王文莉，鄒振宇

（山東電力工程咨詢院，山東 濟南 250013）

高土壤電阻率地區(qū)變電站地網(wǎng)設計

王文莉，鄒振宇

（山東電力工程咨詢院，山東 濟南 250013）

針對高土壤電阻率地區(qū)變電站接地系統(tǒng)的接地電阻很難滿足規(guī)程要求的問題，結合工程實例討論了變電站的接地網(wǎng)設計方法。采用先進的接地系統(tǒng)輔助設計工具——CDEGS軟件包對高土壤電阻率變電站的接地系統(tǒng)進行設計，接地電阻、接觸電位和跨步電位的計算結果證明，該設計方法行之有效。

高土壤電阻率；接地網(wǎng)；變電站

0 引言

在電力系統(tǒng)中為了工作和安全的需要，常需將電力系統(tǒng)及其電氣設備的某些部分與大地相連接，這就是接地。雖然接地在電力系統(tǒng)中的作用是工作和安全的需要，但由于接地設計或施工的不當，這種作用便會大大削弱。電流在接地電阻上的壓降將引起接地電極電位的升高，可能使設備受到這一過電壓（反擊過電壓）的作用而損壞。如果接觸電壓與跨步電壓過大，則可能造成人身傷亡事故。

目前，我國發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)接地電阻的設計值和竣工后的測量值相差較大的一個主要原因，就是在設計計算中僅基于經(jīng)驗公式計算，采用均一土壤電阻率，而且由于有時測量土壤電阻率的極間距較小，不能反映深層土壤的情況，這時如果土壤結構實際上是不均勻的，則會造成設計值和實際值較大的誤差。多數(shù)變電站建于土壤狀況復雜地區(qū)，如何根據(jù)實際的不均勻土壤，結合新的施工工藝，在面積有限、土壤電阻率較高地區(qū)設計出符合國家規(guī)程規(guī)定的接地系統(tǒng)是保障電力系統(tǒng)運行人員和設備安全的一項重要工作。

在高土壤電阻率地區(qū)，設計發(fā)、變電站接地電阻都很難滿足規(guī)程要求，特別是面積較小的發(fā)、變電站要降低接地電阻必須采用降阻措施。工程上主要采用的降阻措施有增大接地網(wǎng)的面積、引外接地、增設垂直接地極、換土以及使用化學元素降阻劑等。這些降阻措施中，增大地網(wǎng)面積和引外接地涉及重新征地和難以維護等技術和經(jīng)濟問題，不便于工程中采用，而換土又會增加巨大的工程量和資金投入，特別是在高土壤電阻率地區(qū)有時換土無法實現(xiàn)，因此實際工程中很少采用。隨著GIS技術的發(fā)展，發(fā)、變電站采用GIS越來越多，大大縮小了發(fā)、變電站的占地面積，因此其接地電阻就難以滿足規(guī)程要求。在水平地網(wǎng)上打垂直地極被越來越多的采用，但設計中增設的長度只有幾米到十幾米，有的甚至遍布整個水平地網(wǎng)，降阻效果不明顯。這是由于垂直接地極長度及布置方式選擇不當，使增設的垂直接地極的降阻作用被水平地網(wǎng)或垂直接地極相互間的屏蔽效應抵消。

將CDEGS接地系統(tǒng)設計分析軟件引入到實際工程設計中，通過軟件的數(shù)值計算，能夠比較全面考慮地網(wǎng)的實際結構及故障電流流散的實際情況，既考慮到地網(wǎng)不同部分導體散流的非均勻性，對于任意復雜接地網(wǎng)都能得到比較精確的計算結果；同時也使技術可行的前提下，對地網(wǎng)設計的方案進行經(jīng)濟比較成為可能，解決了采用經(jīng)驗公式進行計算中的許多問題。基于華電萊州高土壤電阻率地區(qū)接地系統(tǒng)的設計分析，提出了一套較完整的接地系統(tǒng)解決方案，并得出了許多有價值的結論。

1CDEGS軟件簡介

CDEGS（Current Distribution，Electromagnet interference，Grounding and Soil structureanalysis）軟件包是電流分布、電磁干擾、接地和土壤結構分析的英文縮寫。由加拿大SES公司經(jīng)過十余年的研究開發(fā)而成。該軟件主要由RESAP、MALT、MALZ等子模塊組成。CDEGS軟件可以用于電力系統(tǒng)接地研究、電磁干擾分析、抑制交流干擾研究，并可以解決陰極保護問題等。它的功能比較強大，可在正常、故障、雷電、暫態(tài)條件下，計算地上或地下任意位置的帶電導線組成的網(wǎng)狀結構產(chǎn)生的接地電位、導線電位和電磁場。CDEGS還為簡單的或裸的和含外皮的金屬管、封閉管道電纜系統(tǒng)和復雜的土壤結構中的各種導線建立計算模型。

