趙明天

(遼寧立德電力工程設(shè)計有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 概述

1.1 接地系統(tǒng)的作用

接地的目的是為了在正常和事故以及雷擊的情況下，利用大地作為接地電流回路的一個元件，從而將設(shè)備接地處的電位降低為所允許的接地電位。接地電位的大小，除與電流的幅值和波形有關(guān)外，還和接地體的幾何尺寸以及大地的電性參數(shù)有關(guān)。

發(fā)、變電站的接地系統(tǒng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施。電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障或其它大電流入地時，如果接地電阻值比較大，就會造成地網(wǎng)電位異常升高；如果接地系統(tǒng)設(shè)計不合理，還會導(dǎo)致接地系統(tǒng)本身局部電位差超過安全值。這樣，除給運行人員安全帶來威脅外，還很有可能因反擊或電纜外皮環(huán)流使得二次設(shè)備的絕緣遭到破壞，高壓若竄入控制室，輕則導(dǎo)致監(jiān)測或控制設(shè)備發(fā)生誤動或拒動，重則破壞監(jiān)測設(shè)備而擴(kuò)大事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。國內(nèi)外曾發(fā)生的類似事故不勝枚舉。

調(diào)查表明，我國曾發(fā)生多起由于接地系統(tǒng)未達(dá)到要求所導(dǎo)致的事故或事故的擴(kuò)大。這種事故不僅經(jīng)濟(jì)損失巨大，對于人們生產(chǎn)、生活所造成的社會損失則更加嚴(yán)重。

但是，接地技術(shù)并不是一門精密的科學(xué)，因為接地體的幾何形狀比較復(fù)雜；對地面下的地層結(jié)構(gòu)也沒有必要為了接地技術(shù)的要求，而花費太大的代價做詳盡的了解；人體觸電時，造成電擊傷害的原因也比較多；種種原因都可能導(dǎo)致測量結(jié)果和理論計算值不完全符合。

由于上述原因，我們不應(yīng)只考慮理論上的完備，而使接地設(shè)計變得相當(dāng)復(fù)雜繁瑣，脫離了工程實踐的需要；同時也不應(yīng)僅簡單用一個接地電阻值作為保護(hù)接地的標(biāo)準(zhǔn)，而忽視了對地面電位分布的研究和相應(yīng)采取的安全措施。

1.2 接地系統(tǒng)設(shè)計中存在的主要問題

近年來，由于電力系統(tǒng)容量的迅速擴(kuò)大，入地短路電流大幅升高，為了保證電力系統(tǒng)的安全、可靠運行，就要求接地電阻值比較低。然而與此對立的一個矛盾是近年新建的變電站為了少占或不占耕地，不再象以前建在良田中，一般都建在山包或其它土壤電阻率較高的地區(qū)。在市區(qū)內(nèi)的變電站已經(jīng)逐漸向GIS發(fā)展，GIS的占地面積很小，如何使較小面積的市區(qū)變電站的接地電阻達(dá)到要求，也是迫切需要解決的問題。

另外，北方地區(qū)冬季氣候干燥，凍土層很深，有的可達(dá)2m深，使得凍土區(qū)的土壤電阻率成倍增高，若接地體埋得太深，勢必滿足不了地面均壓的要求。

目前電力部門一般采用的降阻方法主要還是擴(kuò)大地網(wǎng)面積及采用低電阻率材料，即在地網(wǎng)二維平面上做文章，往往收效甚微。因此如何在這些地質(zhì)條件差、土壤電阻率較高地區(qū)經(jīng)濟(jì)有效地降低接地電阻，改善地表電位分布就成為運行部門非常關(guān)心的問題。

特別是在一些山區(qū)的發(fā)、變電站所處地域的土壤電阻率較高，如何采取有效措施，使高土壤電阻率地區(qū)地網(wǎng)的接地電阻達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，就是擺在設(shè)計人員與運行單位面前的重要課題。

1.3 一般降低接地電阻的方法

為了降低接地裝置的接地電阻，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行，人們采取了各種各樣的措施。常見的措施包括：擴(kuò)大地網(wǎng)面積、引外接地、增加地網(wǎng)的埋設(shè)深度、利用自然接地體、深井接地和局部換土等。

