高土壤电阻率地区变电站接地网长效降阻实现

　　高土壤电阻率地区变电站接地网长效降阻的实现

　　摘要：广州番禺110kV祈福变电站所处地域的土壤电阻率较高，地网电阻值高达1.3Ω。为使地网电阻达到国家标准，首次在国内采用了世界先进的接地系统辅助设计工具——CDEGS软件包对祈福变电站接地系统进行了可行性设计论证，并予以实施。最终使地网电阻降到了0.2Ω以下，确保了设备的安全运行。在此基础上，更纵深考虑了如何使在高土壤电阻率地区的变电站设计和改造工作更加科学合理，为今后在探讨相关工作时提供一套较完整的可行性系统解决方案。广州番禺110kV祈福变电站于2000年建成运行，位于高土壤电阻率的丘陵地区，是典型的郊区户外敞开式变电站，地网电阻值高达1.3Ω，严重威胁着设备安全运行。因此，必须进行工程改造。如何采取有效措施，使高土壤电阻率地区地网的接地电阻符合国家标准的规定，是摆在我们面前的重要课题。我们在参照以往工程设计、研究成果和经验的基础上，深入了解了当今世界接地系统设计的最新进展，综合考虑了现场的地理环境特点，采用当今世界上最先进的辅助设计工具进行了工程分析设计及对方案的充分论证，提供一套较完整的系统解决方案，付诸工程实践，达到了降低地网接地电阻的目的。

　　1接地系统辅助设计软件包的简介我们与国内某著名大学电机系合作，首次在国内采用了世界先进的接地系统辅助设计工具——CDEGS，对测量数据进行处理，对各种方案进行校核。CDEGS是加拿大SES公司（SafeEngineeringServices&TechnologiesLtd）推出的集成工程软件包。CDEGS（currentdistribution，electromagneticinterference，groundingandsoilstructureanalysis）是精确接地系统设计分析、电磁干扰分析、交流信号干扰抑制研究等一系列功能模块的集合。CDEGS的核心主要是计算在稳态、故障、雷击和暂态条件下，由地上或地下导体所构成的任意形状网络周围的电磁场分布与导体及地表电位分布。该软件包的总体设计师（亦是SES公司的创始人）FDawalibi是目前国际上知名的接地系统设计分析、电磁干扰研究领域的权威。

　　2土壤真实电参数的获取高土壤电阻率地区变电站接地网长效降阻的实现

　　2.1现场测量不同测量间距下的土壤视在电阻率为了得到该地区的土壤分层情况，我们分别于2002年7月、10月到该变电站站址进行了现场测量。我们所采用的是大家所熟知的Wenner方法。测量接线图如图1所示。由于土壤分层的存在，导致以上测量得到的土壤电阻率并非某一层的真实电阻率，而是综合各种情况时的视在电阻率。测量时，通过改变极间距a，可以得到相应电流电压法的电压Ua与电流Ia数值，并根据测量结果，利用以下公式计算得到相应的视在电阻率：式中：ρa——视在电阻率；a——测量间距；Ua——电压数值；Ia——电流数值。计算可得视在电阻率ρa（电流电压法）。两次测量的方向不同，季节也不同。结果分别见表1，表2所示。高土壤电阻率地区变电站接地网长效降阻的实现来自由表1和表2我们可以看出，两次测量的结果有比较大的差异。一是由于测量方向不同，第一次引线布置在水塘边，第二次在山上，这样底层电阻率差异比较大；二是由于第一次在夏季测量，第二次在冬季测量。因此两次表层电阻率也有比较大差异。

　　2.2土壤地质分层结构的分析根据以上视在电阻率随测量极间距变化的关系，我们利用建立在电磁场散流理论基础〔1〕上的土壤参数计算程序RESAP〔2〕对以上数据进行了分析、计算。当用户输入由Wenner,Schumberger或任意电极布置方法测得的土壤视在电阻或电阻率后，RESAP程序就可给出与测量结果非常接近的土壤分层结构。但是这种计算需要比较深的理论基础以及较多的实际设计经验，因为这一程序需要人工干预才能够得到满意的结果。

　　表3是由RESAP程序得到的土壤真实电阻率分层情况。表

　　3计算结果可以看出：表层土壤电阻率比较大，中间层土壤电阻率相对较小（这是由于地下水所致），而深层土壤电阻率相对较大（地下岩层起作用）。因此，我们不难发现，如果只是采用水平地网，短路电流的流散存在较大的电阻率层阻挡，适当深度的垂直极会对于降低接地电阻有较好效果。3接地系统降阻的可行性论证针对施工现场具体的地形、地质条件，我们选择了几种基本可行的设计方案，分别进行分析计算。分析计算的主要辅助工具是CDEGS软件包中的MALT模块，它被广泛应用于电力系统接地网络分析和非屏蔽金属导体与管道的散流特性的研究。MALT可以根据电力系统发、变电站，输电线路杆塔附近的土壤特性，建立起均匀的或水平、垂直、半球形的多层土壤结构模型。并以此模型为依据，分析计算出接地电阻、地电位升、接地系统土壤中任意点的电位和接触及跨步电压，以及邻近与主网不连接导体的感应电势分布。MALT的计算是建立在以下假设基础上的，即：所有的导体是非屏蔽的，相互连接的导体在工频范围内是等电位的。显然，这一假设在我们这里是满足的，由计算结果也可以看出这一点。根据湖南省电力勘测设计院提供的入地短路电流值约为16000A。

