关于大中型接地装置降阻措施的讨论

摘要:对大中型接地网的降阻改造措施进行了深入的分析研究。特别是对规程规定的:外延接地极;深井式接接极;降阻剂降阻;水下地网这四种降阻措施,以及每种措施的适用地质条件和场所进行了分析研究。重点讨论了水平外延接地;深井式接地和降阻剂降阻法的具体工程应用和在使用中应注意的事项。讨论评价了目前在接地工种中使用的降阻材料和方法。提出了大中型接地网的综合降阻法。

    关键词: 接地装置接地电阻降阻措施

    Research on Resistance Reducing Measure of Media-large Scale Grounding Device

    Li Jinglu Long Lihong Wan Xin

    Department of electrical power and information engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha, 410076

    Abstract: The resistance reducing measures of media-large scale grounding grid are deeply analyzed, especially the four specified measures in regulation including epitaxial grounding, deep-well grounding, grounding resistance reducing material under water grounding grid. Their applied condition and location are discussed. The practical application and some attentive problems about epitaxial grounding, deep-well grounding and grounding resistance reducing material are especially analyzed. Discussing the present resistance reducing materials and resistance reducing measures, some integrated resistance reducing measures about media-large scale grounding grid are proposed.

    Key words: grounding device, grounding resistance, resistance reducing measure 

    1、引言

    发电厂、变电所接地网的接地电阻是一个十分重要的参数，而有些发电厂、变电所接地网的接地电阻偏高直接影响了设备和人身的安全。对降低接地电阻的措施，规程［1］提出了四种降低接地电阻的措施，但这些措施在具体的工程实践中如何运用？如何用较少的投资达到较大的降阻效果，却不是一件容易的事。在实际接地工程中就曾发生过因采用的降阻措施与现场实际不符而造成投资大收益小的事情。还有一些在降阻措施使用不当而造成高电位外引留下安全隐患的，因而有必要对每种降阻措施的作用、适用场所和应注意的问题进行深入的分析和研究。另外在降阻材料的使用上,由于一些厂家的不正当宣传和某些产品的负面影响,也给降阻措施的采用带来一些误导,因而有必要对一些降阻材料的降阻机理和作用进行深入的分析和探讨。

    1、外延接地及其应用

    在规程中首推的降阻措施为:在高土壤电阻率地区,当在发电厂、变电所2000m以内有较低电阻率的土壤时,可敷设引外接地极;这就要求在确定降阻方案时要对发电厂、变电所周围进行认真的勘探、测量,测量出发电厂、变电所四周土壤电阻率沿水平方向上的分布,找出土壤电阻率较低和适合做引外接地的地方。因为在山区、丘坽地区土壤电阻率在水平方向上大都呈不均匀分布,即总有一些地方的土壤电阻率相对较低,可以的引外接地。在降阻措施中外延接地是最简单有效的,也是在接地工程中最常应用的措施。在决定外延接地时应首先根据可利用来做外延接地的地形、面积、土壤电阻率和接地装置应降低的电阻值来决定外延接地的大小。外延接地部分的接地电阻可用面积公式R=0.5 进行计算,但要注意该公式是在地网的网格达到一定的密度时，才可达到的值,一般情况是达不到该值的，只是如有可能可应用该公式确定外延接地的大致数值。如外延接地以水平地网为主且边缘闭合时,可由下式

    式中h--水平接地体埋深,m; s--地网面积,m2;L—水平接地体总长度,m;L0—接地网的外延长度,m;ρ—平均视在土壤电阻率,Ω.m; d—水平接地极的直径或等效直径,m;RG—等值方形地网的接地电阻,Ω;Re—任意形状边缘闭合接地因的接地电阻,Ω。

    对于边缘不封闭的外引接地可用下式计算其接地电阻,

    式中 Rg—工频接地电阻, Ω; ρ—平均视在土壤电阻率,Ω.m; L—水平接地体总长度,m; h--水平接地体埋深,m; d—水平接地极的直径或等效直径,m;A—屏蔽系数。

