110 kV變電站接地網(wǎng)降阻方案分析

黃燕蓉

（福建省電力建設(shè)工程咨詢有限公司，福建福州 350000）

0 引言

變電站接地網(wǎng)工程是重要的電氣安全技術(shù)工作之一，合理設(shè)置接地網(wǎng)是保證變電站電氣設(shè)備正常運行及運行維護人員人身安全的重要條件[1]。鑒于建設(shè)用地有限，一些變電站只能選擇建設(shè)在土壤電阻率偏高的山區(qū)，這些地方存在可利用接地網(wǎng)面積小、地質(zhì)條件差、外引接地條件不理想等情況，導(dǎo)致接地網(wǎng)接地電阻偏高而不能滿足變電站安全運行要求。因此，在工程建設(shè)中應(yīng)合理設(shè)計接地網(wǎng)方案，采取有效的降阻措施。

本文中某110 kV變電站地處山區(qū)，場地地質(zhì)條件不良、高土壤電阻率的土壤使得接地網(wǎng)出現(xiàn)了接地電阻偏高的情況，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場實際情況提出幾種降阻方案進行分析探討。

1 變電站基本情況

1.1 場地概況

某110 kV變電站站址位于山區(qū)，建設(shè)場地為丘陵山坡溝谷地貌，場地內(nèi)風(fēng)化花崗巖分布廣泛、厚度大，場地西北側(cè)為小山坡，其自然坡度在20°～30°，坡高17～20 m，坡體植被茂密，坡頂部分已修建為高速公路的臨時堆石場和堆沙場（目前廢棄），目前山坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。擬建場地地下水主要為素填土層中的上層滯水和花崗巖及其風(fēng)化層中少量風(fēng)化裂隙、孔隙潛水，勘察期間測得的場地地下穩(wěn)定水位埋深21.3～25.4 m。地質(zhì)資料顯示，場地內(nèi)多區(qū)域存在塊石、花崗巖，采用溫納四極法實測的場地土壤電阻率值如表1所示。

由表1計算可得，場地土壤電阻率算術(shù)平均值ρ=674.5 Ω·m，考慮季節(jié)因素系數(shù)取ψ=1.5，則綜合土壤電阻率ρ≈1 011.8 Ω·m＞500 Ω·m，可知該變電站場地屬于高土壤電阻率[2]地區(qū)。

表1 站址土壤電阻率

1.2 接地網(wǎng)允許值

計算資料：變電站110 kV母線單相短路電流Ig1=10.97 kA，接地故障短路電流持續(xù)時間te1=0.6 s；10 kV母線兩相異地短路電流Ig2=13.6 kA，接地故障短路的持續(xù)時間te2=2 s；最大入地故障不對稱電流IG=2.407 kA。

初步設(shè)計時，變電站主地網(wǎng)采用水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)，長91 m，寬63 m，接地網(wǎng)面積S=91×63=5 733 m2，水平接地體采用熱鍍鋅扁鋼，交叉點焊接熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極，內(nèi)部做成5 m×5 m的網(wǎng)格，埋深h=0.8 m。通過熱穩(wěn)定校驗確定水平接地體選用60 mm×8 mm的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極選用長2.5 m的DN50熱鍍鋅鋼管可滿足要求。

主接地網(wǎng)接地電阻計算如下：

式中：ρ為土壤電阻率；S為接地網(wǎng)面積。

經(jīng)計算，主接地網(wǎng)接地電阻為6.68 Ω。

為保證變電站安全運行，對于中性點直接接地系統(tǒng)，接地網(wǎng)接地電阻應(yīng)符合《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）中關(guān)于R≤2 000/IG的規(guī)定，同時對接地網(wǎng)的跨步電壓、接觸電壓進行控制[3]。

接地電阻允許值計算如下：

經(jīng)計算，接地網(wǎng)目標(biāo)要求接地電阻允許值R≤0.83 Ω，接觸電壓允許值UT≤447 V，跨步電壓允許值US≤1 139 V。

根據(jù)以上計算結(jié)果分析，變電站主接地網(wǎng)接地電阻R=6.68 Ω≥0.83 Ω，超過目標(biāo)允許值，不滿足變電站安全運行的要求，所以需要采取措施以降低接地電阻，即設(shè)計合理的接地網(wǎng)降阻方案。

2 接地網(wǎng)降阻方案選擇

2.1 常用降阻措施

2.1.1 敷設(shè)引外接地網(wǎng)

2.1.2 置換土（或降阻劑）

進行場地回填時，采用低電阻率的土壤（比如ρ≤100 Ω·m的黏土）更換原有的高電阻率土壤，或在接地體周圍加入食鹽、木炭、電石渣、降阻劑等材料[2]，都可以提高導(dǎo)電能力以降低土壤電阻率，從而達到降低接地網(wǎng)接地電阻的效果。

