王宏波

【摘要】文章首先說明了接地系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要作用，結(jié)合常見的三種接地材料：鍍鋅鋼、銅覆鋼、紫銅，對其各自的耐腐蝕性、接地體連接方式、導電性能、機械強度、電阻率及熱穩(wěn)定性等方面進行了性能比較，確定了接地體截面選擇及其全壽命周期比較;然后通過接地電阻和短路電流的計算，設(shè)計了不等距接地網(wǎng)，以及對接觸電勢及跨步電勢進行了校核，最后討論了降阻措施的兩個方案。

【關(guān)鍵詞】接地材料;性能比較;接地電阻;降阻措施

1.引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對變電所接地設(shè)計的要求也越來越高。長期、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟的接地系統(tǒng)，是維持設(shè)備穩(wěn)定運行、保證設(shè)備和人員安全的根本保障，符合國家所提出的可持續(xù)發(fā)展、變電站全壽命管理的宗旨。接地系統(tǒng)中的主接地網(wǎng)不僅為變電站內(nèi)的各種電氣設(shè)備提供一個公共的參考地，而且在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠?qū)⒐收想娏魍ㄟ^地網(wǎng)迅速散流，限制接地網(wǎng)最大電位的升高，保證人身和設(shè)備安全。

重慶合川思居110kV變電站，位于重慶市合川區(qū)花灘片區(qū)，站址屬單斜地質(zhì)構(gòu)造單元的丘陵剝蝕地貌，最高海拔高程為276.74m，最低海拔高程為259.28m，相對高差為17.46m，站址經(jīng)平場處理后均可以滿足110kV變電站建設(shè)要求。

合川思居110kV變電站建設(shè)規(guī)模如表1所示。

表1 工程規(guī)模一覽表

項目名稱 本期 遠期

主變規(guī)模 2×50MVA 3×50MVA

無功補償 2×（3.6+4.8）MVar 3×（3.6+4.8）MVar

消弧線圈 2×400kVar 2×400kVar

110kV出線回路數(shù) 4回 4回

35kV出線回路數(shù) 1回 6回

10kV出線回路數(shù) 16回 24回

2.接地材料選擇

2.1 接地體性能比較

常見接地材料主要分三類：

（1）鍍鋅鋼：最常見且成本最低的接地材料，通常采用熱鍍鋅扁鋼水平接地體配合熱鍍鋅角鋼垂直接地極構(gòu)成。

（2）銅覆鋼：銅覆鋼是一種新型雙金屬復合材料，它既有鋼的高強度，優(yōu)異的彈性，較大的熱阻和高導磁性，又有銅較好的導電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性能。

（3）紫銅：即純銅接地材料，具有極高的防腐蝕性能，優(yōu)異的熱阻和高導磁性，但造價昂貴，工程實際應(yīng)用較少。

接地系統(tǒng)長期安全可靠運行的關(guān)鍵在于選擇合適的接地材料，下面分別從耐腐蝕性、接地體連接方式、導電性能、機械強度、電阻率及熱穩(wěn)定性等方面比較。

1）耐腐蝕性：接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種形式，多數(shù)情況下，這兩種腐蝕同時存在。

銅的表面會產(chǎn)生附著性極強的氧化物（銅綠），對內(nèi)部的銅有很好的保護作用，阻斷腐蝕的形成。鋼材是逐層腐蝕，鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性，但是一般只能在前十年起作用，十年以后鋼材的將考慮年腐蝕厚度，設(shè)備引下線按0.1～0.2mm/年考慮，主接地網(wǎng)按0.05～0.1mm/年考慮。

銅在酸性土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/2，在堿性土壤中腐蝕速度大約是鋼材的1/2～1/30，且銅材電氣性能和物理性能較鋼材更穩(wěn)定。

鋼接地體接頭和鋼接地體本身在腐蝕的過程中會出現(xiàn)點腐蝕情況，鋼材點腐蝕的速度是均勻腐蝕速度的4～60倍，正是由于點腐蝕的存在，所以無法通過增加鋼接地截面積的方法來增加其使用年限;銅不存在點蝕情況，壽命較長。

