吳曉紅，周甫慶，廖敏夫，葛國(guó)偉

（1．昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，昆明 650000；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

緩釋型離子接地裝置特性及優(yōu)化研究

吳曉紅1，周甫慶1，廖敏夫2，葛國(guó)偉2

（1．昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，昆明 650000；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

接地是電力建設(shè)的關(guān)鍵問題之一，關(guān)于電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。為了提高接地系統(tǒng)的性能，本文提出一種緩釋型離子接地裝置，通過內(nèi)外兩種降阻離子填料特性的協(xié)同，離子內(nèi)填料主要用于降阻，外填料主要用于保持延緩內(nèi)填料的消耗，進(jìn)而延長(zhǎng)接地裝置的使用壽命。通過理論分析建立了接地電極接地電阻分析模型，分析得到了緩釋型離子接地裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并設(shè)計(jì)了緩釋型離子接地裝置樣機(jī)，重點(diǎn)對(duì)離子接地裝置的不同配方、配比的內(nèi)外填料對(duì)接地電阻的影響試驗(yàn)研究，得到了緩釋型離子接地裝置內(nèi)填料和外填料的配方和配比。本文研究為優(yōu)化緩釋型離子接地裝置的性能和使用壽命有著參考和指導(dǎo)意義。

緩釋型離子接地；接地電阻；內(nèi)填料；外填料

0 引言

隨著國(guó)家智能電網(wǎng)向特高壓、大容量方向的發(fā)展，接地系統(tǒng)對(duì)于確保人身和設(shè)備安全，維護(hù)電力安全運(yùn)行的作用越來越重要，輸變電站對(duì)接地系統(tǒng)提出了更高要求[1－2]。

目前常用的提高接地性能的方法包括物理降阻和化學(xué)降阻兩類。物理降阻方法是對(duì)接地電極結(jié)構(gòu)、接地網(wǎng)、接地深度等進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，主要包括外延接地網(wǎng)、增設(shè)接地體、深井接地和三維立體接地等。物理降阻方法一般工程量大，成本高，效果不明顯。不同于物理降阻方法，化學(xué)降阻方式是從降低土壤電阻率方面入手，通過在接地極周圍的土壤中添加化學(xué)物質(zhì)，以降低土壤的電阻率，從而降低接地極的接地電阻。通過化學(xué)方法降低接地電阻效果顯著，但是容易散失，不具有長(zhǎng)效性，而且腐蝕接地電極，使用壽命較短。因此長(zhǎng)效、穩(wěn)定、低腐蝕率的接地裝置迫切需求[3－5]。

目前，國(guó)內(nèi)外的研究人員逐漸將研究方向轉(zhuǎn)向三維地網(wǎng)的建設(shè)。在接地面積受限的市區(qū)可以采用占地面積小、接地電阻受氣候影響小的深井式接地極，這種接地方式可以在站內(nèi)將接地問題解決[6－8]。2000年以后SZJ型接地裝置在電力系統(tǒng)得到一定的應(yīng)用，并取得了一定的效果，但裝置成本較高[9－11]。清華大學(xué)對(duì)爆破接地技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單根豎直的接地極使用爆破接地法可以使降阻物質(zhì)以樹枝狀均壓分布在裂縫中[12－13]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了更好的降阻方法，但由于成本和實(shí)施方面的問題并沒有得到廣泛應(yīng)用。

筆者提出了綜合物理和化學(xué)降阻方法的緩釋型離子接地裝置，該裝置與普通單根接地極不同，分外內(nèi)外兩管，通過內(nèi)外管的結(jié)構(gòu)和外填料的吸水性及保水性延緩降阻離子內(nèi)填料的釋放，延長(zhǎng)使用壽命。為對(duì)上述緩釋型離子接地裝置的特性進(jìn)行研究和優(yōu)化，筆者首先分析了緩釋型離子接地裝置的工作機(jī)理與結(jié)構(gòu)，然后通過接地極接地電阻分析得到了緩釋型離子接地裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過試驗(yàn)研究了不同配方和配比的降阻離子內(nèi)填料和外填料對(duì)接地電阻的影響，得到了使用于緩釋型離子接地裝置的內(nèi)外填料成分和配比，優(yōu)化了緩釋型離子接地裝置的性能，提高了其使用壽命，為電網(wǎng)建設(shè)和輸變電接地工程提供有效、可靠、長(zhǎng)壽命的接地方式。