2.1.3 深井（深埋式）接地極

在地下深處存在土壤電阻率較低的土壤或地下水較為豐富、地下水位較高的地方[2]，可以采用深井（深埋式）接地極[4]，接地材料一般選用熱鍍鋅鋼管，將長垂直接地極深埋至下層土壤中，并在接地極周圍回填低電阻率材料（比如ρ≤100 Ω·m的黏土）。

2.1.4 利用自然接地體

將變電站人工接地網(wǎng)與自然接地體連接也可以降低接地電阻值，可以利用配電裝置樓鋼筋混凝土基礎(chǔ)中的鋼筋、深埋地下的水井管、非可燃液體或非爆炸氣體的金屬管道等部位進行連接[1]，需要確保連接可靠。

2.2 初步考慮降阻方法

根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，變電站西北側(cè)有一坡度較緩的小山坡，坡高17～20 m，坡體植被茂密，坡頂部分已修建為高速公路的臨時堆石場和堆沙場（目前廢棄），其土壤電阻率按200 Ω·m計算，低于變電站內(nèi)高土壤電阻率的土壤，因此可以考慮利用山坡設(shè)置引外接地網(wǎng)。變電站南側(cè)及東側(cè)山坡高差大于20 m，坡度較陡且塊石較多，不適合設(shè)置引外接地網(wǎng)。

由于變電站站址內(nèi)存在許多厚度大的塊石，若采用置換土（或降阻劑）的方案需要爆破塊石，這會耗費比較多的人力和時間，同時爆破施工也存在安全隱患，所以置換土（或降阻劑）的方法不合適。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，地下水位的深度在21.3～25.4 m，結(jié)合勘測點地下水位的位置，可考慮在變電站北側(cè)設(shè)置深井接地極。

通過對變電站站址及周邊建筑物進行查看，由于場地塊石較多，如利用配電裝置樓基礎(chǔ)鋼筋連接主地網(wǎng)，其降阻效果不佳，所以并不適合采用連接自然接地體的方法。

2.3 提出并分析降阻方案

結(jié)合某110 kV變電站的站址實際情況，現(xiàn)提出以下3種降阻方案。

2.3.1 方案1：采用引外接地網(wǎng)

變電站西北側(cè)有一坡度較緩的山坡，坡高17～20 m，利用山坡設(shè)置引外接地網(wǎng)，接地材料選用60 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼，內(nèi)部做成5 m×5 m的網(wǎng)格，埋深1.2 m，并與站內(nèi)主地網(wǎng)連接，山坡土壤電阻率按200 Ω·m計算。

根據(jù)計算結(jié)果，需要增加引外接地網(wǎng)面積111 32 m2。由于西北側(cè)山坡利用面積有限，無法滿足增加這么大面積接地網(wǎng)的要求，所以單獨采用引外接地網(wǎng)的降阻方案并不適合。

2.3.2 方案2：采用深井接地極

根據(jù)地質(zhì)勘察報告及現(xiàn)場勘察情況，在變電站圍墻外北側(cè)設(shè)置深井接地極，材料選用25 m長DN100熱鍍鋅鋼管，接地極間距約50 m，埋深1 m，并與站內(nèi)主地網(wǎng)連接。

接地網(wǎng)設(shè)置不同數(shù)量的深井接地極，其降阻效果對比如表2所示。

由表2可知，該變電站接地網(wǎng)工程設(shè)置深井接地極能使接地電阻值降低超過50%，可以有效降低接地電阻，且隨著深井接地極數(shù)量的增加，整體降阻效果越發(fā)明顯。通過與允許值比較，該變電站需設(shè)置至少6根25 m的深井接地極與主地網(wǎng)連接，才能使合并后接地網(wǎng)的接地電阻值小于0.83 Ω。由于垂直接地極之間存在屏蔽效應(yīng)，一般要求垂直接地極間距大于接地極長度的2倍，對于本接地網(wǎng)來說，垂直接地極間距大于50 m比較合適。但是該變電站圍墻北側(cè)場地的利用面積有限，無法滿足同時設(shè)置6根垂直接地極的要求，所以單獨采用深井接地極的降阻方案并不適合。

表2 深井接地極數(shù)量及其降阻效果

2.3.3 方案3：結(jié)合引外接地網(wǎng)和深井接地極

由于變電站圍墻西北側(cè)山坡面積有限，要求盡可能大地利用有效面積，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，在山坡上布置引外接地網(wǎng)，長50 m，寬40 m，接地網(wǎng)面積S=50×40=2 000 m2，水平接地體選用60 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼，內(nèi)部做成5 m×5 m的網(wǎng)格，交叉點焊接2.5 m長DN50熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極，埋深1.2 m。在變電站圍墻外北側(cè)布置4根25 m深井接地極，材質(zhì)選用DN100熱鍍鋅鋼管，接地極間距約50 m，埋深1 m；引外接地網(wǎng)和深井接地極皆與主地網(wǎng)連接。

