變電站地網(wǎng)工程設計方案

一、變電站接地概述

接地網(wǎng)作為變電所交直流設備接地及防雷保護接地，對系統(tǒng)的安全運行起著重要的作用。由于接地網(wǎng)作為隱性工程容易被人忽視，往往只注意最后的接地電阻的測量結(jié)果。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的升高及容量的增加，接地不良引起的事故擴大問題屢有發(fā)生。因此，接地問題越來越受到重視。變電所地網(wǎng)因其在安全中的重要地位，一次性建設、維護困難等特點在工程建設中受到重視。另外，在設計及施工時也不易控制，這也是工程建設中的難點之一。因此，為保證電力系統(tǒng)的安全運行，降低接地工程造價，應采用最經(jīng)濟、合理的接地網(wǎng)設計思路。

二、接地電阻降阻方法

為了達到降低接地網(wǎng)接地電阻之目的，首先需要從理論上研究降低接地電阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地電阻有以下兩種途徑，一是增大接地體幾何尺寸，以增大接地體的電容C；二是改善地質(zhì)電學性質(zhì)，減小地的電阻率ρ和介電系數(shù)ε。

接地網(wǎng)是在接地系統(tǒng)的基礎，由接地環(huán)（網(wǎng)）、接地極（體）和引下線組成，以往常有種誤解，把接地環(huán)作為接地的主體，很少使用接地體，在接地要求不高或地質(zhì)條件相當優(yōu)越的情況下，接地環(huán)也能夠起到接地的作用，但是通常的情況下，這是不可行的，接地環(huán)可以起到輔助接地地作用，主導作用是用接地體來完成的。決定接地電阻大小的因素很多，下面先來分析一下計算傳統(tǒng)地網(wǎng)接地電阻的公式（僅以接地環(huán)接地時）。

式中：

р（Ω.m）-----土壤電阻率；

        d(m)------------鋼材等效直徑；

S（m2）---------地網(wǎng)面積；

        H(m)------------埋設深度；

L(m)------------接地極長度(m) ；

A---------------形狀系數(shù)。

式（1）表明，傳統(tǒng)的接地方式在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下，要想達到設計要求的電阻必須有足夠的接地面積，要降低接地電阻只有擴大接地面積，每擴大4倍的接地面積，接地電阻會降低一倍。

式（2）、（3）表明，在上述的接地網(wǎng)中，要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地電阻的一些常用的合理的方法。

1、增大接地網(wǎng)面積

由上面接地電阻的物理概念，大地電阻率ρ和介電系數(shù)ε不容易改變，而接地電阻R與接地網(wǎng)電容C成反比：從理論上分析，接地網(wǎng)電容C主要由它的面積尺寸決定，與面積成正比，所以接地網(wǎng)面積與接地電阻成反比。減小接地網(wǎng)接地電阻，增大接地網(wǎng)面積是可行途徑。一個有多根水平接地體組成的接地網(wǎng)可以近似地看成一塊孤立的平板，借用平板接地體接地電阻計算公式，當平板面積增大一倍時，接地電阻減小29.3%。

2、增加垂直接地體

依據(jù)電容概念，增加垂直接地體可以增大接地網(wǎng)電容。當增加的垂直接地體長度和接地網(wǎng)長、寬尺寸可比擬時，接地網(wǎng)由原來的近似于平板接地體趨近于一個半球接地體，電容會有較大增加，接地電阻會有較大減小。由埋深為零半徑為ｒ的圓盤和半徑為ｒ的半球電容之比４εr／２πεr可得，接地電阻將減�。常叮�。但是對于大型接地網(wǎng)，其電容主要是由它的面積尺寸決定，附加于接地網(wǎng)上有限長度（２～３ｍ）的垂直接地體，不足以改變決定電容大小的幾何尺寸，因而電容增加不大，亦接地電阻減小不多。所以大型接地網(wǎng)不應加以增加垂直接地體作為減小接地電阻的主要方法，垂直接地體僅作為加強集中接地散泄雷電流之用。唯一有效的途徑是采用深井接地。

3、人工改善地電阻率

在高電阻率地區(qū)采用人工改善地電阻率的方法，對減小接地電阻具有一定效果。例如，對于一個半徑為ｒ的半圓球接地體而言，其接地電阻的50%集中在自接地體表面至距球心2ｒ的半圓球內(nèi)，如果將ｒ至2ｒ間的土壤電阻率降低，可使接地電阻大大減小。

