接地網(wǎng)埋深0.8 m。設(shè)計(jì)物探資料顯示土壤電阻率為27W·m，估算的入地短路電流為15 400 A，設(shè)計(jì)接地電阻為0.12W。該變電所現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，巖石層較厚，回填土的電阻率也不滿(mǎn)足要求，導(dǎo)致實(shí)測(cè)土壤電阻率明顯高于設(shè)計(jì)物探資料數(shù)值，且測(cè)得的接地電阻值遠(yuǎn)大于最后的設(shè)計(jì)值。

2.2 模型建立

通常認(rèn)為垂直接地極越多，垂直接地極與水平接地極并聯(lián)構(gòu)成的接地網(wǎng)的接地電阻會(huì)越小。而實(shí)踐證明，接地網(wǎng)中接地極的并聯(lián)并不完全服從電學(xué)中電阻并聯(lián)的原理，其測(cè)量值總大于采用電學(xué)方法計(jì)算的并聯(lián)值。這是因?yàn)榇怪苯拥貥O之間存在電流屏蔽效應(yīng)（電流流入垂直接地極時(shí)，電流的擴(kuò)散會(huì)受到限制，該現(xiàn)象稱(chēng)為電流屏蔽效應(yīng)），垂直接地極埋設(shè)越近，兩者之間的屏蔽效應(yīng)越明顯。

根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》均勻土壤中垂直接地極的接地電阻計(jì)算公式，當(dāng)垂直接地極的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接地體直徑時(shí)，接地電阻計(jì)算式為

式中，Rv為垂直接地極的接地電阻；r為土壤電阻率；l為垂直接地極的長(zhǎng)度；d為接地極為圓導(dǎo)體時(shí)的直徑（當(dāng)接地極采用其他形式導(dǎo)體時(shí)，可以計(jì)算其等效直徑）。

由水平接地極和垂直接地極構(gòu)成的接地網(wǎng)為復(fù)合式接地網(wǎng)，其接地電阻計(jì)算式為

式中，Rn為形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Re為等值接地網(wǎng)的接地電阻，S為接地網(wǎng)的總面積，d為水平接地極的直徑或者等效直徑，h為水平接地極的埋設(shè)深度，L為接地極的總長(zhǎng)度，L0為接地網(wǎng)外邊緣線(xiàn)的總長(zhǎng)度，B為中間變量。

當(dāng)采用誤差率較小的計(jì)算方法時(shí)，Rw=a1Rew，

其余計(jì)算方式相同，上式中，g為常數(shù)，n為垂直接地極根數(shù)，計(jì)算得出帶垂直接地極與不帶垂直接地極接地網(wǎng)之間的降阻率，并通過(guò)測(cè)試得出垂直接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻效果，垂直接地極對(duì)地網(wǎng)的降阻作用分析結(jié)果如表1所示[5]。

表1 垂直接地極對(duì)地網(wǎng)降阻作用的分析結(jié)果

通過(guò)分析表1可以得出，當(dāng)垂直接地極的長(zhǎng)度l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地網(wǎng)的等值半徑b時(shí)，降阻效果并不明顯，采用垂直接地極時(shí)，需要保證垂直接地極的長(zhǎng)度與地網(wǎng)等值半徑可比擬，使接地網(wǎng)由平面接地網(wǎng)成為立體接地網(wǎng)，此時(shí)才可起到一定的降阻作用。

最初的設(shè)計(jì)方案采用純銅棒及離子接地體作為接地網(wǎng)的垂直接地極，其尺寸為j130 mm。垂直接地極敷設(shè)于水平銅絞線(xiàn)的交叉點(diǎn)以及水平地網(wǎng)的外輪廓線(xiàn)上，如圖1所示。

實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示，在圖1所示接地極中，真正起到降阻作用的是外輪廓線(xiàn)上的接地極，處于交叉點(diǎn)上的接地極由于屏蔽效應(yīng)，降阻作用受到了相互影響，從而導(dǎo)致絕大部分電流從地網(wǎng)外緣流出而不從內(nèi)部流出，所以地網(wǎng)內(nèi)部的垂直接地極的降阻作用有限。

