山区水电站接地改造工程的设计探讨

山区水电站接地改造工程的设计探讨福州市防雷减灾管理办公室任秀文摘要:本文通过对某水电站存在的接地电阻偏高的原因的讨论，对山区水电站在接地上普遍存在的土壤电阻率高，可用场地小，地势险峻、地形复杂等因难因素进行了分析分析。依据在典型水电站在接地改造中取得的成功经验，提出了利用深井接地、电解离子接地体、并添加长效降阻剂降阻等复合的降阻措施对山区水电站在接地设计和降阻改造的方法。关键词:山区水电站接地电阻深井接地电解离子接地1、引言对于大多数山区水电站来说，一般都存在着土壤电阻率偏高、场地狭小、土层薄且土质大多为风化石、砂子，有的甚致根本沒有土层、完全为石头，土壤电阻率高达2000--3000Ω.m,有的甚致高达5000--8000Ω.m。因而给水电站的接地造成了许多困难，使许多山区水电站接地电阻严重偏高。山区水电站所在的地方，往往是雷电活动强烈的地方，由于水电站的接地电阻偏高,对防雷造成了极为不利的影响。如避雷器动作后由于残压叠加上接地电阻上的压降后,会使加到发电机等电气设备上的电压高而危及发电机等电气设备的绝缘。或者当雷电流入地时,电气设备外壳或接地引下线上产生较高的“反击”过电压而向二次线产生反云。同时也会在雷电流入地时冲击电位升高,产生严重的冲击电而干扰而影响微机保护、综合自动化系统的安全运行。近年来因为接地不良产生的雷电打坏主设备、打坏微机保护等控制设备的事故在中小型水电站时有发生,因而应对中小型水电站的接地问题引起充分的重视。进行认真的研究和探讨,找到有效降低山区小电站接地装置接地电阻的措施,做好山区水电站接地的降阻改造工作,保证水电站安全运行。2、案例项目概况某220KV输变电工程是某主电网保障供电的重点工程；该变电站目前已进入电力设备安装阶段。按照设计院原来的设计图纸，该变电站的接地网已经完工，处于待验收阶段。整个变电站的接地网除了变电站围墙以内部分外，尚包括路边和后面山上和水沟外的一部分，总面积达到25000米2，施工和设计单位自己的初步测试结果是R=1.6Ω，离设计要求R≤0.5Ω的1差距还很大。该接地网属于以水平接地体为主的大型地网，垂直接地体（一般是镀锌角钢L50×5×2500mm）只起集中接地极的作用（如避雷针、避雷线引下处和主变接地处等）。对于这样的大型复合接地网，根据电力行业标准《交流电气装置的接地》DL/T621—1997附录A（标准的附录）中的规定，接地电阻值可以用以下的简易公式来计算或估算：------------------------------------------（公式1）式中：R——接地网的接地电阻，Ω；ρ——土壤电阻率，Ω*m；S——接地网的面积，m2；从（1）式可以看出接地装置的接地电阻，与土壤电阻率ρ成正比，与接地网的面积的开方值s成反比,山区水电站由于土壤电阻率高、土质差、土层薄、接地体埋深不够、地网面积小，这就是造成接地电阻偏高的主要原因。将R=1.6Ω、S=38000m2代入该式可以得到：ρ=623Ω·m；查看《变电站土壤视电阻率测量成果》的报告，此土壤电阻率视在值应为5～15米中层土壤的电阻率，也就是说此地网现在的水平接地体和垂直接地体埋深等效位于此层土壤环境内。依据《变电站土壤视电阻率测量成果》的报告，此环境的电阻率垂直分布曲线的拐点在20米左右，也就是说20米为土壤分层点。目前，为了降低接地电阻，施工方已经按照图纸要求做了5个深井接地极，但由于深井打到20多米时已碰到岩石层，所以没有达到设计图纸40米深井的要求。变电站所在地址原来的地貌是：三个方向均为高地，另一个方向为低地，有两条溪沟流过，基础施工时，在低地的一面作了约4～5米高的护坡，然后将整个地基垫高到现在的平面，取土主要来自变电站后面的高地，并在该高地也作了护坡。这样，就使得变电站入口方向的土壤层比后面的土壤层要厚，15米以下土壤电阻率的测试表也基本反映了这个趋势。接地网作为变电站交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着重要的作用。