酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 婁革偉 劉旭亮 李 娟

隨著荒漠戈壁地區(qū)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，以及工業(yè)和生活用電需求的不斷增加，電力系統(tǒng)的運(yùn)行容量隨之加大，使得該地區(qū)電廠、變配電所、高壓電氣裝置、桿塔架空線等發(fā)生單相接地故障時(shí)的入地電流升高，加之荒漠戈壁地區(qū)干旱少雨，土壤電阻率高，僅僅按照規(guī)范要求設(shè)置接地網(wǎng)，其接地電阻較高，在入地短路電流增加的情況下，地電位升高、接觸電壓和跨步電壓就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常允許值，對(duì)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行造成極大的威脅，同時(shí)對(duì)用電安全特別是用電檢修人員的施工安全也產(chǎn)生重大隱患。因此，有必要采取措施降低荒漠戈壁地區(qū)接地裝置的接地電阻。目前，常見(jiàn)的降低接地電阻的方法有添加降阻劑、導(dǎo)電混凝土置換、增加接地網(wǎng)埋深、引外接地、鉆孔爆破法降低接地極與土壤接觸電阻等[1]?？紤]到荒漠戈壁地區(qū)土壤性質(zhì)以及降阻可靠性等現(xiàn)實(shí)條件，本文著重對(duì)使用降阻劑后荒漠戈壁地區(qū)接地裝置接地電阻的降阻效率進(jìn)行研究分析。

國(guó)內(nèi)交流接地系統(tǒng)應(yīng)用降阻劑改善地網(wǎng)電阻的研究已近30多年，鄭瑞臣等對(duì)降阻劑的降阻機(jī)理進(jìn)行了研究和分析，提出在選擇降阻劑時(shí)，應(yīng)從降阻劑的電阻率、穩(wěn)定性、環(huán)境污染、對(duì)接地極的腐蝕以及價(jià)格等方面綜合考慮[2]。孟曉明等對(duì)耐腐蝕接地材料和降阻接地材料在高土壤電阻率地區(qū)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望[3]。張國(guó)鋒等人對(duì)降阻材料的降阻效率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)粉體狀的緩釋型降阻膏的降阻效率要遠(yuǎn)高于編織型接地模塊和快裝式接地極[4]。傳統(tǒng)降阻劑在實(shí)際電力系統(tǒng)應(yīng)用中存在較多問(wèn)題，諸如降阻效率低、易流失、長(zhǎng)效性不足以保證、污染土壤水源以及加速接地極腐蝕等。隨著材料科技發(fā)展，各種新型降阻材料不斷涌現(xiàn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中有效解決了上述問(wèn)題。李歡歡以鈉基膨潤(rùn)土為基材研制出一種低電阻率、高保水性、防腐性好的長(zhǎng)效鈉基膨潤(rùn)土復(fù)合降阻劑，有效解決了高土壤電阻率地區(qū)接地電阻過(guò)高的問(wèn)題[5]。

為了分析和研究降阻劑在荒漠戈壁地區(qū)接地裝置中對(duì)接地電阻的實(shí)際降阻效果，本文首先采用四極法對(duì)荒漠戈壁地區(qū)的土壤電阻率進(jìn)行了取樣測(cè)算，然后在CDEGS仿真計(jì)算軟件中建立接地網(wǎng)模型，并基于該模型對(duì)降阻劑的降阻效率及其影響因素進(jìn)行仿真分析，分別從降阻劑自身電阻率、敷設(shè)位置、敷設(shè)厚度、接地網(wǎng)面積等不同條件來(lái)對(duì)降阻劑的降阻效果進(jìn)行分析研究，總結(jié)規(guī)律，為降阻劑在荒漠戈壁地區(qū)接地裝置的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 荒漠戈壁地區(qū)土壤電阻率測(cè)算

常見(jiàn)的土壤電阻率測(cè)量方法包括土壤試樣分析法、三極法和四極法。我國(guó)現(xiàn)行接地設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦采用等間距四極法，即將四個(gè)測(cè)量電極沿一條直線打入土壤中，假設(shè)等間距為a，打入深度為b，然后測(cè)量?jī)蓚€(gè)中間電極之間的電位差，除以兩個(gè)最外側(cè)電極之間流過(guò)的電流即可得到一個(gè)電阻R，如圖1所示。

圖1 等間距四極法測(cè)土壤電阻率

根據(jù)得到的電阻值R和極間距a可以換算得到視在土壤電阻率：

其中，pa為視在土壤電阻率，R為測(cè)量得到的電阻，a為極間距，b為電極埋深b＜＜a。如果，上式可以簡(jiǎn)化為：

測(cè)量時(shí)如果極間距較小，則電流僅僅在土壤表面層流動(dòng)，當(dāng)極間距較大，較多的電流就會(huì)滲透到土壤深處；當(dāng)土壤層電阻率反差不大時(shí)，可以近似假設(shè)測(cè)量得到極間距a的電阻率代表深度為a的土壤視在電阻率。因此將pa與對(duì)應(yīng)的a繪制成曲線可以了解到土壤電阻率隨深度變化的情況。