1 緩釋型離子接地裝置原理及結(jié)構(gòu)

緩釋型離子接地裝置采用雙管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1和2所示，內(nèi)管內(nèi)填充降阻離子內(nèi)填料，外管內(nèi)填充具有吸水性和保水性的離子外填料。外管璧分布均勻的過濾孔，內(nèi)管璧旨在底部的1/3長(zhǎng)度分布均勻的過濾孔。另外在緩釋型離子接地裝置底部也分布均勻的過濾孔，過濾孔的主要作用是提供降阻離子的擴(kuò)散通道，這樣不僅可以延緩離子內(nèi)料的使用又可以降低接地電阻。

降阻離子內(nèi)填料以無機(jī)類離子劑組成，主要包括 NaCl、KCL、MgSO4、CuSO4、Na2SO4和（NH4）SO4等。這些無機(jī)類離子可以大大減低接地極的接地電阻。外填料需要具有保水性和吸水性，這樣外填料可以起到延緩離子內(nèi)填料釋放的作用。外填料主要成分為有機(jī)離子，例如丙烯酰胺、聚乙烯醇等。由于這些有機(jī)離子的結(jié)構(gòu)大多是三次型，為了增加其硬度需要使用固化劑。此外，還需要添加氯化鈉等電解質(zhì)化學(xué)物以降低其電阻率。為了降低接地電極的腐蝕，內(nèi)填料PH值控制在6～10之間。內(nèi)外填料緩慢釋放，使用較少且大部分可分解吸收，所以對(duì)土壤環(huán)境影響較小。

圖1 緩釋型離子接地裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Construct of the SRIGD

圖2 緩釋型離子接地裝置工作機(jī)理Fig.2 Mechanism of the SRIGD

緩釋型離子接地裝置的工作機(jī)理如圖2所示，內(nèi)填料通過內(nèi)管璧上的過濾孔擴(kuò)散到外管內(nèi)，外管內(nèi)的外填料和擴(kuò)散到外管內(nèi)的內(nèi)填料通過外管壁上的過濾孔向土壤四周擴(kuò)散、滲透，形成樹根狀結(jié)構(gòu)，外填料也具備一定的降阻性能，主要擴(kuò)散到接地裝置的上部，內(nèi)填料具有較好的降阻性能，主要滲透到接地裝置的下部，這樣既增加了接地極與土壤的接觸面積，降低了接地電阻，又有效了延緩的內(nèi)填料的釋放，提高了其使用壽命。

2 接地電阻影響分析

2.1 分析模型

一般通過積分的方法獲得接地電阻的模型。假設(shè)一根可以均勻散流的導(dǎo)體，導(dǎo)體的長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)s，那么，我們可以得到導(dǎo)體上任一點(diǎn)P的電位額表達(dá)式為[14]。

對(duì)于如圖3所示的導(dǎo)體布置結(jié)構(gòu)，線性導(dǎo)體兩端的坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2），P 點(diǎn)坐標(biāo)為（x0，y0，z0）。P 點(diǎn)電位為

圖3 地中線性導(dǎo)體段及其鏡像Fig.3 The grounding linear conductor and mirror image

線性導(dǎo)體的接地電阻R為

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述數(shù)學(xué)計(jì)算模型，選取計(jì)算邊長(zhǎng)l為0.5 m，導(dǎo)體半徑r為0.025 m的正方形接地網(wǎng)[16]。在土壤電阻率ρ為350 Ω.m，土壤不分層的條件下，分析不同深度 0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m 等對(duì)接地電阻的影響。

在其他條件不變的情況下，接地極的接地電阻與其鋪設(shè)深度成反比，如圖4所示。對(duì)于50 Hz的工頻電而言，當(dāng)接地極的鋪設(shè)深度增加0.2m，接地極的接地電阻可以降低4%。但是接地極的鋪設(shè)深度和接地電阻之間存在飽和效應(yīng)，當(dāng)接地極鋪設(shè)深度超過1m后，通過增加鋪設(shè)深度降低接地電阻的效果變得并不顯著。因此對(duì)于變通情況下，推薦水平接地電極埋設(shè)深度為1m。

圖4 接地電阻隨埋設(shè)深度變化曲線Fig.4 The interaction between the depth and grounding resistance