RESAP子模塊可以由實際測量得到的土壤電阻率數(shù)據(jù)確定等價的土壤結構模型。在此土壤模型基礎上，才可能進行接地系統(tǒng)分析、陰極保護研究和線路參數(shù)的計算。RESAP子模塊可以為水平多層土壤、垂直多層土壤、水平方向呈指數(shù)變化的土壤結構建立等價計算模型。

MALT子模塊可以進行接地分析，用于地下導體網(wǎng)的低頻分析，范圍為直流和工頻。它可以對HVDC和HVAC電廠、變電站、輸電鐵塔的接地網(wǎng)進行分析，以及進行陰極保護研究。它可分析處于垂直、水平、球形分層的土壤中任意配置的復雜地網(wǎng)。這是CDEGS中最早發(fā)展起來的工程軟件。

MALZ子模塊是進行頻域接地分析的軟件。在MALT子模塊的基礎上發(fā)展而來，計算結果更加準確，分析范圍更廣，可從直流到1 MHz的頻率范圍?？梢源_定地下導線網(wǎng)產(chǎn)生的泄漏電流、地電位、電場和磁場，并進行陰極保護研究。

CDEGS軟件具有用戶滿意的輸入輸出處理器的組合以及流行的Windows界面，用戶使用起來非常方便。多年來，國內的有些單位也進行了有關接地及其相關方面的大量研究，并開發(fā)了一些相應的軟件，但在系統(tǒng)性和通用性方面都和CDEGS軟件包有一定的差距，經(jīng)過多年的系統(tǒng)開發(fā)，CDEGS軟件包應該說是截止目前世界上在該領域通用性最強，功能最為強大的軟件包。

應用CDEGS軟件進行接地設計的方法及步驟如下：

1）第一步使用RESAP建立土壤等效模型來模擬真實土壤結構。設計者可以在程序提供的幾種土壤模型中選擇一種來模擬真實的土壤結構 （均勻，兩層，多層，指數(shù)式的等）。

2）基于經(jīng)驗和變電所接地的綜合要求，使用MALT基于步驟1建立的土壤模型初步形成和分析一個經(jīng)濟的接地網(wǎng)。

3）使用FCDIST模塊計算實際地網(wǎng)流出的故障電流。

4）使用輸出模塊分析計算結果，通過輸出結果檢查是否滿足所有的設計要求。特別是最大接觸電壓和跨步電壓計算值與允許值的比較。

5）如果不是所有的設計要求都得到了滿足或所有的設計要求都有較大裕度意味著較大節(jié)約，都需要對接地系統(tǒng)修改設計，從步驟2開始重新設計和分析。

2 華電萊州風電場110 kV變電站接地系統(tǒng)初步方案

2.1 華電萊州110 kV變電站站區(qū)

站址情況：原地網(wǎng)水平占地面積約為66m×50 m，升壓站接地網(wǎng)采用不等間距布置，水平接地體采用60 mm×6 mm鍍鋅扁鋼；水平接地體埋設深度為0.8 m，地網(wǎng)布置為常規(guī)水平網(wǎng)格布置。

土壤情況：根據(jù)文獻［7］，站區(qū)地質土壤主要為砂土、淤泥質粘土、粘土，屬于高土壤率地區(qū)。表1為研究中所采用的多層土壤數(shù)據(jù)模型。

表1 多層土壤模型數(shù)據(jù)

2.2 基于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的初步設計

在發(fā)電廠、變電站接地系統(tǒng)設計時，由于要對安全、經(jīng)濟等諸多因素均衡考慮，所以對接地系統(tǒng)的設計經(jīng)過了由經(jīng)驗公式估計接地系統(tǒng)接地電阻到以數(shù)值計算方法為主的科學分析的轉變。由于接地系統(tǒng)的介質復雜性，經(jīng)驗公式考慮的因素主要有接地系統(tǒng)所處位置的地質參數(shù)與水平地網(wǎng)的尺寸。一般采用的接地電阻R理論估算公式為

式中，ρ為土壤電阻率，S為接地網(wǎng)的面積。公式（1）中S取值為800 Ω·m，可以看出經(jīng)驗公式無法考慮多層土壤的實際情況。此外，這一公式并沒有考慮到在水平網(wǎng)基礎上添加垂直接地極的影響。