設原地電阻率為ρ2，將ｒ至2ｒ范圍內(nèi)的電阻率為ρ2的土壤用低電阻率的材料ρ1置換，則半圓球接地體的接地電阻為：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr

置換前的接地電阻RX為： RX=ρ2/2πr
R與RX之比為：         R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2

當ρ1<<ρ2，上式改寫為： R=RX/2=ρ2/4πr      

故接地電阻減小的百分數(shù)為５０%。另外由上式可以看出，用低電阻率的材料置換半球附近高電阻率的土壤，相當于將半球接地體的半徑由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地體幾何尺寸的增加，而使接地電阻減小。

4、深埋接地體

在地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方，可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。地的電阻率隨深度而減小的規(guī)律，往往在達到一定深度后，地電阻率會突然減小很多。因此利用大地性質(zhì)，深埋接地體后，使接地體深入到地電阻率低的地層中，通過小的地電阻率來達到減小接地電阻的目的。

對于地電阻率隨地層深度的增加而減小不大的地方，由于地電阻率變化不大，增加接地網(wǎng)的埋深只是增大接地網(wǎng)的電容。利用電容的概念，電容具有儲藏電場能量的本領，它所儲藏的能量，不是儲藏在極板上，而是儲藏在整個介電質(zhì)中，即整個電廠中：介電質(zhì)中的能量密度，既與介電系數(shù)有關(guān)，又與電場的分布有關(guān)，因此，比起接地網(wǎng)的幾何尺寸小得多的有限埋深，所增加的儲藏能量的介質(zhì)空間極為有限；在有限空間中的能量密度又小，儲藏的總能量也就增加不多，即電容增加不大，所以對減小接地電阻作用不大，不宜采用深埋接地體的方法減小接地電阻。深埋接地體和敷設水下接地網(wǎng)可以大大降低直流電阻，但對降低交流電阻作用不大，故*標不推薦使用該法。但結(jié)合基地航天測試實際情況，主要是低頻信號，此法簡單，效果明顯，可以使用。

5、敷設水下接地網(wǎng)

在有適宜水源的地方敷設水下接地網(wǎng)，由于水的電阻率比地電阻率小的多，可以取得比較明顯的減小接地電阻的效果。而且敷設水下接地網(wǎng)施工比較簡便，接地電阻比較穩(wěn)定，運行可靠，但應注意水下接地網(wǎng)距接地對象的距離一般不大于１０００ｍ。

6、利用自然接地體

充分利用混凝土結(jié)構(gòu)物中的鋼筋骨架、金屬結(jié)購物，以及上下水金屬管道等自然接地體，是減小接地電阻的有效措施，而且還可以起引流、分流、均壓作用，并使專門敷設的接地帶的連接作用得到加強。

三、接地網(wǎng)的設計與施工

接地工程本身的特點就決定了周圍環(huán)境對工程效果的決定性的影響，脫離了工程所在地的具體情況來設計接地工程是不可行的。設計的優(yōu)劣取決于對當?shù)赝寥拉h(huán)境的諸多因數(shù)的綜合考慮。土壤電阻率、土層結(jié)構(gòu)、含水情況、季節(jié)因數(shù)、氣候以及可施工面積等等因數(shù)決定了接地網(wǎng)形狀、大小、工藝材料的選擇。

1、 接地材料的選擇

現(xiàn)在廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料（最常用的如扁鋼）、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼，也常用銅材替代，主要用于接地環(huán)的建設，這是大多接地工程都選用的；接地體有金屬接地體（角鋼、銅棒和銅板）這類接地體壽命較短，接地電阻上升快，地網(wǎng)改造頻繁（有的地區(qū)每年都需要改造），維護費用比較高，但是從傳統(tǒng)金屬接地極（體）中派生出類特殊結(jié)構(gòu)的接地體（帶電解質(zhì)材料），使用效果比較好，一般稱為離子或中空）接地系統(tǒng)；另外就是非金屬接地體，使用比較方便，幾乎沒有壽命的約束，各方面比較認可。降阻劑分為化學將阻劑和物理降阻劑，化學降阻劑自從發(fā)現(xiàn)有污染水源事故和腐蝕地網(wǎng)的缺陷以后基本上沒有使用了，現(xiàn)在廣泛接受的是物理降阻劑（也稱為長效型降阻劑）。在以下的討論中以非金屬接地塊、物理降阻劑和離子接地系統(tǒng)為代表進行探討。下面將設計中考慮的主要因素進行簡要的說明。