為了研究電極半徑對(duì)接地極接地電阻的影響，在仿真過程中接地極的參數(shù)設(shè)置為：深度1 m，土壤電阻率350 Ω/m。通過仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)接地極的半徑在30 mm以內(nèi)時(shí)，通過增大電極半徑可以有效的降低接地極的接地電阻，但是當(dāng)半徑在30 mm以上，通過增加半徑來降低接地電阻的效果并不明顯。通過以上分析，接地極的半徑應(yīng)在20～30 mm。

根據(jù)上述分析緩釋型離子接地裝置的電極外管半徑25 mm，長(zhǎng)度1 m。設(shè)計(jì)的緩釋型離子接地 裝置實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 緩釋型離子接地裝置樣機(jī)Fig.5 The prototype of the SRIGD

3 緩釋型離子接地裝置性能試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)電路

為了測(cè)量單根接地極的接地電阻，采用ZC－8接地電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，其接線方式如圖6所示，主要包括接地極（E）、電位接地極（P）和電流接地極（C）。E與接地體連接，P和C分別通過輔助電極插入距離接地體20 m和40 m的土壤中。ZC－8接地電阻測(cè)試儀的測(cè)量范圍包括：0～1Ω，1～10Ω，10～1 000 Ω。

圖6 接地電阻測(cè)試儀接線方式Fig.6 Wiring method of the grounding resistance tester

3.2 試驗(yàn)方法

1）降阻離子劑：根據(jù)常見降阻離子劑的成分[15]，按照不同的比例混合得到了8種不同的試劑，其成分可見表1所示，按照表1的組合，將上述試劑混合得到不同的離子內(nèi)填料，將離子內(nèi)填料填入緩釋型離子接地裝置，記錄接地電阻的變化情況，由于受到時(shí)間的限制，取接地電阻穩(wěn)定幾個(gè)小時(shí)的內(nèi)穩(wěn)定值作為參考值。

離子外填料需要具有保水性和吸收性，同時(shí)具備一定的導(dǎo)電性，本設(shè)計(jì)中外填料以有機(jī)類為主，并添加如固化劑和導(dǎo)電劑，這樣外填料混合形成的固化材料，提高接地性能，又可以保持延緩內(nèi)填料的釋放速度，保持離子內(nèi)填料緩慢釋放，提高其使用壽命。根據(jù)常見的有機(jī)離子劑的成分，并加入導(dǎo)電石墨，NaCl等，得到了外填料的試劑組合見表2所示。

表1 離子內(nèi)填料試劑表Table 1 The ion reagent of the internal filling

表2 外填料組合表Table 2 Combinations of the external filling

2）試驗(yàn)步驟：①按照內(nèi)填料和外填料的成分配置相應(yīng)的離子劑；②按照接地電阻測(cè)試電路，將緩釋型離子接地裝置添加不同的內(nèi)填料后埋入試驗(yàn)土壤中；③測(cè)試對(duì)比不同內(nèi)填料離子劑的效果，選取最佳的離子內(nèi)填料；④根據(jù)選取的內(nèi)填料改變其比例，得到最佳的比例配方。⑤在上述內(nèi)填料研究的基礎(chǔ)上，添加外填料，按照步驟②的方法測(cè)試外填料的效果；⑥通關(guān)上述方式，得到緩釋型離子接地裝置的內(nèi)填料和外填料的最佳配方和配比。

4 緩釋型離子接地裝置降阻離子填料優(yōu)化

4.1 不同內(nèi)填料離子劑研究

按照上一節(jié)的試驗(yàn)方法測(cè)試不同內(nèi)填料離子劑的接地電阻效果如圖7所示，從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，接地電阻降低并穩(wěn)定在一定值，這是由于離子劑從緩釋型離子接地裝置內(nèi)管向外擴(kuò)散、滲透到土壤中，進(jìn)而降低了接地電阻。從不同內(nèi)填料試劑的接地電阻效果分析可知，內(nèi)填料試劑2的效果最好，擴(kuò)散、滲透的較快而且降低接地電阻效果明顯，所以宜選用試劑2作為緩釋型離子接地裝置的內(nèi)填料。

圖7 不同離子內(nèi)填料試劑接地電阻效果Fig.7 The effect of the different internal filling

圖8 內(nèi)填料試劑2調(diào)整比例后接地電阻效果Fig.8 The different proportion of the internal filling