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加，接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此，变电站的接地问题越来越受到重视。为保证电力系统的安全运行，降低接地工程造价，本设计采用了最经济、合理的接地网设计思路。3、山区水电站接地电阻偏高的原因分析2山区水电站一般接地电阻偏高的原因主要是以下原因造成的:（1）、土壤电阻较高造成,山区的土壤电阻率一般都偏高,特别是南方山区水电站的土壤电阻率一般都在2000--3000Ω.m,严重的甚致高达5000Ω.m。如我们在浙江某山区水电站四周测量土壤电阻率,低的为800Ω.m,大多在2000Ω.m.高的地方甚致达6000Ω.m。因接地装置的接地电阻与土壤电阻率成正比,接地装置面积一定时,土壤电阻率愈高,接地装置的接地电阻也就愈高,降阻难度也就愈大。（2）、土层薄,地质条件差,山区水电站处的土质一般为风化石土壤,或碎石土壤,土层薄,一般不足30cm,大多地方为岩石沒有土层,由于土层薄,就影响水平接地体和垂直接地体的埋深,经检查山区水电站接地装置的水平接地体的埋深一般都不到30cm,有的浮在地表;由于土层薄,垂直接地体打不下去，其深度一般都不到50cm。由于接地体浮在地表,一方面由于上层土壤土质松散,接地体不能与大地紧密接触,造成接触电阻大,且因土壤干湿度易变化,而造成接地体的接地电阻不稳定。另一方面由于上层土壤含氧量高,接地体易发生吸氧腐蚀,而使接地体与周围土壤之间的接触电阻增大。同时,由于腐蚀还会造成接地网裂解使部分设备失去接地。（3）、场地狭小,使接地网面积偏小,一般山区水电站都在山谷中,场地狭小,这就使水电站的接地网严重偏小。有的甚致沒有地方建接地网,如浙冮某水电站,由于受场地限制,发电机厂房就建在山洞内,户外110kv开关站则小得可怜,不到1000m2,这就给接地降阻带来非常大的难题。4、地网现状为了降低接地电阻，施工方已经按照图纸要求做了5个深井接地极，但由于深井打到20多米时已碰到岩石层，所以没有达到设计图纸40米深井的要求。变电站所在地址原来的地貌是：三个方向均为高地，另一个方向为低地，有两条溪沟流过，基础施工时，在低地的一面作了约4~5米高的护坡，然后将整个地基垫高到现在的平面，取土主要来自变电站后面的高地，并在该高地也作了护坡。这样，就使得变电站入口方向的土壤层比后面的土壤层要厚，15米以下土壤电阻率的测试表也基本反映了这个趋势。34.1、浅层接地网水平接地体埋深在0.8~1.2米左右，加上2.5米的垂直接地体，接地网的深度一般不超过4米，即使道路边的接地网外缘，按照图纸要求埋深5米，总的深度也不会超过8米，所以，地表以下6~15米的土壤电阻率测试表可以比较客观的反映各处接地网和均压带的接地效果。从表中可以看出，入口左侧和入口外道路边的土壤电阻率较好，右侧围墙外部分已征地块的土壤电阻率也不错，但是由于左侧有很高的护坡，该处的接地体应该没有得到很好的利用。降低大型接地网的接地电阻的最直接的做法是增加接地网面积，现在也正在努力征地。但即使是左侧的地块能够征下来，也很难使接地网符合要求。因为地势较底，又比较潮湿，左侧的土壤电阻率要明显要低于现做接地网的地方，假设ρ=250Ω*m，如果征地面积为10000m2以上，用公式（1）很容易计算出新建接地网的接地电阻：其中：R总=1/（1/R新+1/1.6[原有地网电阻]）面积S=1000015000200002500030000电阻R新=1.251.0206210.8838830.7905690.721688总电阻R总=0.7017540.6231320.5693560.5291250.497354可以看出，即使不计及两个接地网之间的屏蔽系数，要达到变电站接地电阻R≤0.5Ω的要求，需要至少30000平米的征地，明显既不经济又不现实。按照整个接地网来计算，当R=0.5Ω时，各种土壤电阻率所需要的接地网面积。