目前我國變電所接地系統(tǒng)均存在不同的腐蝕問題，特別是有些運行十年以上的變電所腐蝕相當嚴重。盡管在設(shè)計時已通過增大接地極截面來考慮30年的防腐問題，在實際運行中也采用部分開挖和測量接地電阻等方法來檢測腐蝕問題。但由于實際腐蝕情況更嚴重，以及鋼與銅的腐蝕機理不同，實施效果不太理想。

鍍鋅鋼接地極在中間一部分腐蝕相當嚴重，但測量接地電阻時，很難發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)腐蝕問題。一旦通過大的故障電流，由于截面太小，容易熔斷，從而導致故障電流不能通過接地網(wǎng)順利泄到大地，從而導致地電位升高，而出現(xiàn)“反擊”現(xiàn)象，對直流，保護，通信，信號等二次設(shè)備和低壓系統(tǒng)故障和損壞，甚至損壞變壓器等重要設(shè)備。

2）接地體連接方式：只有可靠的、牢固的鏈接才能保證接地網(wǎng)的運行可靠性。目前，鋼接地體之間的連接均為傳統(tǒng)的電弧焊接方式，高溫電弧會破壞接地體接頭部位的鍍鋅層，有可能導致點腐蝕的出現(xiàn)，嚴重影響接地體的壽命。銅接地體的連接方式一般為放熱焊接連接法，利用活性較強的鋁把氧化銅還原，整個過程時間很短，反映所產(chǎn)生的熱量足以使被焊接的導線端部融化形成永久性的分子合成。

3）導電性能好：銅包鋼材料的導電率為20%～40%IACS，在疏導電流相當?shù)那闆r下，銅包鋼的截面積理論上比鍍鋅扁鋼要小。

4）機械強度高：傳統(tǒng)鍍鋅鋼導體在打入地下時，鍍鋅層易脫落。銅包鋼導體由于銅層厚度大，銅層結(jié)合度高，因此在于土壤的摩擦中不會影響其防腐性能。

5）電阻率?。罕韺鱼~材料優(yōu)良的導電特性，使其自身電阻值遠低于常規(guī)材料。在一定程度上可降低接地電阻。

6）熱穩(wěn)定性能好：鍍銅鋼材的熔點為1084℃，短路時最高允許溫度為450℃;而鋼的熔點為1510℃，短路時最高允許溫度為400℃。因此接地體同截面時，銅材熱穩(wěn)定性較好。同等熱穩(wěn)定性能對應(yīng)鍍鋅鋼材接地體截面是鍍銅鋼材接地體所需截面的2倍。

2.2 接地體截面選擇

按DL/T621-2011《交流電氣裝置的接地》，未考慮腐蝕時，接地線的最小截面應(yīng)符合下式要求：

（1）

式中：Sg為接地線的最小截面，mm2;Ig為流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，A，對有效接地系統(tǒng)，為單（兩）相接地短路電流;te為短路的等效持續(xù)時間，s;C為接地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，鋼取70，銅覆圓鋼取135（根據(jù)《鍍銅鋼報告》），銅取210。

根據(jù)系統(tǒng)部分計算，合川思居110kV變電站在遠景規(guī)劃下的最大接地短路電流為單相接地短路電流，其值為10.41kA，接地系統(tǒng)的使用壽命按40年考慮。

（1）鍍鋅扁鋼截面選擇

接地材料若采用熱鍍鋅扁鋼，根據(jù)式（1）其接地引下線的最小截面為：

由于接地裝置接地導體的截面不宜小于連接至該接地裝置的接地引下線截面的75%。因此，主地網(wǎng)水平接地體的最小截面為：

由于初設(shè)階段沒有提供相應(yīng)土壤的年腐蝕率數(shù)據(jù)，本工程暫按照扁鋼年平均腐蝕速率0.065mm/年計算，60年后扁鋼損失的厚度為60×0.065=3.9mm。若變電站水平接地體的截面積選用50×6mm2的鍍鋅扁鋼，40年后接地體截面為：