物理降阻劑（也稱為長效型降阻劑）。物理降阻劑是接地工程廣泛接受的材料，屬于材料學中的不定性復合材料，可以根據(jù)使用環(huán)境形成不同形狀的包裹體，所以使用范圍廣，可以和接地環(huán)或接地體同時運用，包裹在接地環(huán)和接地體周圍，達到降低接觸電阻的作用。并且，降阻劑有可擴散成分，可以改善周邊土壤的導電屬性。現(xiàn)在的較先進降阻劑都有一定的防腐能力，可以加長地網(wǎng)的使用壽命，其防腐原理一般來說有幾種：犧牲陽極保護（電化學防護），致密覆蓋金屬隔絕空氣，加入改善界面腐蝕電位的外加劑成分等方法。物理降阻劑有超過二十年的工程運用歷史，經(jīng)過不斷的實踐和改進，現(xiàn)在無論是性能還是使用施工工藝都已經(jīng)是相當成熟的產(chǎn)品了。

接地模塊是在通訊、廣電等部門廣泛使用的工程材料。基本成分是導電能力優(yōu)越的非金屬材料復合加工成型的，加工方法有澆注成型和機械壓模成型的，一般來說澆注成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散、強度低、導電性能差，而且質(zhì)量不穩(wěn)定，一些小型廠家少量生產(chǎn)使用這樣的辦法；機械壓模法，是使用設備在幾到十幾噸的壓力下成型的，不僅尺寸精度較高、外觀較好，更重要的是材料結(jié)構(gòu)致密、電學性能好、抗大電流沖擊能力強，質(zhì)量也相當穩(wěn)定，但是生產(chǎn)成本較高，批量生產(chǎn)多采用。選型時，盡量采用后者，特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的要求（如電力工作地、防雷接地）時，不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體的特點是穩(wěn)定性優(yōu)越，其氣候、季節(jié)、壽命都是現(xiàn)有接地材料中最好的，是不受腐蝕的接地體，所以，不需要地網(wǎng)維護，也不需要定期改造，但是，非金屬接地體施工需要的地網(wǎng)面積比傳統(tǒng)接地面積小很多，但是在不同地質(zhì)條件下也需要的保證足夠接地面積才可以達到良好的效果。

離子接地體是傳統(tǒng)的金屬接地改進而來，從工作原理到材料選用都脫胎換骨的變化，形成各種形狀的結(jié)構(gòu)。這些接地系統(tǒng)的共同點是結(jié)構(gòu)部分采用防腐性更好的金屬，內(nèi)填充電解物質(zhì)及其載體組分的內(nèi)填料，外包裹導點性能良好的不定性導電復合材料，一般稱為外填料。接地系統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)出現(xiàn)的有不銹鋼、銅包鋼和純銅材的。不銹鋼的防腐較鋼材好，但是在埋地環(huán)境中依然會多多少少的銹蝕，以不銹鋼為主體的接地系統(tǒng)不宜在腐蝕性嚴重的環(huán)境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料，銅包鋼是銅-鋼復合材料，鋼材表面覆蓋銅，可以節(jié)約大量的貴金屬—銅材。套管法或電鍍法生產(chǎn)，表面銅層的厚度從0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。純銅材料防腐性能最好，但是要耗用大量的貴金屬，在性能要求較高的工程中使用。由于接地系統(tǒng)大多向垂直方向伸展，所以接地面積大多要求很小，可以滿足地形嚴重局限的工程需要。特別是，補償類型的接地系統(tǒng)有加長的設計，筆者曾使用過加長至24米的接地系統(tǒng)，輔以深井法施工，可以達到非常好的效果。介紹的接地材料各有優(yōu)勢，但是都有自身的局限。我們提倡各取所長，選擇適當?shù)牟牧蠞M足不同的工程情況。