根據(jù)變電站平面布置，公式（1）計算得 R為6.96 Ω?？梢钥闯?，經(jīng)驗公式計算結果遠不能滿足規(guī)程要求，且經(jīng)驗公式考慮均一土壤率，無法反映出真實的接地系統(tǒng)性能情況。若只考慮擴大地網(wǎng)面積以降低接地電阻，由式（1）可知，要達到變電所接地電阻0.5 Ω的要求，接地網(wǎng)面積S須不小于800 m×800 m。這樣不僅使水平接地網(wǎng)所需的費用有很大的增加，而且現(xiàn)場條件的限制證明完全不可能的。

3 應用CDEGS進行接地系統(tǒng)安全計算分析

本案例中應用CDEGS進行分析計算的主要輔助工具是CDEGS軟件包中的MALT模塊，它被廣泛應用于電力系統(tǒng)接地網(wǎng)絡分析和非屏蔽金屬導體與管道的散流特性的研究。MALT可以根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)、變電站，輸電線路桿塔附近的土壤特性，建立起均勻的或水平、垂直、半球形的多層土壤結構模型。并以此模型為依據(jù)，分析計算出接地電阻、地電位升、接地系統(tǒng)土壤中任意點的電位和接觸及跨步電壓，以及鄰近與主網(wǎng)不連接導體的感應電勢分布。

MALT的計算是建立在以下假設基礎上的，即：所有的導體是非屏蔽的，相互連接的導體在工頻范圍內是等電位的。顯然，這一假設在我們這里是滿足的，由計算結果也可以看出這一點。根據(jù)系統(tǒng)提供的入地短路電流值約為15 000 A。

3.1 原有地網(wǎng)方案論證

初步接地網(wǎng)的設計是按照變電所一般接地要求進行設計，覆蓋區(qū)域為變電所所區(qū)，接地體的布置主要考慮設備接地。初步接地網(wǎng)模型見圖1，為MALT軟件包計算提供初始數(shù)據(jù)。

MALT計算中采用表1所示的多層土壤模型，水平接地體埋深為0.8 m。經(jīng)CDEGS計算，初始接地網(wǎng)接地電阻為1.49 Ω，這一電阻率值不能達到0.5 Ω的要求。計算得到，初始地網(wǎng)的最大跨步電位差為1891.1 V，最大接觸電位差為11 008 V。而CDEGS給出的接地網(wǎng)安全計算報告中，地面在不經(jīng)絕緣處理的情況下，0.5 s的故障時間時，跨步電位差安全值為984.3 V，接觸電位差安全值為369.1 V；地面采用高阻瓷磚加強絕緣后 （按濕態(tài)電阻率為3 000 Ω·m），跨步電位差安全值為2633.2 V，接觸電位差安全值為781.3 V。

圖1 初步接地網(wǎng)模型

可以看出，初始地網(wǎng)的跨步電位差不滿足地面在不經(jīng)絕緣處理情況下的安全限值，但是滿足地面加強絕緣后的安全限值；而接觸電位差則遠不滿足安全限值要求。因此，必須考慮其它設計方案進行降阻。如果僅僅采用增大接地網(wǎng)面積的設計方案，要想降低到規(guī)程要求的范圍，幾乎是不可能的。因此考慮向縱深發(fā)展的策略。同時，不難發(fā)現(xiàn)，如果只是采用水平地網(wǎng)，短路電流的流散存在較大的電阻率層阻擋，適當深度的垂直接地極會對于降低接地電阻有較好效果。

3.2 垂直接地極爆破、壓灌低電阻率材料相結合的方案論證

采用目前比較成熟、有效的方法：鉆探深井爆破，加壓灌注低電阻率材料［3］。這樣做可以使低電阻率材料緊密包覆接地體并向四周擴散，從而將電流引入較深的地層散流，同時降低接地體與土壤的接觸電阻。反映在理論分析上，則可以用其對于垂直接地極的等效直徑的影響來等效，從而起到較好的降阻效果［3，4］。

3.2.1 接地系統(tǒng)改進方案

在不改變現(xiàn)有變電站設計面積的情況下，考慮用加設垂直接地極的措施來降低接地電阻，方案如下：垂直接地極采用的鍍鋅鋼管外徑為110 mm，深60 m，共4根。為了減小水平地網(wǎng)對垂直接地極的屏蔽作用，垂直接地極一般布置在水平地網(wǎng)的外圍，與外圍接地導體相連。垂直接地極半徑取3.5 m，用于模擬采用爆破接地技術施工的垂直接地極。此外由于土壤電阻率表層較深層大很多 （5倍或更大），表層的厚度較深層小很多（1/5或更?。?，改進方案采用均勻間距地網(wǎng)。