由此可以得出以下結(jié)論，地網(wǎng)接地電阻并不隨著垂直接地極數(shù)量的增多呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，多根垂直接地極之間因電流屏蔽效應(yīng)而不能發(fā)揮有效的降阻作用。雖然深埋接地極在一定程度上可以降低接地網(wǎng)電阻，但還需要考慮其實(shí)際敷設(shè)情況，這也涉及垂直接地極的布置位置及垂直接地極的根數(shù)、長(zhǎng)度等問(wèn)題。

圖1 垂直接地極敷設(shè)位置

2.3 垂直接地極根數(shù)的選取

如圖2所示為垂直接地極根數(shù)與地網(wǎng)阻值的仿真分析。選取8根深井接地極時(shí)，接地電阻值趨于恒定，而后再增加接地極數(shù)量，相互之間的屏蔽作用增強(qiáng)，增加垂直接地極的數(shù)量已不能起到明顯的降阻作用。

圖2 垂直接地極根數(shù)與地網(wǎng)阻值關(guān)系

2.4 垂直接地極長(zhǎng)度的選取

垂直接地極長(zhǎng)度選擇與數(shù)量是緊密相關(guān)的。當(dāng)垂直接地極長(zhǎng)度不能滿(mǎn)足要求時(shí)，僅依賴(lài)于增加數(shù)量并不能達(dá)到有效降阻的目的。當(dāng)垂直接地極長(zhǎng)度符合要求時(shí)，選擇垂直接地極的數(shù)量時(shí)則需要考慮其相互間的屏蔽效應(yīng)。因此，選擇增加垂直接地極時(shí)，需重點(diǎn)考慮垂直接地極單位長(zhǎng)度的利用率與垂直接地極根數(shù)的關(guān)系。

單位長(zhǎng)度利用率h隨L/req及根數(shù)的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 單位長(zhǎng)度利用率η隨L/req及根數(shù)的變化曲線(xiàn)

從圖3可以看出，垂直接地極越短，其單位利用率越低；垂直接地極越長(zhǎng)，成本會(huì)相應(yīng)提高，但是其單位利用率并未顯著增加。當(dāng)L/req=1時(shí)單位長(zhǎng)度利用率最大，即垂直接地極長(zhǎng)度約等于水平接地網(wǎng)的等值半徑時(shí)，其單位長(zhǎng)度利用率達(dá)到最理想的效果。

2.5 材料選擇

（1）鍍鋅鋼作為接地材料存在如下缺陷，不宜使用：鋼材在土壤中腐蝕較快，在土壤中的使用壽命一般為3～10年；鋼材與土壤的接觸電阻大，土壤電阻率越高（砂石含量較高），接地體的有效散流面積越??；由于鋼材的導(dǎo)磁特性，使得其趨膚效應(yīng)較為嚴(yán)重，沖擊散流能力較差；變電所接地網(wǎng)帶電維修困難，鋼材接地體需要焊接，電焊機(jī)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，影響二次系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

（2）石墨基柔性接地材料相比于鋼材，具有耐腐蝕、與土壤的接觸電阻小、沖擊散流效果好、運(yùn)輸及施工簡(jiǎn)單、開(kāi)挖土方量少、長(zhǎng)期免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。大量的實(shí)踐應(yīng)用表明，石墨基柔性接地材料是接地工程的優(yōu)選材料。

（3）適當(dāng)使用垂直接地體有助于降低接地電阻，減小季節(jié)系數(shù)的影響。由于土壤表層電阻率受天氣及季節(jié)影響較大，而2 m以下的土壤受天氣的影響較小，適當(dāng)使用垂直接地體將水平接地網(wǎng)與2 m以下的土壤連接，有助于降低接地電阻，減小季節(jié)系數(shù)的影響。常用的鍍鋅鋼垂直接地體可起到上述作用，但仍然存在腐蝕問(wèn)題，影響其使用壽命。自身抗腐蝕性較好的離子接地體，可改變其周?chē)寥离娮杪?，而?duì)于大面積的降阻并不適用，且離子棒釋放出的離子還可能腐蝕其附近的金屬接地體，對(duì)變電所的正常運(yùn)行造成影響。柔性石墨組合垂直接地體可以避免上述問(wèn)題，具備長(zhǎng)期穩(wěn)定、免維護(hù)、施工簡(jiǎn)單、成本低、受季節(jié)變化影響較小等特點(diǎn)，是垂直接地體的首選。

