干旱地区单层及多层介质土壤中降低接地电阻的方法

张 鑫 ， 陈 东 ，李 倩

(1.中国科学院近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；3.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州 730000)

1 工程概况

甘肃酒泉市金塔县新建35 kV北河湾变电站一座。变电站电压等级为35/10.5 kV；设有两台主变，容量为1×8000+1×4000 kV·A；35 kV电源进线1回，预留出线3回；10 kV出线6回；设有无功补偿电容器2组，其容量为1×1200+1×600千乏；设有35/0.4 kV所用变压器1台，容量为50 kV·A。接地电阻要求小于4 Ω。实测当地土质土壤电阻率为6000 Ω·m以上。本次研究主要目的是在解决接地电阻过高问题。

1.1 地形及地质构造

金塔县于中国西北部，河西走廊中段北部边缘地沙漠地带，位于东经 90°58′～100°20′、北纬 39°47′～49°59′之间。北河湾变电站站址选定在金塔县大庄子乡的紫山子，地处金塔县城北部低山山前冲洪积平原，地势呈西北高、东南低，为地势平坦的戈壁滩。属于我国典型的温带大陆性气候。

本区地处天山—兴蒙造山带北古生代褶皱带。构造轴向呈NW～SE。地层主要为呈平缓单斜的侏罗系砂岩，其中中侏罗系岩性为浅灰、灰白色的粗砂岩、细砂岩夹粉砂岩、泥质粉砂岩。上侏罗系岩性为紫红色砾岩，含砾粗砂岩、含砾粉砂岩。

上覆第四系冲积～洪积层，区内广泛分布，主要由中、粗砂，角砾，碎石等组成，层厚1～5 m。

1.2 岩土性质

岩土的物理力学指标参数值见表1。

表1 岩土物理力学参数

最大冻土深度为：1.15 m。

1.3 水文气象

(1) 水文条件

区域内地下水贫乏，水质差，水文地质条件简单。由于气候干旱及区域地形地貌条件，地下水补给不足，而且主要为就地径流和就地消耗蒸发蒸腾。第四系地层很薄，主要是各时代的基岩裂隙水，其径流模数很小，不足1 L/S·km2。地下水水位在70 m以下。

区内地表径流为黑河，在区内东侧30 km处流过。

(2) 气象条件

地区为大陆性气候，缺雨，干旱，风沙大；年平均降水量仅49 mm，且集中于六、七、八月，而年蒸发量达2235 mm，年平均气温7.9 ℃，形成冬季严寒，夏季酷热。

本区气象要素资料如下：最高气温40 ℃；最低气温-30 ℃；年平均气温7.9 ℃；年平均降水量49 mm；年平均蒸发量2235 mm；最大冻土深度1.15 m；最大风速30 m/s；主导风向多为西北风；年雷暴日7.1天；污秽等级Ⅲ级。

2 方案选择

2.1 接地条件

变电站基岩为砂岩，局部含有石英岩脉。深层砂岩电阻率应小于表层碎石层。按照国家电力行业颁布土壤电阻率参考值，当地土壤电阻率应在5000Ω·m以上。采用四级法对所址去土壤电阻率检测成果见下表2。

由表2可见，当地土壤电阻率均值＞6000 Ω·m。

2.2 接地要求

接地电阻应符合下式：

式中R为考虑到季节变化的最大接地电阻；I为计算用的流经接地装置的入地短路电流。公式中计算用流经接地装置的入地短路电流，采用在接地装置内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应按5～10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及避雷线中分走的接地短路电流。

表2 所址土壤电阻率测试结果

高压电气装置的接地装置，应符合下式：

式中R为考虑到季节变化的最大接地电阻；I为计算用的接地故障电流。变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

式中Ut为接触电位差，V；Us为跨步电位差，V；ρf为人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m；t为接地短路(故障)电流的持续时间，s。

3～66 kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值

2.3 方案筛选

（1）引外接地极

由于本地区处于沙漠地区，距离低电阻率土壤距离70 km，若采用引外接地极法，则铺设长度过大，造价高且沿途环境恶劣、维护困难，故不宜采用。

（2）扩大接地网面积

变电站有效接地网面积为2500m2（图1）。

图1 接地网形状Fig.1 Form of ground net.

接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差，计算

式中Utmax为最大接触电位差，V；Ktmax为最大接触电位差系数。

当接地极的埋设深度h=0.6～0.8 m时，

式中 Kd、KL、Kn和 Ks为系数，对(30×30) m2≤S≤(500×500) m2的接地网可按下式计算：

式中n为均压带计算根数；D为均压带等效直径，m；L1、L2为接地网的长度和宽度。

接地网外的地表面最大跨步电位差可按下式计算：

式中Usmax为最大跨步电位差，V；Ksmax为最大跨步电位差系数。

正方形接地网的最大跨步电位差系数可按下式计算：

T=0.8 m，即跨步距离。

对于矩形接地网，n值由下式计算：

式中L0为接地网的外缘边线总长度，m；L为水平接地极的总长度，m。

将接地电阻在本地区高电阻率土壤中降至5 Ω以下，还需增加接地面积7.2 km2。接地体面积过大，不适宜使用。

（3）所内局部换土

土壤电阻率的高低直接影响接地电阻的大小。可用土壤电阻率较低的土壤或接地降阻剂来更换接地装置周围的高电阻率土壤，以获得较低的接地电阻。但由于本地土壤电阻率远高于一般土壤，按其比值最多选用土壤电阻率1000 Ω·m土壤，仍然无法降低接地电阻。且由于变电站位于戈壁中，气候条件恶劣，换土后只能在短期内取得良好效果。由于降雨量稀少，蒸发量过大，土壤电阻率受气候影响会不断增加。再由于运输困难，大面积换土并不适用。

