俞　敏

中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041

胡振興

中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司　成都　610021

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火力發(fā)電廠土壤電阻率測(cè)量深度取值討論

俞敏*

中國成達(dá)工程有限公司成都610041

胡振興

中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司成都610021

探討火力發(fā)電廠土壤電阻率測(cè)量深度取值，提出合理取值范圍的建議，同時(shí)據(jù)此指明采用換地表土作為降阻措施作用不大。

土壤電阻率測(cè)量深度換土

火力發(fā)電廠土壤電阻率的大小，直接影響接地電阻的大小，從而又直接影響到接地網(wǎng)電位升大小。而接地網(wǎng)電位升，不利情況下可能達(dá)到5kV甚至10kV以上，直接影響到電廠中、低壓電氣設(shè)備及人身的安全。若接地電阻過高，必須采用降阻措施。火力發(fā)電廠一般占地面積較大，降阻措施成本相對(duì)較高。如采用的措施不合適，會(huì)造成投資浪費(fèi)或者處理難以到位的情況。

接地電阻計(jì)算誤差小、采用降阻措施合適的一個(gè)基本前提，就是土壤電阻率測(cè)量值誤差小，準(zhǔn)確反映土壤狀況。土壤電阻率測(cè)量是否準(zhǔn)確，測(cè)量深度是影響最大的一個(gè)因素。

1　土壤電阻率測(cè)量深度

1.1規(guī)范規(guī)定

《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測(cè)量導(dǎo)則》GB/T17949.1-2000第8.1.1條：“大面積接地網(wǎng)為期 18 年的記錄表明，其所測(cè)接地電阻值無甚變化，而在同一面積內(nèi)的土壤電阻率測(cè)量表明土壤電阻率變化很大(在淺層達(dá) 17: 1)……這表明大面積接地網(wǎng)的接地電阻是正比于深層土壤電阻率測(cè)定值的，在該深層土壤，土壤電阻率變化較小”。

《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065-2011第4.1.1條提到：“變電站站址的土壤電阻率測(cè)量一般最大的極間距為變電站區(qū)域的對(duì)角線的長度，以反映變電站工頻短路時(shí)散流區(qū)域的土壤特性。為了測(cè)量得到土壤的視在土壤電阻率隨極間距的變化特性，測(cè)量時(shí)的極間距應(yīng)包括 1、2、5、10、20、40、75、100、150、200、250、300m，大致以 50m的間隔直到最大極間距。”

《接地系統(tǒng)的測(cè)量》IEEE 81也指出，在接地體內(nèi)或臨近接地體的大地表面，電位梯度主要是上層土壤電阻率的函數(shù)?？墒墙拥伢w的電阻卻主要是深層土壤電阻率的函數(shù)，在接地體非常大時(shí)更是如此。而沖擊波的大地回路阻抗實(shí)際上僅僅受上層幾米土壤層的影響。

1.2文獻(xiàn)依據(jù)

日本川瀨太郎著《接地技術(shù)及接地系統(tǒng)》1.28.3節(jié)，指出土壤電阻率測(cè)量中電流在地中滲透的大致深度關(guān)系見圖1。

圖1　地中電流滲透深度

圖1為不同深度處相對(duì)O點(diǎn)處電流密度比值隨著深度不同而變化的規(guī)律，一般電流大概可滲透到2D深度。

(1)

王洪澤等編著《電力系統(tǒng)接地技術(shù)手冊(cè)》提出對(duì)不均勻土壤，宜采用四極法或五極法，并提出一種在變電站4個(gè)最大邊長上測(cè)量土壤電阻率，取加權(quán)平均值的土壤電阻率計(jì)算方法，并指出：“設(shè)計(jì)師們長期應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)表明，這種方法可滿足工頻交流接地工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求”。這種方法，其測(cè)量深度大概就是變電站最大邊長的一半。

美國土壤有限公司《地電阻率手冊(cè)》資料表明，土壤電阻率深度取4～5倍接地網(wǎng)對(duì)角線長度，測(cè)得的結(jié)果與實(shí)際比較接近。

解廣潤《電力系統(tǒng)接地技術(shù)》，對(duì)均勻土壤、不均勻土壤中直流電流以及交流電流分布均作了分析，指出對(duì)均勻土壤，電流極間距為L時(shí)，70.5%的電流滲透到深度L/4的地中，50%的電流滲透到深度L/2的地中，29.5%的電流滲透到深度L的地中。靠近接地體附近的交流電流分布與直流完全相同。接地電阻的計(jì)算可基于此。

曾永林《接地技術(shù)》提供了同傅良魁《電法勘探教程》相同地中電流密度計(jì)算公式及與解廣潤《電力系統(tǒng)接地技術(shù)》地中電流滲透深度相同結(jié)論。并在第286頁提供了一個(gè)二層及四層土壤的電阻率測(cè)量案例，在案例中指出電流的有效穿透深度必定大于電流極間距離的三分之一。

李景祿等著《實(shí)用電力極地技術(shù)》中第217頁指出“四極法測(cè)得的土壤電阻率，與電極間的距離a有關(guān)，當(dāng)a不大時(shí)所測(cè)得的電阻率，僅為大地表層的電阻率，其反映的深度隨a的增大而增加，一般測(cè)得的ρ值是反映0.75a深處的數(shù)值”。