    对于外引接地除要满足降阻的需要外,更重的要满足安全的要求,即要严格限制高电位外引,即对引外接地要验算外延处的跨步电压要绝对满足

    式中ρs—外延处的地表土壤电阻率,Ω.m; t—接地短路电流持续时间s; uk—跨步电压v。

    对外延接地的跨步电压在外延接地设计时应进行最大跨步电压的计算,外延接地的跨步吨可按下式计算

    最大跨步电压为；

    U = K U （7）

    式中 U --最大跨步电压,v; K --最大跨步系数。

    对边缘闭合的地网

    式中n—地网网孔数; L—水平接地体总长度,m;L0—接地网的外延长度,m; h--水平接地体埋深,m; s--地网面积,m2。

    要保证外延地网的安全必须满足

    U <Uk （12）

    所以在设计外延接地时,应首先考虑降阻的需要决定外延地网的大小;再考虑安全的需要决定外延地网的网格布置、埋深和形状;还要考虑外延地网不被破坏和妨碍以后的建设等综合因素。同时在设计外延接地时还要尽量的考虑减少接地体之间的相互屏蔽,使之发挥最大的降阻效果,节约投资。

    2、深井式接地极及其应用

    当地下深层有较低土壤电阻率的地质结构时可采用深井式接地极进行降阻,或构成立体地网。采用深井式接地极时要求对接地装置及其四周测出垂直方向上的土壤电阻率分布。现场可采周等距四极法测量土壤电阻率,用等距四极法测量土壤电阻率时,改变间距离a时,可测出不同深度的土壤电阻率。因为等距四极法测土壤电阻率的极间距离与反应的土壤电阻率有0.75a的关系［2］,所以改变不同的极间距离可测出不同深度的土壤电阻率。单个深井式接地极接地电阻可按下式计算

    式中ρ—平均视在土壤电阻率,Ω.m; l—垂直接地极的长度,m; a—垂直接地极的半径,m; R—接地电阻, Ω。

    采用深井式接地极可减少占地,接地装置的接地电阻受气候影响较小,因接地问题在厂、站内解决不与周围农民发生关系,因而受到电力系统的偏爱。但采用深井式接地极同样要考虑屏蔽问题,深井式接地极一般应设在水平地网的边缘,深井式接地极之间的间距应达到接地极长度的2—3倍,才能取得较好的降阻效果［3］。现场适合于采用深井式接地极的场所较少,只有在地下有金属矿,或北方地表土壤干燥,而地下水丰富的场所才适用;而一般的地区往往都是深层土壤的土壤电阻率高于表层的土壤电阻率,特别是深层为岩石的山区和坵坽地区,深层土壤电阻率往往运高于上层土壤的电阻率，这时是不适合于采用深井式接地极的。再则深井式接地极的施工费用往往大于水平接地体施工费用的若干倍,就是均匀土壤采用深井式接地极也是不经济的。对于线路杆塔接地、避雷针接地等以防雷为主要目的的接地装置就更不宜采用深井式接地极, 而应以有效降低冲击接地电阻为主，因为雷电流是高频电流，有很强的趋肤性，一般沿地表散流，深层土壤散流作用很差［4］，所以深井式接地极对以防雷为主的接地效果不大。

    3、采用降阻剂降阻

    降阻剂的降阻效果是不可置疑的, 因为降阻剂已在实际的接地工程中得到大量的，长期的应用，并被写进国家标准和相关行业标准，如文[1]，所推荐的降阻措施中就有：“填充电阻率较低的物质或降阻剂”，降阻剂的降阻机理主要体现在以下几方面:

    （1）由于降阻剂的扩散和渗透作用［4］，降低接地体周围的土壤电阻率，关于扩散和渗透作用，一般化学降阻剂强于其他型式的降阻剂，膨润土类的降阻剂扩散和渗透作用较差，但降阻剂的稳定性和长效性与扩散和渗透作用是矛盾的。扩散和渗透好的降阻剂其稳定性和长效性都比较差，因为扩散和渗透性强的降阻剂容易随雨水的流失而流失。

    （2）接地体同周围施加降阻剂后，相当于扩大了接地体的有效截面，这机理对固体降阻剂和膨润土类降阻剂最为明显，而化学降阻剂和树指状的降阻剂随着时间的流失有效截面的增大则不太明显，会越来越小。