（4）所内立体接地

把接地网向纵深发展，充分利用深层的低电阻率地层。利用多个接地深井为短路电流提供一个快速的散流通道，将短路电流引至地层深处，充分利用深层的稳定的低电阻率地层，增加接地网的有效利用面积。同时，在接地网的周围采用自制接地模块进行集中接地，以降低接地网外缘的跨步电势。立体接地网能确保变电站的接地电阻在较长的时间内保持稳定、可靠，不受季节变化的影响，对周围环境影响小。综合以上考虑，采用深井满足建设要求。

水平接地极的接地电阻利用下式计算：

式中Rh为水平接地极的接地电阻，Ω；L 为水平接地极的总长度，m；h为水平接地极的埋设深度，m；d为水平接地极的直径或等效直径，m；A为水平接地极的形状系数。

水平接地极的形状系数可采用表3所列数值。

表3 水平接地极的形状系数A

水平接地极为主边缘闭合的复合接地极(接地网)的接地电阻利用下式计算：

式中Rn为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻；Re为等值(即等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻，Ω；S为接地网的总面积，m2；D为水平接地极的直径或等效直径，m；H为水平接地极的埋设深度，m；L0为接地网的外缘边线总长度，m；L为水平接地极的总长度，m。

表4 人工接地极工频接地电阻(Ω)简易计算式

3 方案实施

(1) 通过测量定位，在变电站的四个角上的适当位置布置4个深度为80 m左右的深孔接地井，深入低电阻率地层，孔中置入Ф40 mm的热镀锌钢管作电极，并施压灌注无腐蚀性的导电砼，以改善深孔电极周围土壤的导电性能，消除深孔电极的接触电阻，以此作为变电站降低接地电阻的主要措施。

(2) 在接地网外缘的适当位置布置12个1000 mm×2000 mm×150 mm的接地模块，以此作为降低接地电阻的辅助措施，同时也可以采用集中散流来降低接地网边缘的跨步电势。

(3) 按设计规范布置均压网及设备构、支架引下线，水平接地网埋深定为1.2 m。

(4) 各深孔接地井与水平均压接地网采用双引线多点相连，确保深孔接地井的降阻及散流效果。深孔接地极及水平接地体的连接按照电力行业规范执行，焊接部位涂沥青防腐。

4 结论

高土壤电阻率地区常常会成为阻碍工程建设的重大因素。故在设计初期往往会避让此类地区，以求减小设计难度。通过对高土壤电阻率地区接地进行探讨，合理优化。使其能够达到建设要求，对此类地区发展带来极大的便利。

对接地电阻进行测量、计算都需要留有一定裕度，尤其对分层土壤，要分别、多次进行测量，并考虑当地气候因素，以获得更准确的数据。在考虑各类处理方案时，应当对其实施后效果进行保守预测。在此次项目中，对地下结构进行反复多次勘探，对深层地质结构进行分析，以确定处理方案，以求在建设完成后获得良好的效果。

[1]高延庆,何金良,曾嵘，等.非均匀土壤中变电站接地网优化设计[J].清华大学学报(自然科学版), 2002,(3)：345-348.

[2]沈洪.青藏铁路防雷接地研究[J].冰川冻土，2003,(S1)：157-161.

[3]丘文千,沈扬.高土壤电阻率条件下变电所接地设计与实施[J].电力勘察设计，2006,(4)：73-77.

[4]万成华. 在沙漠地区施工中如何有效降低接地电阻值[J]. 水利技术监督,2007,(6)：64-66.

[5]吴汮, 李成保, 孙慧珍.原位条件下土壤电阻率变化的初步观测[J].土壤通报, 1985,(2)：84-85.

[6]章钢娅,刘顺民,孙慧珍.塔里木地区土壤电阻率的影响因素研究[J].土壤学报，2006,(1)∶

[7]Zhuang Chi-jie, Zeng Rong, Zhang Bo. Grounding System Design Method in High Soil Resistivity Regions[J].High Voltage Engineering,2008,(5)∶ 09-12.

[8]Qi Zhen-ting, Xiong Weibing, Ji Jun. Application of Electrical Resistivity Testin Engineering Geotechnical Survey[J].Underground Engineering and Tunnels,2007,(3)：53-55.

[9]Shu chen Li, Wei He, Kunpeng Fu, et al.. Research on Soil Resistivity with Four-probe Method[J].Journal of Yunnan Normal University(Natural Sciences Edition),2008,(1) ：53-57.

[10]李良福.气象因素与土壤性质耦合效应对土壤电导的影响[D].重庆∶西南大学,2010.

[11]中华人民共和国电力工业部. GB/T50145-2007 交流电气装置的接地DL/T 621—1997 [S]..北京∶中国电力出版社，2009.