變電站地網工程設計方案

一、變電站接地概述

接地網作為變電所交直流設備接地及防雷保護接地，對系統的安全運行起著重要的作用。由于接地網作為隱性工程容易被人忽視，往往只注意最后的接地電阻的測量結果。隨著電力系統電壓等級的升高及容量的增加，接地不良引起的事故擴大問題屢有發生。因此，接地問題越來越受到重視。變電所地網因其在安全中的重要地位，一次性建設、維護困難等特點在工程建設中受到重視。另外，在設計及施工時也不易控制，這也是工程建設中的難點之一。因此，為保證電力系統的安全運行，降低接地工程造價，應采用最經濟、合理的接地網設計思路。

二、接地電阻降阻方法

為了達到降低接地網接地電阻之目的，首先需要從理論上研究降低接地電阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地電阻有以下兩種途徑，一是增大接地體幾何尺寸，以增大接地體的電容C；二是改善地質電學性質，減小地的電阻率ρ和介電系數ε。

接地網是在接地系統的基礎，由接地環（網）、接地極（體）和引下線組成，以往常有種誤解，把接地環作為接地的主體，很少使用接地體，在接地要求不高或地質條件相當優越的情況下，接地環也能夠起到接地的作用，但是通常的情況下，這是不可行的，接地環可以起到輔助接地地作用，主導作用是用接地體來完成的。決定接地電阻大小的因素很多，下面先來分析一下計算傳統地網接地電阻的公式（僅以接地環接地時）。

式中：

р（Ω.m）-----土壤電阻率；

        d(m)------------鋼材等效直徑；

S（m2）---------地網面積；

        H(m)------------埋設深度；

L(m)------------接地極長度(m) ；

A---------------形狀系數。

式（1）表明，傳統的接地方式在土壤電阻率已經確定的情況下，要想達到設計要求的電阻必須有足夠的接地面積，要降低接地電阻只有擴大接地面積，每擴大4倍的接地面積，接地電阻會降低一倍。

式（2）、（3）表明，在上述的接地網中，要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地電阻的一些常用的合理的方法。

1、增大接地網面積

由上面接地電阻的物理概念，大地電阻率ρ和介電系數ε不容易改變，而接地電阻R與接地網電容C成反比：從理論上分析，接地網電容C主要由它的面積尺寸決定，與面積成正比，所以接地網面積與接地電阻成反比。減小接地網接地電阻，增大接地網面積是可行途徑。一個有多根水平接地體組成的接地網可以近似地看成一塊孤立的平板，借用平板接地體接地電阻計算公式，當平板面積增大一倍時，接地電阻減小29.3%。

2、增加垂直接地體

依據電容概念，增加垂直接地體可以增大接地網電容。當增加的垂直接地體長度和接地網長、寬尺寸可比擬時，接地網由原來的近似于平板接地體趨近于一個半球接地體，電容會有較大增加，接地電阻會有較大減小。由埋深為零半徑為ｒ的圓盤和半徑為ｒ的半球電容之比４εr／２πεr可得，接地電阻將減小３６％。但是對于大型接地網，其電容主要是由它的面積尺寸決定，附加于接地網上有限長度（２～３ｍ）的垂直接地體，不足以改變決定電容大小的幾何尺寸，因而電容增加不大，亦接地電阻減小不多。所以大型接地網不應加以增加垂直接地體作為減小接地電阻的主要方法，垂直接地體僅作為加強集中接地散泄雷電流之用。唯一有效的途徑是采用深井接地。

3、人工改善地電阻率

在高電阻率地區采用人工改善地電阻率的方法，對減小接地電阻具有一定效果。例如，對于一個半徑為ｒ的半圓球接地體而言，其接地電阻的50%集中在自接地體表面至距球心2ｒ的半圓球內，如果將ｒ至2ｒ間的土壤電阻率降低，可使接地電阻大大減小。

設原地電阻率為ρ2，將ｒ至2ｒ范圍內的電阻率為ρ2的土壤用低電阻率的材料ρ1置換，則半圓球接地體的接地電阻為：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr

置換前的接地電阻RX為： RX=ρ2/2πr
R與RX之比為：         R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2

當ρ1<<ρ2，上式改寫為： R=RX/2=ρ2/4πr      

故接地電阻減小的百分數為５０%。另外由上式可以看出，用低電阻率的材料置換半球附近高電阻率的土壤，相當于將半球接地體的半徑由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地體幾何尺寸的增加，而使接地電阻減小。