土壤的電阻率通常沿縱深和橫向分布都是不均勻的，就縱深來說，不同深度土壤的電阻率是不同的。一般接近地面幾米以內(nèi)的電阻率并不穩(wěn)定，要隨季節(jié)氣候的變化而變化，亞洲地區(qū)，底層平均每增加33m地溫增加1度，土壤越深受季節(jié)影響越小，電阻率越穩(wěn)定。深埋接地體與土壤的接觸就越緊密，可以降低接地體與土壤的接觸電阻。同時還可以克服場地窄小的缺點，這在城市和山區(qū)是一種行之有效的方法。

降低接地電阻的方法都有其應(yīng)用的特定條件，針對不同地區(qū)、不同土壤條件采用不同的方法才能有效地降低接地電阻；另外各種方法也不是孤立的，在使用過程中可以相互配合，以獲得較好的降阻效果。

2 對三維接地網(wǎng)的探討

2.1 接地電阻與接地網(wǎng)電容成反比

一般對接地網(wǎng)的設(shè)計均在二維平面上。工頻電流從接地體向周圍的大地散流時，接地電阻的數(shù)值等于接地體的電位與通過接地體流入地中電流的比值。工頻電流在地中的分布與直流電的分布在原則上是有區(qū)別的。但是，由于地的電阻率相當(dāng)大，所以在計算接地體附近的電流時，由于感應(yīng)電勢引起的電壓降與電阻電壓降比較起來，可以忽略不計，所以工頻的接地計算可以用直流的接地計算代替。

當(dāng)?shù)仉娮杪矢鞣较蛲詴r，由高斯定理和歐姆定律的微分形式以及電阻、電容的定義可推出下式：

式中：R為接地體的接地電阻(Ω)；C為接地體的電容(F)；ρ為地電阻率(Ω·m)；ε為地的介電系數(shù)(F/m)

由(1)式可以看出，接地體的接地電阻和它的電容成反比，比例常數(shù)ρ和ε決定于地的電學(xué)性質(zhì)。從中可以清楚的知道增大接地體的電容是減小接地電阻的主要因素。

2.2 三維接地網(wǎng)的做法

一個由多根水平接地體組成的二維接地網(wǎng)可以近似看成是一塊孤立的平板，其電容主要是由它的面積尺寸決定的。附加的垂直接地體(2m～3m)，不足以改變決定電容大小的幾何尺寸，因而電容增加不大，接地電阻減小不多。

這就使我們想到將接地體由二維接地網(wǎng)改為三維立體接地網(wǎng)，該網(wǎng)在不增加占地面積的前提下，增加了與土壤接觸的有效面積，增加電容量，從而減小接地網(wǎng)的接地電阻。

具體做法如下：

在地面下0.8m深處根據(jù)接觸電勢和跨步電勢計算要求敷設(shè)水平接地網(wǎng)，以滿足接觸電勢和跨步電勢的要求；根據(jù)工程的具體地質(zhì)情況在3～5m左右的深度再敷設(shè)網(wǎng)格一般不超過16孔的接地網(wǎng)；使每個網(wǎng)孔的交叉點與上層接地網(wǎng)相連接。

這樣就形成上下兩層相連接立體接地網(wǎng)，下層做成16孔的原因是接地網(wǎng)孔超過16孔時，接地電阻減少的很慢，若超過16孔，說明接地網(wǎng)面積很大，一般就沒有必要做雙層了。即使是大型接地網(wǎng)，網(wǎng)孔個數(shù)超過32孔時對接地電阻的影響也是相當(dāng)小的。

2.3 三維接地網(wǎng)接地電阻的計算

假設(shè)一個50m×50m的復(fù)合接地網(wǎng)，埋深0.8m，土壤電阻率為100Ω·m，接地網(wǎng)的等效半徑為28.2m。

按《交流電氣裝置的接地》中簡易計算式：

如果將該接地網(wǎng)做成立體網(wǎng)，即在距上層2m處敷設(shè)同面積的下層接地網(wǎng)，網(wǎng)孔16個，每個網(wǎng)孔交叉點用扁鋼與上層相連接。此時上、下層接地網(wǎng)的等效面積應(yīng)將側(cè)面積也計算在內(nèi)，計算如下：

等效半徑：41.46m

工頻接地電阻： R = 0.68Ω

2.4 三維接地網(wǎng)接地電阻分析

通過上述計算可以知道，以往的單層接地體相當(dāng)于一個孤立的平板電容器，而三維立體的接地體則趨近于一個半球形電容器。以埋深為零米半徑為r的圓盤和半徑為r的半球的電容之比4εr/2πεr，可以得到其接地電阻減小36.3%的結(jié)果，這與上邊的計算結(jié)果基本一致。但實際接地電阻的測量結(jié)果往往要比計算結(jié)果大一些，這主要是由于土壤電阻率的不均勻和上、下層之間互相影響所致。