改變?cè)噭?中各個(gè)成分的比例，但為了滿足離子劑對(duì)接地電極腐蝕的要求，離子劑的PH值不能超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，按照此要求分別改變（NH4）SO4、Na-Cl、CuSO4、NaHCO3的 比 例 為 42.6% 、26.25% 、38.6%、44.6%得到不同比例離子劑對(duì)接地電阻效果的影響如圖8所示，通過對(duì)比分析可知，改變?cè)噭?配方后的接地電阻效果不如原配方且穩(wěn)定較差。所以應(yīng)該采用試劑2的原配方作為內(nèi)填料，其中（NH4）SO4、NaCl、CuSO4、NaHCO3的 比 例 分 別 為12.6%、30.8%、24.1%、32.5%。

4.2 不同外填料離子劑研究

在內(nèi)填料為試劑2的基礎(chǔ)上，按照表2中的四種外填料分別進(jìn)行緩釋型離子接地裝置的單電極接地試驗(yàn)研究，可以得到不同外填料對(duì)接地電阻的影響規(guī)律，具體如圖9所示，由上述數(shù)據(jù)可知，石墨雖然具有一定的導(dǎo)電性，但作為外填料和NaCl混合后的降阻效果不明顯，主要是由于石墨對(duì)內(nèi)填料的吸附作用，限制了內(nèi)填料的擴(kuò)散、滲透。降阻效果最好的是丙烯酰胺和NaCl，但外填料的主要目的是為了止接地極內(nèi)降阻劑的流失，延長(zhǎng)使用壽命，而聚乙烯醇的保水性和吸水性較好，同時(shí)它的降阻效果也較好，因此外填料宜選用聚乙烯醇和NaCl的混合成分。

5 結(jié)論

筆者通過對(duì)緩釋型離子接地裝置的結(jié)構(gòu)、原理及參數(shù)的分析，設(shè)計(jì)了緩釋型離子接地裝置樣機(jī)，并通過內(nèi)外填料離子劑不同配方和配比的對(duì)比試驗(yàn)研究，得到了適用于緩釋型離子接地裝置的內(nèi)外填料成分和配比，為進(jìn)一步提高接地性能和使用壽命奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要得到的結(jié)論包括以下幾方面：

1）通過接地電阻影響分析，確定了緩釋型離子接地裝置的長(zhǎng)度為1m，半徑為25mm，并設(shè)計(jì)了緩釋型離子接地裝置的樣機(jī)。

2）通過不同配方和配比的降阻離子劑的對(duì)比試驗(yàn)研究，得到了內(nèi)填料最佳的成分和配比。并綜合考慮接地性能和保水性及吸水性等，聚乙烯醇和氯化鈉是最佳的外填料成分。

3）針對(duì)緩釋型離子接地裝置的研究工作，為緩釋型離子接地裝置的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，該裝置的實(shí)際使用壽命有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖9 不同外填料的降阻效果Fig.9 The effect of the external filling on grounding resistance

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The Characteristics and Optimization of Sustained Release Ion Grounding Device

WU Xiaohong1，ZHOU Fuqing1，LIAO Minfu2，GE Guowei2
（1.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.，Ltd，Kunming 650000，China；2.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Grounding system which regards the reliability and the safety of the power system is a key problem of the electric power construction.In order to improve the performan of the resistance reducing effect，the sustained release ion grounding device（SRIGD）which is composed of the internal filling and the external filling is proposed.The internal filling is used to release to the soil to gain the perfect grounding effect while the external filling is used to keep suspend the releasing of the internal filling to prolong the service life of grounding device.The grounding resistance model of the grounding electrode is established to analyze the construct and parameters of the SRIGD.The prototype of the SRIGD is designed according to the above analysis.The influence of the different external filling and internal filling on the grounding resistance is investigated.The optimal recipe and proportion is gained by contrast test from different resistance reducing agent.The paper supplies the base of the SRIGD optimization and provides the reference of the extending the life.

sustained release ion grounding；grounding resistance；external filling；internal filling

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.012

2017－01－10

吳曉紅（1965—），女，高級(jí)工程師。主要研究方向：供配電及電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51277020；51477024；51337001）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專向基金（編號(hào)：DUT13YQ102；DUT15ZD234）。