為了能夠真實(shí)地測(cè)得荒漠戈壁地區(qū)的平均土壤電阻率，同時(shí)考慮含水量等因素的影響，分別在荒漠戈壁灘、生活區(qū)、湖河沿岸三處地點(diǎn)對(duì)土壤電阻率進(jìn)行取樣測(cè)試，得到視在土壤電阻率pa（折算到20℃）與深度a的曲線關(guān)系，如圖2所示。

圖2 荒漠戈壁灘地域土壤電阻率測(cè)量曲線

荒漠戈壁灘、生活區(qū)、湖河沿岸的土壤電阻率大約為2710Ω.m、2660Ω.m、2630Ω.m，綜合考慮，取平均土壤電阻率為三者均值，即2667Ω.m。

2 降阻劑降阻效率和影響因素分析

為較為真實(shí)地反映荒漠戈壁地區(qū)接地系統(tǒng)的電氣性能，首先根據(jù)測(cè)得平均土壤電阻率在CDEGS仿真軟件中建立荒漠戈壁地區(qū)的土壤模型，如圖3所示。然后模擬實(shí)際工況條件對(duì)仿真的電氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，接地網(wǎng)模型按照等間距水平接地網(wǎng)進(jìn)行考慮，接地極材料為普通鍍鋅圓鋼，降阻劑為普通膨潤(rùn)土降阻劑，其電阻率為1.8～4.2Ω.m，其他仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖3 荒漠戈壁地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)仿真模型

表1 CDEGS仿真參數(shù)設(shè)置

在不使用降阻劑時(shí)單根水平接地極的工頻接地電阻可由式（3）近似求得：

其中，Rh為單根水平接地極的工頻接地電阻，p為土壤電阻率，Lh為水平接地極的長(zhǎng)度，d為接地極的等效直徑，A為形狀系數(shù)取-0.6。經(jīng)計(jì)算Rh為38.229Ω。

2.1 降阻劑自身電阻率對(duì)降阻效率的影響分析

實(shí)際工程應(yīng)用中，采用電阻率測(cè)試儀測(cè)得的降阻劑實(shí)際電阻率往往比其標(biāo)稱電阻率要大很多。為了分析降阻劑自身降阻率對(duì)降阻效率的影響，在CDEGS軟件中建立等間距水平接地網(wǎng)模型，單根接地導(dǎo)體如圖4所示，接地極總長(zhǎng)度為100m，引下線為單端引下線，降阻劑敷設(shè)厚度為0.2mm，當(dāng)電阻率分別為4.2Ω.m、3.8Ω.m、3.4Ω.m、3.0Ω.m、2.6Ω.m、2.2Ω.m、1.8Ω.m時(shí)，采用表1所示參數(shù)設(shè)置，對(duì)不同條件下的接地電阻和降阻效率進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表2及圖5所示。

圖4 等間距水平接地導(dǎo)體仿真模型

圖5 降阻劑自身電阻率對(duì)降阻效率的影響

表2 降阻率自身電阻率對(duì)降阻效率的影響

可以看出，降阻劑的電阻率越低，電導(dǎo)越大，接地裝置的接地電阻也越低，降阻效率越來(lái)越好但整體降低幅度不大，并且降阻劑電阻率較高時(shí)，通過(guò)降低降阻劑的電阻率可以獲得一定的降阻效率提升，但達(dá)到一定程度之后，降阻效果不再提升。主要原因是在高土壤電阻率條件下，降阻劑對(duì)土壤的散流性能的提升是有限的，使用電阻率低的降阻劑并不能有效地改善荒漠戈壁地區(qū)接地裝置的工頻接地電阻。

2.2 敷設(shè)位置對(duì)降阻效率的影響分析

為分析研究降阻劑敷設(shè)位置不同對(duì)降阻效率的影響，在CDEGS仿真軟件中，假設(shè)有一水平接地體，長(zhǎng)度為120m，分成6段，每段長(zhǎng)度為20m，分別為0～20m、20～40m、40～60m、60～80m、80～100m、100～120m。降阻劑電阻率1.8Ω.m，敷設(shè)厚度0.14m，敷設(shè)長(zhǎng)度為20m，其他參數(shù)設(shè)置同表1?，F(xiàn)分別在接地體的6個(gè)不同位置進(jìn)行敷設(shè)降阻劑，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同敷設(shè)位置條件下降阻劑的降阻效率