一些工程中，即使接地電阻降低30%也不能達(dá)到需要值，這時還應(yīng)該結(jié)合其他降阻措施，以滿足工程需要。

3 三維接地網(wǎng)的其它問題

3.1 三維接地網(wǎng)可減小季節(jié)的影響

我國東北地區(qū)冬季的凍土深度一般在-1.6m以上，按普通接地網(wǎng)埋深-0.8m敷設(shè)接地網(wǎng)，正好在凍土層中，其土壤電阻率到冬季會增加幾十倍，接地電阻也會相應(yīng)提高，隨著氣候干燥程度的變化，土壤電阻率數(shù)值的變化很難估計，因此對電力系統(tǒng)的運行安全造成一定的威脅。若將接地網(wǎng)深埋在凍土層下，則地面的均壓作用很難保障，一旦發(fā)生故障接觸電勢會對人身安全造成傷害。

三維接地網(wǎng)可以成功地解決以上問題，因為上層接地網(wǎng)即使在冬季也同樣起到均壓作用，土壤電阻率的變化對其影響很??；而下層接地網(wǎng)都會埋在凍土層以下，該處的土壤電阻率隨季節(jié)變化很小，接地電阻值幾乎不會受到影響。

3.2 三維接地網(wǎng)可減小回填土層的影響

一般發(fā)、變電站的地面層大多數(shù)都以回填土為主，有的甚至深達(dá)到2m左右，若將回填土層換成土壤電阻率低的土質(zhì)，勢必會減少地耐力，這對土建專業(yè)是十分不利的。三維接地網(wǎng)的下層最小應(yīng)埋深2.5m，即埋在原土層內(nèi)，盡可能的減小了回填土層對接地電阻的影響。

3.3 三維接地網(wǎng)可降低沖擊接地電阻

在沖擊電流作用下，由于接地體的電感作用，接地網(wǎng)上的電位很不均勻，離開沖擊電流引入點越遠(yuǎn)的地方，接地體上的電位就越低，甚至電位為零，其變化規(guī)律按指數(shù)曲線衰減，只有沖擊電流引入點附近一小塊接地網(wǎng)才起著散流的作用，而且散流的程度與這一小塊面積上的電位分布成正比。沖擊電流波頭為3～6 μs時，發(fā)、變電站水平接地網(wǎng)的面積不論有多大，對沖擊接地電阻的影響僅與沖擊電流引入點附近一小塊接地網(wǎng)有關(guān)。由于任何部位上層的垂直接地體的下端連接有下層接地網(wǎng)，使沖擊電流引入點附近一小塊接地網(wǎng)得以加強(qiáng)，其散流效果是顯而易見的，這里不再作詳細(xì)分析。

3.4 三維接地網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)比較

仍假設(shè)一個50m×50m的復(fù)合接地網(wǎng)，埋深0.8m，若按常規(guī)每隔10m打一個2.5m的垂直接地極，需要36根接地極，接地極若采用Ф50直徑，壁厚5mm的鋼管，其總長度為90m(不含損耗)，重量約為500kg；而增加16孔同面積的下層接地網(wǎng)，若采用60×5扁鋼，總長度為550m，總重量為1300kg；增加鋼材800kg，若按5000元/t計算，增加投資4000元。

4 結(jié)論

在我國頒布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621-1997《交流電氣裝置的接地》中規(guī)定的一般情況下，接地裝置的接地電阻應(yīng)符合R≤2000/I的要求，由于電力系統(tǒng)容量的迅速擴(kuò)大，入地短路電流大幅升高，為了保證電力系統(tǒng)的安全、可靠運行，目前接地電阻值一般要求比較低，工程中如何降低接地電阻已成為一大課題。經(jīng)過以上討論我們認(rèn)為敷設(shè)三維接地網(wǎng)，降低接地電阻30%左右是可行的。雖然增加投資1萬元左右(包括敷設(shè)時的土方量)，但與采用降阻劑的方法相比還是節(jié)省許多投資的(一般接地網(wǎng)全部采用降阻劑降低接地電阻也不超過40%)。我們曾經(jīng)在兩個南方110kV變電站采用此項技術(shù)，效果是相當(dāng)滿意的。