能滿足熱穩(wěn)定要求。

（2）銅覆鋼截面選擇

接地材料若采用銅覆鋼，其接地引下線的最小截面為：

接地裝置接地導體的截面不宜小于連接至該接地裝置的接地引下線截面的75%。因此，主地網(wǎng)水平接地體的最小截面為：

根據(jù)NBS（美國國家標準局）實驗以及UL技術(shù)標準No.467規(guī)定最小的銅層厚度0.01mil （0.254mm），可以滿足60年使用壽命的要求。主地網(wǎng)采用直徑Φ14（截面為154mm2）鍍銅鋼絞線作為水平接地體配合Φ20鍍銅圓鋼作為垂直接地極，設(shè)備接地采用40×4mm2的銅覆扁鋼，鍍銅層厚度不小于0.8mm，相對導電率不低于20%。

（3）紫銅截面選擇

接地材料若采用銅，其接地引下線的最小截面為：

接地裝置接地導體的截面不宜小于連接至該接地裝置的接地引下線截面的75%。因此，主地網(wǎng)水平接地體的最小截面為：

根據(jù)計算主地網(wǎng)采用40×4mm2銅排，接地引下線采用截面為40×4mm2銅排。

2.3 全壽命周期比較

表2 采用鍍鋅鋼接地網(wǎng)材料表

材料名稱 型號及規(guī)范 單位 數(shù)量 備注

熱鍍鋅角鋼 L50×50×6L=2500mm 根 80 垂直接地極

熱鍍鋅扁鋼 —50×6 米 2000 水平接地體

焊接點 個 200 普通焊接

鍍鋅鋼接地方案的材料統(tǒng)計結(jié)果如表2，純銅接地方案的材料統(tǒng)計入下表3，銅覆鋼接地方案的材料統(tǒng)計入下表4。

采用鍍鋅扁鋼、銅覆鋼及銅的經(jīng)濟性分析分別如表5所示。

采用鍍鋅扁鋼、銅覆鋼及銅的經(jīng)濟性分析分別如表5所示。

變電站接地裝置的全壽命周期按60年考慮。將銅覆鋼與熱鍍鋅鋼及銅的全壽命周期經(jīng)濟性作對比分析，其中熱鍍鋅鋼一次性壽命按15年計，銅覆鋼和銅按60年計。

根據(jù)國網(wǎng)公司關(guān)于提高輸變電工程的使用壽命的指導文件，新設(shè)計建設(shè)的輸變電工程變電主要一次設(shè)備按使用壽命60年設(shè)計選型，與其配套的輔助設(shè)備，按照與主設(shè)備壽命匹配的原則進行設(shè)計。要求處理好壽命和成本的關(guān)系，充分考慮不同類型工程的投資水平，細化壽命需求，實現(xiàn)壽命與成本的合理匹配。

基于此要求，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，若采用鍍鋅扁鋼，即使已考慮了足夠大的截面，往往還可能發(fā)生接地網(wǎng)嚴重腐蝕的后果，在60年全壽命周期內(nèi)還需對其進行檢測及維護，甚至發(fā)生更換主接地網(wǎng)的情況，因此不推薦鍍鋅扁鋼作為本工程接地材料。

銅與銅覆鋼作為接地材料在國內(nèi)外均有大量的應(yīng)用實例，運行經(jīng)驗豐富，安全可靠。用銅層達到一定厚度的銅覆鋼材料做主接地網(wǎng)其壽命可達到60年，并且在同等規(guī)模條件下，銅覆鋼比銅更加節(jié)省工程投資，在全壽命周期里可以最大地節(jié)約成本。因此，本工程建議采用銅覆鋼作為接地網(wǎng)材料，銅覆鋼材料的銅層厚度可根據(jù)當?shù)赝寥栏g性實驗結(jié)果選擇。

3.接地電阻計算

3.1 不等距接地網(wǎng)設(shè)計

普通接地網(wǎng)一般采用等間距不知，即接地導體之間的間距基本相等。而不等距布置接地網(wǎng)的原理是考慮到接地網(wǎng)對中間部分導體的屏蔽性，接地導體的布置應(yīng)是中間稀疏，往接地網(wǎng)四周則應(yīng)布置得比中間部分密集，使所有接地導體得到充分利用。