當(dāng)降阻劑敷設(shè)在水平接地體越靠近端部區(qū)域時(shí)，降阻效率越高，敷設(shè)在端部的降阻效率要比敷設(shè)在中間位置的降阻效率高2.5%左右。這主要是由于在荒漠戈壁地區(qū)的接地裝置中，受到集膚效應(yīng)和端部效應(yīng)的影響，接地體的不同位置與土壤接觸時(shí)的散流特性是有差異的，因此對(duì)接地體特別是水平接地體來(lái)說(shuō)，降阻劑敷設(shè)位置不同，降阻效率就不同，越靠近接地體兩端進(jìn)行敷設(shè)，降阻劑的降阻效果就越好。

2.3 敷設(shè)厚度對(duì)降阻效率的影響分析

在CDEGS仿真軟件建立一水平接地體模型，長(zhǎng)度為100m，其他參數(shù)同表1。為分析研究降阻劑敷設(shè)厚度對(duì)降阻效率的影響，在CDEGS軟件中將降阻劑模擬為水平接地體的導(dǎo)體涂層，降阻劑敷設(shè)厚度以涂層厚度來(lái)表征。厚度分別設(shè)為0.04m、0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.16m。仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 敷設(shè)厚度對(duì)降阻效率的影響

隨著降阻劑敷設(shè)厚度的增加，降阻效率有比較明顯的增加，但其增加的幅度逐漸降低，在敷設(shè)厚度超過(guò)0.1m時(shí)，再增加降阻劑的敷設(shè)量，對(duì)接地電阻的改善作用效果不大，降阻效率最多不超過(guò)21%。這表明，使用降阻劑能有效改善荒漠戈壁地區(qū)高土壤電阻率條件下接地體周?chē)寥赖碾娮杪剩龃罅私拥伢w的等效散流半徑，從而起到降阻作用，但隨著降阻劑敷設(shè)厚度的增加，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，接地體和降阻劑之間的屏蔽作用增強(qiáng)，接地裝置的降阻效率的提高幅度逐漸趨于平緩。

2.4 接地網(wǎng)面積對(duì)降阻效率的影響分析

為研究不同接地網(wǎng)面積條件下，降阻劑對(duì)接地裝置的降阻效率，在CDEGS仿真軟件中構(gòu)建接地網(wǎng)模型，參數(shù)設(shè)置同表1，降阻劑沿接地體整體敷設(shè)，敷設(shè)厚度0.08m。接地網(wǎng)面積初始值為10m2，每次增加2m2做一次仿真計(jì)算，得到降阻效率與接地網(wǎng)面積之間的折線圖，如圖8所示。

圖8 接地網(wǎng)面積對(duì)降阻劑降阻效率的影響

由圖8可以看出，在相同的土壤條件及敷設(shè)參數(shù)下，隨著接地網(wǎng)面積的增加，降阻劑的降阻效率呈現(xiàn)下滑的趨勢(shì)。這主要是由于在高土壤電阻率地區(qū)，接地網(wǎng)面積越大，降阻劑所帶來(lái)的土壤散流特性提升越小，單純使用降阻劑并不足以有效地改善土壤電阻率高的缺陷。在降阻劑使用數(shù)量有限的情況下，接地電阻的減小更多地依賴于擴(kuò)大接地網(wǎng)面積或者是增加接地體數(shù)量，相對(duì)于接地網(wǎng)本身對(duì)接地電阻的影響，降阻劑的作用在接地網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)會(huì)越來(lái)越弱化。

3 結(jié)論

本文通過(guò)CDEGS仿真計(jì)算軟件研究了荒漠戈壁地區(qū)高土壤電阻率條件下，接地網(wǎng)中使用降阻劑后接地電阻的降阻效率、影響因素及其規(guī)律進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

一是所采用降阻劑的電阻率越低，降阻效率越高，并且降阻劑電阻率較高時(shí)，通過(guò)降低降阻劑的電阻率可以獲得較好的降阻效率提升，但隨著降阻劑的電阻率越來(lái)越低，降阻效率提升幅度基本不變，因此在實(shí)際工程施工中沒(méi)有必要追求采用低電阻率的降阻劑。

二是降阻劑敷設(shè)在接地體靠近端部時(shí)的降阻效率要高于敷設(shè)于其他位置。

三是提高降阻劑的敷設(shè)厚度，降阻效率會(huì)有比較明顯的增加，但其增加的幅度逐漸降低，在敷設(shè)厚度超過(guò)0.1m時(shí)，再增加降阻劑的敷設(shè)量，對(duì)接地電阻的改善作用效果不大，降阻效率最多不超過(guò)21%。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，不應(yīng)盲目增加降阻劑的使用量，適當(dāng)敷設(shè)既能保證降阻效率又節(jié)約成本。

四是隨著接地網(wǎng)面積的增加，降阻劑的降阻效率呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)。相對(duì)于接地網(wǎng)本身對(duì)接地電阻的影響，降阻劑的作用較小，實(shí)際工程中應(yīng)注意提高降阻劑使用時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。