2、地網(wǎng)形式

地網(wǎng)的形狀直接影響接地達到的效果和達到設計要求所需要的地網(wǎng)站地積。首先應建立接地環(huán)（或接地面），提倡使用水平接地極（常用的是外部接地環(huán)）和水平垂直接地體配合使用。在很容易達到接地目的，要求低的接地中可以選用平面的接地方法（接地環(huán)接地）；一般應用接地體和接地環(huán)配合使用，形成三維的結(jié)構(gòu)。

三維的接地有三種不同類型：等長接地、非等長接地和法拉第籠式接地。A、等長接地用相同的接地體，這種方式接地體的埋設深度基本一致，施工方便同時可以取得較好的效果。B、非等長接地是更科學的接地方式，采用不同的接地體相互配合，由于接地體長度和埋設深度不同，大大的加大了等勢面積，突破地網(wǎng)面積局限。要求設計人員對多種接地工藝有一定認識，本身施工并不困難，使用得當可以完成相當難度的接地工程。這種方法夜叫“半法拉第籠”接地工藝。C、法拉第籠式接地是多層水平接地網(wǎng)，用垂直接地體相互連接形成籠式結(jié)構(gòu)。由于施工量大，并不常用。在設計中還應考慮地網(wǎng)集膚效應、跨步電壓等因數(shù)。

3、復雜巖土條件的設計施工

A、巖土類型

巖土直接關(guān)系接地的難度，設計中最重要的參數(shù)之一就是的是巖土的土壤電阻率，但僅僅考慮土壤這個參數(shù)是不夠的，還要考慮開挖（鉆進）難度、破碎還是整體巖石、持水能力等因數(shù)。有的巖土電阻率高，但是在整體巖石之間常有較好的土壤間隙層，在這樣的環(huán)境中，避開整體巖石，在間隙中開挖灌降阻劑效果很好。

B、地形制約

施工環(huán)境常常是受到各種情況的制約，按照理想的模式考慮大面積的地網(wǎng)是不現(xiàn)實的。有專家認為，接地面積一定后，如果接地極長度不超過地網(wǎng)1/20，要想突破局限是不可能的，即使做成整塊銅板也沒有用的。實踐中也應證了這一理論。所以，當?shù)匦尉窒迺r，我們可以考慮地網(wǎng)的縱深方向，使用離子接地系統(tǒng)或深井施工工藝。西昌某航天觀測站，土壤電阻率1100Ω.m，設備需要4Ω信號-屏蔽*地，考慮季節(jié)因數(shù)，應作到2.75Ω，而可供施工的面積只有8平方的狹長位置，采用加長（20m）離子接地系統(tǒng)3套安裝后，達到2.5Ω的接地電阻。

C、含水情況

一般來說，濕潤的土壤導電性較好，但是，實際工程中我們發(fā)現(xiàn)，當含水量超過飽以后，接地效果反而不好。當?shù)氐紫掠谐睗瘢�接地體深入到這一層時，降阻效果會好得多。例如，云尾移動通訊站，土壤電阻率測量值1200歐，使用接地塊240塊，接地電阻達到1歐以下；同樣的，湖南柯壺口變電所也是1200歐的從土壤電阻率，地表破碎沙石層，但是開挖150mm發(fā)現(xiàn)潮濕土層，埋設接地塊80只，原預計達到4歐的地網(wǎng)，結(jié)果達到了1.2歐。

D、施工工藝

準確的施工工藝才能達到良好的設計的實施效果，看起來不重要的實施細節(jié)常常導致嚴重的后果。因為接地工程是隱蔽工程，當施工完成后，錯誤不一定馬上可以檢測到，即使發(fā)現(xiàn)問題補救也是很麻煩的，尤其是防腐細節(jié)。

使用接地模塊時，埋設應盡量選擇適合的土層進行，預先開挖80-100cm的土坑（平埋），底部盡量平整，使埋設的接地塊受力均勻。接地塊水平設置，用連接線使連接頭與接地網(wǎng)連接，用螺栓連接后熱焊接或熱融接，焊接完成以后應去處焊渣等，再用防腐瀝青或防銹漆進行焊接表面的防銹處理，回填需要分層夯實，保證土壤的密實和接地塊與土壤的接觸緊密，底部回填40-50cm后，應適量加水，保證土壤的濕潤，令接地塊充分吸濕。