    （3）消除接触电阻，接地体的接地电阻可以分为两部分，一是接地体与周围的大地所呈现的电阻Rd；二是接地体与周围土壤的接触电阻Rj，Rj=Rd+Rj，Rj的大小与接地极周围的土壤有关，一般土质越密实，接触电阻越小，土壤越松散，接触电阻越大；接触电阻还与电极表面状况有关，接地极表面越光滑，接触电阻越小，接地极表面越粗糙，接触电阻越大。接地极生锈后，接触电阻会逐渐增大。接地体施加降阻剂后，会减少或消除接触电阻，但只有某些物理降阻剂和膨润土类降阻剂才具有这方面的功能，而化学降阻剂和流质降阻剂则不具有这方面的功能，有些降阻剂由于腐蚀还会使接触电阻变大。

    （4）降阻剂的吸水性和保水性改善并保持土壤导电性能，土壤的导电性能除了与土壤所含金属导电离子的浓度有关外，还与土壤的含水量有关。某些降阻剂具有较强的吸水性和保水性，如膨润土类降阻剂，具有较强的吸水性，吸水后体积膨胀并能长期保持水分成为浆糊状，使接地电阻一直保持稳定不受气候的影响。

    但是降阻剂在实际的工程应用中确实也存在有一系列的问题，比如降阻剂的腐蚀性问题，降阻效果问题，降阻稳定性问题，以及对地下水资源的污染问题。这主要是前一个时期降阻剂市场混乱，缺乏监督，一些厂家片面追求短期的降阻效果而忽略了降阻稳定性，长效性和对钢接地体的腐蚀，有的还对环境构成了污染，降阻效果也随着时间的推移迅速下降，接地电阻反弹，接地体受到严重的腐蚀，形成了很大的负面影响，造成一些用户对降阻剂产生了抵触情绪，有些单位甚至下文规定不准使用降阻剂。这里大多是由降阻剂的产品质量引起的，但也有一些是由于使用方法不当造成的。因而有必要在选择和使用降阻剂上下功夫,在选择使用降阻剂时应注意如下指标：

    （1）降阻剂的电阻率，要想获得理想的降阻效果，首先降阻剂本身的电阻率ρ值要小。用户在选择降阻剂时首先要考虑的就是降阻剂自身的标称电阻率,一般情况下,降阻剂自身的标称电阻率越小越好。

    （2）降阻剂对钢接地体的腐蚀率，降阻剂对钢接地体的腐蚀率要低，一些降阻剂对钢接地体有腐蚀作用，但也有一些降阻剂对钢接地体有防腐保护作用。降阻剂是否具有防腐作用，一般要看其对钢接地体的平均年腐蚀率是否低于当地土壤对钢接地体的腐蚀率，一般土壤对钢接地体的平均年腐蚀率为：扁钢为0.05~0.2mm/a；圆钢为0.07~0.3mm/a[2]。如果降阻剂对钢接地体的腐蚀率低于当地土壤对钢接地体的腐蚀率就认为降阻剂对钢接地体具有防腐作用;否则就认为具有腐蚀作用。

    （3）降阻剂的稳定性和长效性，我们希望接地装置的接地电阻一直稳定在某个值以下，不希望其经常变化，而某些降阻剂的降阻效果会随土壤干湿度的变化而变化，特别是一些无机降阻剂，离子类降阻剂，一旦缺水就会析出颗粒状的晶体，失去导电特性，还有一些靠非电解质导电粉末的降阻剂，或固体降阻剂，导电水泥等，其降阻效果受土壤干湿度的影响也较大。另外，有些降阻剂虽然具有较强的渗透性、护散性，在短期内降阻效果好，但容易随水分而流失，随着时间的推移逐渐失去其降阻效果，甚至失效，使接地电阻回升，这是我们特别应该注意的。