引外接地網(wǎng)接地電阻計算如下：

式中：ρ為引外接地區(qū)域土壤電阻率，取200 Ω·m；S為引外接地網(wǎng)面積，取2 000 m2。

深井接地極與引外接地網(wǎng)合并連接到站內(nèi)主地網(wǎng)，此時深井接地極數(shù)量與降阻效果關(guān)系如表3所示。

由表3可知，該變電站接地網(wǎng)工程采用結(jié)合引外接地網(wǎng)和深井接地極的方式，能使接地電阻值降低超過80%，其降阻效果比單獨設(shè)置深井接地極來得好。從表中數(shù)據(jù)分析，采用結(jié)合2 000 m2引外接地網(wǎng)和4根深井接地極的方案就可以降低接地電阻至允許值，且變電站北側(cè)有足夠空間布置4根深井接地極，這種降阻方案比較合理，但還需要對接觸電壓、跨步電壓、避雷器動作電壓等方面進一步進行校驗。

表3 結(jié)合引外接地網(wǎng)與深井接地極及其降阻效果

降阻方案3的設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 方案3接地網(wǎng)設(shè)計示意圖

2.4 跨步電壓及接觸電壓校驗

在接地網(wǎng)工程設(shè)計中，將最大跨步電位差和最大接觸電位差與允許值進行比較，要求小于允許值。在不滿足要求時，應(yīng)采取有效的降低措施或提高允許值的措施。現(xiàn)針對方案3中接地網(wǎng)的跨步電壓和接觸電壓進行校驗分析。

（1）最大跨步電壓計算如下：

式中：Usmax為最大跨步電位差；Ksmax為最大跨步電位系數(shù)；Ug為接地網(wǎng)接地電位；n為均壓帶根數(shù)；L為水平接地極總長度，取91×14+63×19=2 471 m；L0為接地網(wǎng)外邊緣總長度，?。?1+63）×2=308 m；S為接地網(wǎng)面積，取5 733 m2；h為水平接地體埋深，取0.8 m；d為水平接地體等效直徑，取0.03 m。

代入上述公式求得n=17根，α2=0.444 5，β=0.412 3，Ksmax=0.065 5，Ug=1 733 V，Usmax=113 V。

從計算結(jié)果可知，Usmax=113 V≤1 139 V，滿足跨步電壓的要求。

（2）最大接觸電壓計算如下：

式中：Utmax為最大接觸電位差；Ktmax為最大接觸電位系數(shù)；Ug為接地網(wǎng)接地電位；n為均壓帶根數(shù)；S為接地網(wǎng)面積，取5 733 m2；d為水平接地體等效直徑，取0.03 m。

代入上述公式求得n=17根，Ktmax=0.145 7，Ug=1 733 V，Utmax=252 V。

從以上計算結(jié)果可知，Utmax=252 V≤447 V，滿足接觸電壓的要求。

2.5 避雷器動作電壓校驗

在短路電流入地時，接地網(wǎng)的電位將會升高，可能使變電站內(nèi)10 kV閥型避雷器動作甚至發(fā)生爆炸。為了避免這種情況的發(fā)生，保證10 kV閥型避雷器不動作，要求避雷器的工頻放電電壓下限值應(yīng)小于避雷器的起始動作電壓[2]?，F(xiàn)對避雷器的工頻放電電壓進行校驗，計算如下：

式中：Ugf為10 kV避雷器工頻放電電壓下限值；I為最大入地短路電流，取2.047kA；R為接地網(wǎng)接地電阻，取0.72Ω；Ue為平均電壓，取10.5 V。

由于變電站常規(guī)用10 kV閥型避雷器的起始動作電壓值為24 V，計算值Ugf=8.7 V≤24 V，可知10 kV閥型避雷器在發(fā)生短路電流入地時不動作，滿足運行要求。

2.6 降阻方案最終選擇

根據(jù)以上分析可知：方案1為降低接地電阻至允許值，變電站需單獨設(shè)置10 532 m2引外接地網(wǎng)，引外接地網(wǎng)面積過大，該方案不采用。方案2中變電站北側(cè)空間不足以設(shè)置6根以上的深井接地極，該方案不采用。方案3結(jié)合2 000 m2引外接地網(wǎng)和4根25 m深井接地極，能有效將接地電阻值降低至允許值，該方案合理利用站外場地且接觸電壓、跨步電壓、避雷器動作電壓校驗等方面滿足要求，故采用方案3。

3 結(jié)語

建設(shè)在高土壤電阻率山區(qū)的變電站，經(jīng)常會出現(xiàn)接地網(wǎng)接地電阻偏高的問題。在進行降阻方案設(shè)計時，應(yīng)統(tǒng)籌考慮山區(qū)附近的地質(zhì)條件，建議利用周邊低電阻率的土壤設(shè)置引外接地網(wǎng)擴大整體接地網(wǎng)面積；同時在地下水豐富的區(qū)域，采用深井接地極也能有效降低接地電阻。在場地條件受限時，建議靈活采用結(jié)合引外接地網(wǎng)和深井接地極的降阻方案，其降阻效果更為顯著。