等間距布置的接地網(wǎng)中每段導體的泄露電流密度數(shù)值相差很大，邊緣導體的泄露電流密度大約是中間導體的四倍左右，而不等距布置的接地網(wǎng)中，增大了中間導體的泄露電流密度分布，使每段導體的泄露電流密度分布比較均勻，邊緣導體的泄露電流密度密度與中間導體數(shù)值相差不大。因此，采用不等間距布置后，各導體的電流分布均勻，能有效改善點位分布，降低接觸電勢和跨步電勢。

使導體間距按指數(shù)規(guī)律分布，則距離中心網(wǎng)孔為n級的網(wǎng)孔間距為：

（2）

式中，C為壓縮比，dmax為中間網(wǎng)孔的邊長，也是按指數(shù)規(guī)律布置接地導體時最大的網(wǎng)孔邊長，如圖1所示：

圖1 按指數(shù)規(guī)律布置的地網(wǎng)示意圖

在長度為L的水平導體上不等間距排列N根導體時，可得到中心網(wǎng)孔間距為：

（3）

N為偶數(shù);

（4）

N為奇數(shù)。

根據(jù)以上定義可知，當給定地網(wǎng)邊長L和導體根數(shù)N時，只要確定壓縮比C便可得到地網(wǎng)的布置方案。因此接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計工作的目標就是尋找最優(yōu)壓縮比，使接地電阻、最大接觸電位差和最大跨步電位差達到最小值。本站C取值0.7。

橫向d值取值如下：

縱向d值取值如下：

3.2 入地短路電流計算

入地短路電流是指系統(tǒng)發(fā)生接地短路時經(jīng)地網(wǎng)向地中流散并引起接地網(wǎng)電位升高的那部分電流。所以，正確地考慮和計算各部分短路電流值，對合理地設(shè)計地網(wǎng)有著很大的影響。

按DL/T621-2011《交流電氣裝置的接地》，廠或所內(nèi)和廠或所外發(fā)生接地短路時，流經(jīng)接地裝置的電流可分別按下式計算：

（5）

（6）

式中：I為入地短路電流，A;Imax為接地短路時的最大接地短路電流，A;In為發(fā)生最大接地短路時，流經(jīng)發(fā)電廠、變電所接地中性點的最大接地短路電流，A;Ke1、Ke2分別為廠或所內(nèi)和廠或所外短路時，避雷線的工頻分流系數(shù)。

計算用的入地短路電流取上兩式中較大的I值。

站內(nèi)、外短路的分流系數(shù)暫按經(jīng)驗分別取值為0.5與0.1，考慮短路電流非周期分量影響后，合川思居變電站最大入地短路電流約為10.41kA。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地》（DL/T 621—1997）規(guī)程的要求：

有效接地和低電阻系統(tǒng)中變電所電氣裝置保護接地的電阻應(yīng)符合下式：

（7）

式中，R考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω;Ig為計算用的流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，A。

本站接地電阻應(yīng)滿足：

R≤2000/10410=0.192（Ω）

3.3 復合接地網(wǎng)的接地電阻計算

為簡化計算本計算暫忽略為設(shè)備接地而設(shè)立的接地體，如避雷器、變壓器中性點、避雷針等設(shè)備的集中接地裝置，因為這些接地體均布置在接地網(wǎng)內(nèi)部，它們對整個地網(wǎng)的安全影響較小，可以忽略。思居站復合接地體的接地電阻為：

=2.75（8）

R=2.75Ω，大于變電站電氣裝置保護接地的電阻值。

本站的二次電纜沒有引出，所有電纜均敷設(shè)在站內(nèi)，發(fā)生接地短路故障時，施加于電纜和二次設(shè)備上的電位不會是地電位升，其最大值不會超過所連兩端的地電位差。由于電纜所連兩點均位于站內(nèi)，其電位差應(yīng)當小于地電位升，其電位差最多為電流注入點的電位與變電站內(nèi)最小電位升的差，即站內(nèi)兩點之間的最大電位差。因此要求站的地電位升小于2000V過于苛刻，會付出巨大的不必要的代價。

另外，電力系統(tǒng)反事故的主要措施中有一條，即在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅接地帶，銅接地帶與地網(wǎng)連接，二次電纜與銅接地帶可靠連接，這樣短路故障時，由于銅接地帶的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，因此故障電流主要從銅接地帶中流過，而流過二次電纜的屏蔽層的電流較小，可以克服雙端接地時可能燒毀二次電纜的問題。