3 方案實(shí)施

息烽牽引變電所位于貴州省息烽縣，所內(nèi)水平接地網(wǎng)面積為7 670 m2（65×118），接地體水平方向9根，垂直方向14根。原有接地網(wǎng)主材采用截面150 mm2的銅絞線(xiàn)，輔有81根j18 mm的3 m銅棒，且在接地網(wǎng)四角敷設(shè)了4根離子接地體，未能將接地電阻降到要求水平。在該變電所正門(mén)方向的圍墻外圍放置了10個(gè)空腹型接地裝置進(jìn)行接地網(wǎng)改造，測(cè)得息烽牽引所接地網(wǎng)阻值為0.683W，也未能達(dá)到降阻要求。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查水平接地網(wǎng)、周?chē)刭|(zhì)及土壤情況，得出息烽變電所受場(chǎng)地的限制，引外接地涉及征地等政策問(wèn)題，不易實(shí)施。息烽所屬于牽引變電所與配電所合建，場(chǎng)地面積較大，同時(shí)具有地下含水層，可采用鉆井的方案，采用垂直接地極降低接地電阻。同時(shí)，息烽變電所附近存在分散的低電阻率土壤區(qū)域，回填土取材較為方便。

通過(guò)大量的仿真計(jì)算，分析研究了垂直接地極的布置位置、長(zhǎng)度與數(shù)量選擇規(guī)律，得到如下方案：

采用布置深井垂直接地極的方式進(jìn)行接地降阻。在原接地網(wǎng)四周放置8個(gè)深40 m的深井垂直接地極，如圖4中的垂直粗線(xiàn)部分所示。按照該地網(wǎng)設(shè)置方式進(jìn)行仿真計(jì)算，接地電阻值結(jié)果為0.42W。

圖4 垂直接地極的分布

該方案選用石墨基柔性接地材料，垂直接地體與水平接地體連接時(shí)，銅絞線(xiàn)和石墨基柔性接地體之間的連接方式如圖5所示。

圖5 銅絞線(xiàn)與石墨接地體的連接方式

通過(guò)在特定點(diǎn)鉆深井，敷設(shè)柔性石墨接地材料作為垂直接地極，并且在深井中加入高能回填料，最后將垂直接地極與水平地網(wǎng)連接。施工完成后對(duì)接地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行測(cè)量，選取主變、斷路器、電壓互感器附近等不同的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果均在0.42W左右，降阻效果較好。

4 結(jié)論

渝黔鐵路貴陽(yáng)段位于黔中隆起帶，大多為壓扭性斷裂，息烽段具盆狀構(gòu)造特征，其土壤電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)值。本文通過(guò)分析接地極的敷設(shè)方式、材料對(duì)接地性能的改善，得出以下結(jié)論：

（1）接地極根數(shù)越多，降阻效果越好，但因接地極之間的相互屏蔽作用會(huì)隨根數(shù)的增多增強(qiáng)，而使降阻效果存在臨界點(diǎn)。

（2）當(dāng)接地極L/req=1時(shí)，單位長(zhǎng)度利用率最大，即垂直接地極長(zhǎng)度約等于水平接地網(wǎng)的等值半徑時(shí)，可達(dá)到最理想的降阻效果。

（3）采用銅絞線(xiàn)和石墨基柔性接地體端部焊接的方式，且在深井中加入高能回填料，可以有效降低接地電阻。

本文所述的降阻方案已應(yīng)用于該項(xiàng)目工程中，可達(dá)到高土壤電阻率地區(qū)的降阻要求。

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