　　3.1原有地网方案论证原地网水平占地面积约为90m×130m，按水平地网常规设计对接地电阻进行计算，有关参数为：水平接地体间距约为6m；水平接地体采用50mm×5mm镀锌扁钢；水平接地体埋设深度为0.8m；地网布置为常规水平网格布置。经计算（由CDEGS软件包计算论证），接地电阻为1.49Ω。由软件模拟计算的结果比实际测量的结果1.25Ω要大，主要是因为我们在计算土壤电阻率时的取值是由测量点处电阻率均匀计算所致。这一电阻率值远不能达到规程中0.5Ω的要求。因此，必须考虑其它设计方案进行降阻。如果仅仅采用增大接地网面积的设计方案，要想降低到规程要求的范围，几乎是不可能的。因此我们考虑向纵深发展的策略。

　　3.2在站址西侧加垂直极方案论证（无爆破）高土壤电阻率地区变电站接地网长效降阻的实现在不改变现有变电站设计面积的情况下，考虑用加设垂直接地极的措施来降低接地电阻，方案如下：水平接地体间距约为8m；水平接地体采用50mm×5mm镀锌扁钢；水平接地体埋设深度为0.8m；垂直接地极采用的镀锌钢管外径为110mm，深60m，共8根。计算结果为0.92Ω（由CDEGS软件包计算论证）。

　　3.3垂直接地极爆破、压灌低电阻率材料相结合的方案论证根据以上计算的结果，我们还得考虑用其它方法来降低接地电阻。我们采用目前比较成熟、有效的方法：钻探深井爆破，加压灌注低电阻率材料〔3〕。这样做可以使低电阻率材料紧密包覆接地体并向四周扩散，从而将电流引入较深的地层散流，同时降低接地体与土壤的接触电阻。反映在理论分析上，则可以用其对于垂直接地极的等效直径〔3〕的影响来等效，从而起到较好的降阻效果〔4〕。方案如下：水平接地体间距约为8m；水平接地体采用50mm×5mm镀锌扁钢；水平接地体埋设深度为0.8m；垂直接地极采用镀锌等边角钢50mm×50mm，深50m，共13根（具体垂直极的位置在地网边沿，基本等间隔布置，并在其中某一侧外延增加4根，以根据现场情况作调整）。计算结果为0.48Ω（由CDEGS软件包计算论证）。

　　3.4设计论证及风险控制我们曾于2000年8月22日邀请广东某工程勘察设计院对祈福110kV变电站地网进行过常规深井接地改造处理，在变电站四周布设8个导电孔，钻孔直径为110mm，深度60m，但并没有把电阻降下来。结合以往经验与本站址的具体地质、地形条件，对以上几种方案作技术经济对比分析，我们认为对于解决此地高电阻率情况下的接地问题，可采用结合深井爆破、压灌低电阻率材料综合解决方案。但因其理论计算结果接近0.5Ω的临界值，为了降低工程建设的风险，我们保留了在站外采用深井接地和新建小水平接地网与原站内接地网联接置换双保险的做法。本工程我们还得到了施工单位20年的保质承诺，从经济与技术两方面综合考虑，本方案是可行的。

　　4接地系统降阻工程的实施

　　4.1工程概况及施工要点在站内选取13个钻孔点，钻孔直径为110mm，深度大于50m，采用2台XY-1型工程钻机施工导孔，用泥浆泵灌注降阻混凝土，并设地沟将变电站与导电孔相连，以达到提高地网导电性能的目的。降阻原材料选用了国内成熟的某品牌降阻剂。高土壤电阻率接地技术为国家专利技术（专利号00253193.3），深井施工全过程由施工单位自检，我方参与了施工的中间验收。

　　4.2施工工艺流程测放孔位—钻机就位—钻至设计深度、洗孔—放置镀锌角钢—深层爆破—拌制降阻混凝土孔底注浆—开挖地沟整平—铺设镀锌扁钢、浇注低电阻率材料—混凝土养护、回填土—移机至下孔位。

　　4.3施工情况工程组织了两台XY-1型工程钻机进场施工（见图2）。由于施工过程中钻进至基岩时，遇到坚硬的微风化石英岩，钻进有一定困难。深层爆破在地表50m以下，不影响设备安全运行。

　　4.4质量检验全部施工任务于2002年5月26日组织竣工验收。工程质量验收按接地测量导则国家标准验收，即电流极1000m，电压极618m，电流极与电压极夹角为180°或90°。经双方技术人员最终测试地网接地电阻为0.2Ω以下，实现了降阻目的。

　　5结束语a)110kV祈福变电站地网降阻达到了国家标准，完全满足了运行单位要求，在雷雨季节前消除了安全隐患。110kV祈福变电站地网降阻工作自投运2年多来一直在不停的探索中，其中也走了不少的弯路，所幸的是我们的努力终于得到了回报，为今后地网隐蔽工程的处理积累了丰富的经验。b)吸取了110kV祈福变电站地网初期建设的教训，凡今后在新建电力工程的地网施工中要做好地质原始土壤电阻率的数据采集工作。对高土壤电阻率地区的电力建设地网类隐蔽工程建设可考虑引入公开招投标的方法以引进高技术队伍来保证接地工程的可靠质量。c)110kV祈福变电站地网降阻的解决办法可适用于电力工程以外的建设需要，在达到降阻效果以后的1～2年内要继续加强地网监测的跟踪工作，以防阻值出现反弹现象。