使用降阻劑時，為了防腐，包裹厚度應在30mm以上。接地用的鋼材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角鋼；40mm×4mm或40mm×5mm的扁鋼；ф 50mm、h>3mm的鋼管。角鋼對角線長的約為70mm，短的約為56.6mm。若包裹厚度為30mm，地網(wǎng)開挖直徑尺寸應在130mm。對水平扁鋼來說，由于地面開挖高低不平，扁鋼本身彎曲不直，在施工中許多部位剛剛被降阻劑蓋住。這樣，鋼材實際上處在兩個介質(zhì)的交界處，大大地加快了腐蝕程度，因此地網(wǎng)開挖尺寸也應該加大。我們認為垂直極灌降阻劑直徑以130—200mm為好，水平溝以150mm×100mm為好（扁鋼豎放）。這樣做的開挖工程量和降阻劑用量都會增加，但從整體降阻、防腐效果看是合理的。

離子接地系統(tǒng)埋深一般為3000-4000mm，當加長時相應加深，有條件的用鉆機施工�？讖奖ＷC100-250mm（根據(jù)接地系統(tǒng)的形式選擇）。施工中應保證導電為輔料包裹密實，消除空管和氣泡。

四、接地網(wǎng)設計方案

1、引用標準

GBJ65-83     《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》

GB50059-92   《35-110KV變電所設計規(guī)范》         

GB50057-94   《建筑物防雷設計規(guī)范》             

DL/T621-97   《交流電氣裝置的接地》

2、環(huán)境概況

A、變電站總占地面積為××××平方米。

B、工程所在地土層平均厚度估算約為××××米；

C、工程為××kv變電站；

D、土壤電阻率××Ω·m設計；

E、變電站接地要求應為0.5Ω；

3、設計分析：

根據(jù)GBJ65-83《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》附表1.1接地電阻的計算公式計算，在不重新征地的情況下，僅靠普通環(huán)型地網(wǎng)即使設置普通垂直接地極（2.5m角鋼）也達不到設計要求，必須采用其他辦法大量地降低接地電阻，下降到常規(guī)地網(wǎng)方式接地電阻的17.3%，及降阻率82.3%。根據(jù)施工經(jīng)驗，要達到一定的降阻率，需要采用的施工方式為（在電力地網(wǎng)中，采用大地網(wǎng)接地電阻率測試儀測量的情況下）：

綜上所述，基本方案中應選用的材料為：

1）、接地環(huán)采用50×5mm熱鍍鋅扁鋼；

2）、地極采取兩種：

a、  深井接地體采用Φ50×5mm螺紋探管，機鉆開孔；

b、  淺層接地體采用非金屬接地體；

3）、使用降阻劑作為降阻輔助材料；

4）、土壤（包含沙土）厚度為10米，水層平均深度以20米估算。深井應取30米為宜。

5）、需設計地面變電站接地網(wǎng)和水下接地網(wǎng)兩個地網(wǎng)，兩地網(wǎng)相連接。

為保障電力系統(tǒng)故障瀉流時，附近人員的人身安全，應盡量降低跨步電壓（接觸電勢），《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》GBJ65-83第2.0.8條規(guī)定，在人員出入路口使用礫石或瀝青覆蓋。其中，減低跨步電壓（接觸電勢）的主要方法是在地網(wǎng)中設置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以降低跨步電壓。

4、設計方案

本工程為達到設計要求0.5歐姆的接地電阻（如附圖所示）：

1）  用雙層格柵結(jié)構(gòu)的接地環(huán)結(jié)構(gòu)，每米水平接地極（50×5mm熱鍍鋅扁鋼）使用15kg降阻劑；

2）  設置置00口30米接地深井，100米工程鉆機開孔，每米使用30kg降阻劑，中心金屬接地極采用Φ50×5螺紋探管；

3）設計00只Φ150×800非金屬接地體，與深井配合相成非等長結(jié)構(gòu)，擴大等勢散流面積；

5、設計計算：

   接地體是地網(wǎng)接地效果的主要工作單元。常規(guī)的接地體為角鋼或圓鋼，其接地效果如下式：

Rd≈0.3ρ   參照《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》GBJ65-83附表1.1 

其中：Rd-----單只接地體的接地電阻

ρ-----土壤電阻率

要達到0.5的接地電阻，需要用的數(shù)量

N=Rd/(R×γ)

其中：γ------多只接地體的綜合利用系數(shù)，通常情況下取50%-80%。