计算结果列于下表：土壤电阻率ρ=200250300350接地网面积S=400006250090000122500由表可以看出，纯粹有水平接地体组成的接地网，在目前的征地基础上，甚至重新征到另一块相当的地，都很难使接地网的电阻合格。4.2、深井接地极依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容。当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为半径为ｒ的圆盘和半径为ｒ的半球电容之比4εr／2πεr可得，接地电阻将减小36%。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸4决定，附加于接地网上有限长度（2～3ｍ）的垂直接地体不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。唯一有效的途径是采用深井接地。《交流电气装置的接地》DL/T621—1997附录A（标准的附录）中的规定，单根垂直接地体的接地电阻可以按照下列公式计算：---------------------------------（公式2）式中：Rv——垂直接地极的接地电阻，Ω；ρ——土壤电阻率，Ω*m；l——垂直接地极的长度，m；d——接地圆钢的直径，m；角钢时d=0.84b，b为角钢的单边宽度；当土壤电阻率取测试表中的最小值250Ω*m时，单个深井接地体的接地电阻如下表所示（接地体采用镀锌角钢L50×5×2500mm）：接地体长度L2040电阻Rv16.40298.8911当然，如果深处有地下水或低电阻率土壤等存在时，情况就大为不同。这时，主要需要考虑的是水平接地体的屏蔽问题。当深井地极的长度不到地网对角线长度1/10时，不在地网边缘的深井地极，对降低整个接地网电阻值的贡献是很小的。4.3、地网效果根据与别的条件基本相同的变电站接地网比较，即使不采取特殊的技术措施，只采用了上述的施工手段，该接地网的接地电阻值应该小于1Ω，但实际情况却远没有达到这样的水平。因此可以认为，现有接地网的接地效果比设计时所认为的要差，主要原因可能有以下几条：1）降阻剂的使用量太少：虽然理论上认为均压带施加降阻剂对降低接地电阻值的贡献不大，但实际上起码可以增强均压带的均压作用；特别是对潖江站这样的站内土壤电阻率极不均匀的情况，这一点尤其重要，因为均匀的接地结构可以降低站内的地电位压差。降阻剂增强均压带的均压作用，主要是因为降阻剂可以改善站内的土壤电阻率，同时，也当然地会降低部分的接地电阻。52）接地网3面是岩性高地，1面是5米高的护坡，这些都会影响接地电流的横向泄放通道，使实测接地电阻很高。接地网外缘的垂直接地极数量少，这样，一会影响深层土壤的利用率，二会影响接地网的效果面积的扩展。当然，也会有一些其它的影响，如换土太少并质量不好等。5、改进手段分析对于大型接地网，要降低接地电阻值，一般可以采取这样的一些措施：a)扩大接地网的面积，并尽量将扩大的接地网建在电阻率低的地方；b)改善地网的土壤电阻率，包括换土和降阻剂的施放；c)利用深层优质土壤和地下含水层，包括深井接地极或类似深井地极的方法；d)建立特殊的接地网，例如水下接地网等。以上方法各有利弊，当仅靠一种方法很难解决问题或投资过大时，可以考虑同时采用几种方法。5.1、征地扩建为了达到降低接地网接地电阻之目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地电阻有以下两种途径：一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率ρ和介电系数ε。由上面接地电阻的物理概念，大地电阻率ρ和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面积成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减小接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式，当平板面积增大一倍时，接地电阻减小29.3%。