綜上所述，在合川思居110kV變電站接地設(shè)計中只需保證接觸電勢差和跨勢差滿足要求即可。

3.4 接觸電勢及跨步電勢校核

根據(jù)我國電力行業(yè)標準DL/T621-2011《交流電氣裝置的接地》中推薦110kV及以上有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點兩相接地時，接地裝置的接觸電勢Ut和跨步電勢Us不應(yīng)超過下列數(shù)值：

（9）

（10）

式中：為人腳站立處地表面的土壤電阻率;t為接地短路電流持續(xù)時間。本站t取0.2s。

按照（9）及（10）公式，變電站內(nèi)接觸電勢以及跨步電勢不應(yīng)超過下列數(shù)值：

由式：

（11）

（12）

（13）

可得：

取R1、R2中較大者，如此便可確定接地電阻最大允許值。

按預(yù)設(shè)接地網(wǎng)布置d=0.014m、n=10、h=0.8m、L=1850m、L1=202m、S=2440m2，計算Ktmax和Ksmax：

R1=504/0.177/10410=0.273

R2=859/0.056/10410=1.473

然而復合接地體的接地電阻為2.75。因此本站必須采取降阻措施降低接地電阻值。

3.5 降阻措施

方案一：換填土

即在接地網(wǎng)埋設(shè)溝內(nèi)采取低電阻率粘土換填。由于置換土深度一般不超過1.5米，故置換土只能改善水平接地電阻。

（14）

式中為換土后接地電阻，Ω;為置換材料的電阻率，20Ω·m;為原土壤的電阻率，300Ω·m;L為水平接地體長度（地網(wǎng)周長），202m;d為接地體等效直徑，0.014m;d1為接地溝底部內(nèi)切圓直徑，0.8m。

因此，單純采用換填土無法達到接地電阻要求值。

方案二：增加深井接地極

常規(guī)的深井接地極是一種最簡單的長垂直接地極。根據(jù)深埋接地體的接地電阻估算公式：

（15）

（16）

式中：RV為深埋接地體的接地電阻;ρ為深埋接地體的土壤等值電阻率;l為垂直接地極的長度;d為接地極的等效直徑。

孔數(shù)n=4個，單孔孔深H=50m、等效電阻率ρ等效=37.5Ω.m，R單孔=0.907Ω，取影響系數(shù)η0=1.30。則深井接地極接地電阻：

（17）

深井接地電極與變電站接地內(nèi)網(wǎng)（R內(nèi)=2.75Ω）并網(wǎng)后，整個地網(wǎng)接地電阻為：

（18）

滿足接地電阻不大于0.273?的要求。

4.結(jié)論

1）通過對鍍鋅扁鋼、銅覆鋼及銅技術(shù)及經(jīng)濟性方面的綜合比較，并結(jié)合工程實際情況，推薦具有良好防腐性能且近幾年推廣采用的銅覆鋼作為合川思居110kV變電站的接地材料。2）合川思居110kV變電站短路入地電流約為10.41kA，最大允許接觸電勢及跨步電勢分別為504V和859V。在滿足接觸電勢及跨步電勢要求的前提下，通過計算確定接地網(wǎng)的最大允許接地電阻為0.273Ω。3）全站主接地網(wǎng)采用不均勻網(wǎng)格布置，水平接地體采用直徑為Φ14的銅覆圓鋼，輔以直徑為Φ14mm的銅覆圓鋼垂直接地極，設(shè)備接地采用40×4mm2的銅覆扁鋼。4）為降低接地電阻，通過在本站四周打四口50m深井，用Φ100鍍銅鋼管埋入，并打入物理降阻劑，以達到降阻目的。5）接地材料選擇銅覆鋼材料，其壽命長、成本又相對較低，并根據(jù)遠景規(guī)劃下的短路電流計算結(jié)果選擇截面;采用非均勻布置方案優(yōu)化接地網(wǎng);以滿足接觸電勢和跨步電勢為降阻目標，在滿足人身和設(shè)備安全的要求下節(jié)約成本，符合國網(wǎng)公司提出的全壽命周期的理念。

參考文獻

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