改進方案的地網(wǎng)模型見如圖2所示。計算結果地網(wǎng)接地電阻為0.2225 Ω。因此可以看出，采用爆破接地技術對垂直接地極進行施工，增大垂直接地極的半徑，能更有效地降低接地系統(tǒng)的接地電阻。

圖2 改進接地網(wǎng)模型

3.2.2 接觸電壓、跨步電壓

地面在不經(jīng)絕緣處理的情況下。0.5 s的故障時間時，跨步電位差安全值為984.3 V，接觸電位差安全值為369.1 V。地面采用高阻瓷磚加強絕緣后（按濕態(tài)電阻率為3 000 Ω·m），跨步電位差安全值為2633.2 V，接觸電位差安全值為781.3 V。地面在不經(jīng)絕緣處理的情況下的計算結果見跨步電位差分布圖3，圖3可以看出如果不進行絕緣處理的情況下，最大跨步電位差為142.3 V，滿足地面在不經(jīng)絕緣處理的情況下安全限值984.3 V。但是接觸電位差不滿足要求，需進行地面絕緣。

圖3 改進接地網(wǎng)跨步電位差分布圖

地面采用高阻瓷磚加強絕緣后，由接觸電位差分布圖4可知，最大接觸電位差為727.7 V。不滿足地面在不經(jīng)絕緣處理的情況下安全限值369.1 V。但能滿足地面采用高阻瓷磚加強絕緣后的接觸電位差安全值781.3 V。

圖4 改進接地網(wǎng)接觸電位差分布圖

可以看出，增設長垂直接地極對于降低地表面的最大接觸電壓和跨步電壓也具有較大的影響。增設長垂直接地極對于降低接觸電壓的原因主要有兩點：一是垂直接地極的引入，降低了地電位升（GPR），而接觸電壓和跨步電壓均與CPR有著直接的關系。二是因為增設垂直接地極后，大部分故障電流通過垂直接地極流入大地，相應減少了水平導體的散流量，因此地表面的水平方向電流密度大大減少，造成水平方向電場的強度大大降低。而在土壤不均勻，特別是上層土壤電阻率明顯大于下層土壤電阻率時，這一趨勢更加明顯。

4 結論

1）增設垂直接地極時應事先調查站區(qū)及附近的土壤特性，特別是要查明地中的土壤電阻率的變化情況。若地中有低土壤電阻率層，增設長垂直接地極，降低接地電阻效果更好。

2）發(fā)、變電站地網(wǎng)面積越小，增設垂直接地極的實際降阻效果就越明顯。

3）在高土壤電阻率地區(qū)，為了保證明顯的降阻效果，埋設垂直接地極的深井中宜灌注長效接地降阻劑;若發(fā)、變電站處在巖石較多的地區(qū)還可采用深井爆破的方式，將深井下半部的巖石炸裂，以使接地降阻劑沿著裂縫滲透，進一步增大降阻效果。

4）無論是單層土壤還是水平多層土壤的情況，垂直接地體裝設在地網(wǎng)邊角和外圍地方可最大限度降低接地電阻，而且盡可能使之均勻分布以拉開距離，使垂直接地體間互相屏蔽的作用盡可能減小。

5）均勻土壤中的立體地網(wǎng)應盡量采取“少根深鉆”的垂直接地體敷設方式，這樣降低接地電阻效果最好。

6）在多層土壤結構中，垂直接地體的降阻效果會隨著土壤結構的變化有不同的表現(xiàn)。在上層土壤電阻率較低而下層較高的土壤結構中，垂直接地應采用“多根淺鉆”的敷設方式；對于下層土壤電阻率較低的土壤結構，垂直接地體采用“少根深鉆”的敷設方式能取得很好的降阻效果。

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［7］山東電力工程咨詢院.華電萊州風電場工程可行性研究報告［R］.山東電力工程咨詢院，2007，6.

Grounding System Designof Substationin High Soil Resistivity Regions

This paper analyzes the restriction of grounding system design based on the requirements of equipment safety and personal safety,and discusses the limitation of conventional design methods in high soil resistivity regions with a real engineering project.Thereafter,a design method based on the CDEGS design software is proposed.The proposed method is validated by the calculation results of the grounding resistance,contact potential&step potential difference.

high soil resistivity；grounding design；substation

book=10,ebook=36

TM862

A

1007－9904（2010）04－10－05

2010－05－04

王文莉（1969-），女，研究生，高級工程師，目前從事電網(wǎng)變電站電氣設計工作。

鄒振宇（1979－），男，博士，高級工程師，目前從事電網(wǎng)變電站電氣設計工作。