綜合以上可見，電流極間距越大，越受深處土壤電阻率影響。當(dāng)火力發(fā)電廠高壓配電裝置發(fā)生短路電流入地時(shí)，有廠內(nèi)接地短路或廠外接地短路兩種情況，兩電流極間的距離也隨之不定，最近可能在廠外靠近電廠的桿塔短路點(diǎn)與變壓器中性點(diǎn)間，最遠(yuǎn)可能在系統(tǒng)中性點(diǎn)與電站短路點(diǎn)間。保守考慮應(yīng)按后者考慮，則電流極間距在幾十或上百公里以上均是可能的。此時(shí)根據(jù)以上文獻(xiàn)可見接地電流入地會(huì)比較深。這與實(shí)際工程中僅是表層3～10m內(nèi)換土的降阻措施實(shí)際沒有太大效果的經(jīng)驗(yàn)也是一致的。

2　測(cè)量深度對(duì)接地電阻計(jì)算值影響的仿真分析

以ETAP軟件仿真進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算方法選為有限元法，以一個(gè)雙層土壤電阻率土壤為例，接地網(wǎng)300m×300m，網(wǎng)格大小10m×10m。ETAP兩層土壤模型仿真對(duì)比見表1。

表1　ETAP兩層土壤模型仿真對(duì)比

以CDEGS軟件仿真進(jìn)行對(duì)比，接地網(wǎng)大小為200m×150m，采用間隔10m的均勻網(wǎng)格，接地體為480mm2鍍鋅扁鋼，假設(shè)其土壤結(jié)構(gòu)為5層，CDEGS五層土壤模型仿真對(duì)比見2。

表2　CDEGS五層土壤模型仿真對(duì)比

軟件仿真計(jì)算結(jié)果表明，土壤電阻率測(cè)得越深，接地電阻的計(jì)算誤差越小。因此，土壤電阻率應(yīng)測(cè)量得盡量深。

3　測(cè)量深度的經(jīng)濟(jì)性考慮

實(shí)際上，受制于成本、工程條件等因素影響，土壤電阻率測(cè)量深度總是有限的。且大多數(shù)工程情況下，上下層土壤電阻率差別不大。通常電流極間距300m以上時(shí)受場(chǎng)地影響工作難度較高，一般不宜超過；按50m深及100～150m各測(cè)2～3處，如果差別不大，可按50m測(cè)，如果差別較大，則應(yīng)按100～150m深度進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)對(duì)應(yīng)四極法電流極間距大概在200～300m。按這種建議的做法，與《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)相差不大，可保證有足夠精確度，又減少了不必要的成本，火力發(fā)電廠可以借鑒。

經(jīng)了解，國內(nèi)防雷接地方面地凱公司采用了一種自行研究的土壤電阻率測(cè)量方法，該法經(jīng)過10多年實(shí)踐證明有較高的準(zhǔn)確度。

由于電流極往往是接地網(wǎng)及系統(tǒng)中性點(diǎn)，因此電流極直接取為電站內(nèi)20m×20m地網(wǎng)及廠外另一電流極，見圖2。據(jù)地凱公司介紹，其經(jīng)驗(yàn)是一般廠外電流極在距離電站300m以上時(shí)差別就不大了。

圖2　地凱公司土壤電阻率測(cè)量原理

此方法效率和經(jīng)濟(jì)性較高，往往一天之內(nèi)就可測(cè)完，測(cè)量的點(diǎn)數(shù)和工作量小于常規(guī)做法，但其主要用在變電站地網(wǎng)測(cè)量，由于變電站占地面積相對(duì)較小，誤差較小是合理的。但對(duì)于發(fā)電廠，該20m×20m網(wǎng)格是放置在升壓站合適，還是全廠各取幾個(gè)點(diǎn)再取平均值，尚不清楚。若在發(fā)電廠內(nèi)采用該方法尚需進(jìn)一步的驗(yàn)證和研究，且電氣專業(yè)無法限定勘測(cè)專業(yè)采用的測(cè)量方法，只能規(guī)定其最小測(cè)量深度。

4　結(jié)語

火力發(fā)電廠土壤電阻率測(cè)量不宜太淺，土壤電阻率測(cè)得越深，接地電阻計(jì)算值越準(zhǔn)確。電氣專業(yè)應(yīng)對(duì)在勘測(cè)任務(wù)書中提出最小測(cè)量深度要求。綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素，深度一般建議在100m～150m間，對(duì)應(yīng)電流極間距在200m～300m左右。但對(duì)于土壤電阻率淺層與深層差別不大的地區(qū)，測(cè)量深度可降至50m，以節(jié)省投資。

接觸電勢(shì)、跨步電勢(shì)允許值主要受地表土壤電阻率的影響，計(jì)算該允許值應(yīng)采用地表1m內(nèi)土壤電阻率。

避雷針的集中接地裝置，采用的是沖擊接地電阻，計(jì)算其接地電阻應(yīng)采用地表大概5m內(nèi)土壤電阻率。

有些工程采用更換地表3m～10m深度內(nèi)土壤為低土壤電阻率土的降阻措施，實(shí)際是無用的，唯一的作用是降低地網(wǎng)與地間接觸電阻。而要達(dá)到該目的，僅需在接地干線敷設(shè)時(shí)周圍敷設(shè)一圈細(xì)土即可，且成本低。

1GB/T50065-2011 ,交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2GB/T17949-2000,接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測(cè)量導(dǎo)則[S].

3DL/T5091-1999,水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則[S].

4NB/T35050-2015,水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則[S].

*俞敏： 高級(jí)工程師。2000年畢業(yè)于四川大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)。從事電氣設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：13541109857，E-mail:yumin@chengda.com。

2016-05-31)