    （4）对环境有无污染，选择降阻剂时一定要选无污染，无毒性，使用安全的降阻剂，对降阻剂要看其组分，要查有无环保部门的检测报告。

    （5）使用是否方便，价格是否便宜，降阻剂的使用，特别是在山区送电线路杆塔接地使用时，应便于操作，方法简单，最后才是价格问题，要做综合的技术经济分析，即要满足性能上的要求，又要价格合理，经济。

    在降阻剂的使用上要特别注意:

    a、小型接地装置，降阻剂用在小型接地装置的降阻效果是非常有效的，如35KV及以下的变电所接地，送电线路杆塔接地，避雷针接地和微波信站的接地，使用降阻剂进行降阻是非常有效的，选用合适的降阻剂后，应严把施工工艺关，关键是要通过合理的设计，并按要求施工。

    b、大中型接地装置，大、中型接地装置由于其相互屏蔽作用，在接地网内部施加降阻剂效果并不明显，这时要结合合理的设计和施工来体现降阻剂的降阻效果，把降阻剂用在接地网四周，外延接地，及深井式接地。对发电厂、变电站网状接地体可采用不等量施加降阻剂法.即在地网四周和内部每隔一定的网格加大施加剂量.这样主要是减少屏蔽、充分发挥降阻剂的降阻效果。

    C、降阻剂的施工工艺问题，关于降阻剂的使用，一定要按厂家说明书上的方法使用和施工，一般要注意：①降阻剂要均匀的施加在接地体的周围，不能有脱节现象；②对施加降阻剂和不施加降阻剂的地方要有过渡措施；③降阻剂的埋深要足够，回填土要合格。

    4、铺设水下地网和利用自然接地体

    水电站因大都建在山区或山谷中,沒有地方铺设接地网,且大多为山岩,土壤电阻率极高,一般都在2500--5000Ω.m,要把接地电阻降到合格范围非常困难,但是对大中型水电站来说一般都有较大的水库。这时可以在水库中铺设水下地网。首先要测出水的电阻率,计算出水下地网的大小。水下地网的网格可用20mХ20m的网孔,有条件的可把水下地网埋在库底的泥土中,这样接地电阻值就少受水库水位高低的影响。对于河道式水电站可沿河流两边设置河岸接地装置。对于水电站来说应充分利用水工建筑、厂房、管道等自然接地体来进行降阻。另外对于城市中的小型化变电所,降阻困难时,可利用城市的地下供、排水管道和建筑物的基础等自然接地体进行降阻，但要经认真的计算,严防高电位外引。

    5、采用综合降阻措施

    对于一个接地工程采用一种降阻措施并不能把接地电阻降到合格范围，往往需要利多种降阻措施进行降阻，如采用外延接地加降阻剂法;深井接地加降阻剂法;或外延、深井、降阻剂法。如我们在浙江、安徽、湖北、江西、广东、云南等地运用外延加降阻剂法;外延加降阻剂加水下地网法成功地解决了多座变电站和水电站的降阻难题。采用综合降阻措施时,应首先分析计算出单一的降阻措施的降阻效果，再决定采用的复合补充措施，如采用外延加降阻剂的方法降阻时,要首先计算出仅采用外延时的降阻效果,与目标值相比较,看还相差多少,再根据降阻剂的特性计算出使用多少降阻剂。

    6、结束语

    对一个具体的接地工程采何种降阻措施,首先应根据接地短路电流值和电网的要求计算出接地电阻的目标值,再对接地装置所在现场的地形、地势进行认真的勘探测量,特别要测量出土壤电阻率在水平和垂直两个方向上的分布。看现场有无可以利用的自然接地体，找出有利于降阻的最佳条件,然后经过几种降阻方案的分析、比较、计算，通过技术经济分析筛选出最佳的降阻方案，在确保安全的情况下争取用最少的投资来取得最佳的降阻效果。

    参考文献

    [1] DL/T621-1997，交流电气装置的接地［S］中国电力出版社3-21。

    [2] 李景禄,实用电力接地技术［M］中国电力出版社93-99,202年第一版。67-99

    [3] 李景禄, 关于接地工程中相关参数取值的探讨［J］高压电器2004.4第40卷 264--266

    [4] 李景禄, 接地降阻剂应用及存在问题分析［J］高电压技术2004.3第30卷65-66