4、深埋接地體

在地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方，可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。地的電阻率隨深度而減小的規律，往往在達到一定深度后，地電阻率會突然減小很多。因此利用大地性質，深埋接地體后，使接地體深入到地電阻率低的地層中，通過小的地電阻率來達到減小接地電阻的目的。

對于地電阻率隨地層深度的增加而減小不大的地方，由于地電阻率變化不大，增加接地網的埋深只是增大接地網的電容。利用電容的概念，電容具有儲藏電場能量的本領，它所儲藏的能量，不是儲藏在極板上，而是儲藏在整個介電質中，即整個電廠中：介電質中的能量密度，既與介電系數有關，又與電場的分布有關，因此，比起接地網的幾何尺寸小得多的有限埋深，所增加的儲藏能量的介質空間極為有限；在有限空間中的能量密度又小，儲藏的總能量也就增加不多，即電容增加不大，所以對減小接地電阻作用不大，不宜采用深埋接地體的方法減小接地電阻。深埋接地體和敷設水下接地網可以大大降低直流電阻，但對降低交流電阻作用不大，故*標不推薦使用該法。但結合基地航天測試實際情況，主要是低頻信號，此法簡單，效果明顯，可以使用。

5、敷設水下接地網

在有適宜水源的地方敷設水下接地網，由于水的電阻率比地電阻率小的多，可以取得比較明顯的減小接地電阻的效果。而且敷設水下接地網施工比較簡便，接地電阻比較穩定，運行可靠，但應注意水下接地網距接地對象的距離一般不大于１０００ｍ。

6、利用自然接地體

充分利用混凝土結構物中的鋼筋骨架、金屬結購物，以及上下水金屬管道等自然接地體，是減小接地電阻的有效措施，而且還可以起引流、分流、均壓作用，并使專門敷設的接地帶的連接作用得到加強。

三、接地網的設計與施工

接地工程本身的特點就決定了周圍環境對工程效果的決定性的影響，脫離了工程所在地的具體情況來設計接地工程是不可行的。設計的優劣取決于對當地土壤環境的諸多因數的綜合考慮。土壤電阻率、土層結構、含水情況、季節因數、氣候以及可施工面積等等因數決定了接地網形狀、大小、工藝材料的選擇。

1、 接地材料的選擇

現在廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料（最常用的如扁鋼）、接地體、降阻劑和離子接地系統等。金屬材料如扁鋼，也常用銅材替代，主要用于接地環的建設，這是大多接地工程都選用的；接地體有金屬接地體（角鋼、銅棒和銅板）這類接地體壽命較短，接地電阻上升快，地網改造頻繁（有的地區每年都需要改造），維護費用比較高，但是從傳統金屬接地極（體）中派生出類特殊結構的接地體（帶電解質材料），使用效果比較好，一般稱為離子或中空）接地系統；另外就是非金屬接地體，使用比較方便，幾乎沒有壽命的約束，各方面比較認可。降阻劑分為化學將阻劑和物理降阻劑，化學降阻劑自從發現有污染水源事故和腐蝕地網的缺陷以后基本上沒有使用了，現在廣泛接受的是物理降阻劑（也稱為長效型降阻劑）。在以下的討論中以非金屬接地塊、物理降阻劑和離子接地系統為代表進行探討。下面將設計中考慮的主要因素進行簡要的說明。

物理降阻劑（也稱為長效型降阻劑）。物理降阻劑是接地工程廣泛接受的材料，屬于材料學中的不定性復合材料，可以根據使用環境形成不同形狀的包裹體，所以使用范圍廣，可以和接地環或接地體同時運用，包裹在接地環和接地體周圍，達到降低接觸電阻的作用。并且，降阻劑有可擴散成分，可以改善周邊土壤的導電屬性。現在的較先進降阻劑都有一定的防腐能力，可以加長地網的使用壽命，其防腐原理一般來說有幾種：犧牲陽極保護（電化學防護），致密覆蓋金屬隔絕空氣，加入改善界面腐蝕電位的外加劑成分等方法。物理降阻劑有超過二十年的工程運用歷史，經過不斷的實踐和改進，現在無論是性能還是使用施工工藝都已經是相當成熟的產品了。

接地模塊是在通訊、廣電等部門廣泛使用的工程材料。基本成分是導電能力優越的非金屬材料復合加工成型的，加工方法有澆注成型和機械壓模成型的，一般來說澆注成型的產品結構松散、強度低、導電性能差，而且質量不穩定，一些小型廠家少量生產使用這樣的辦法；機械壓模法，是使用設備在幾到十幾噸的壓力下成型的，不僅尺寸精度較高、外觀較好，更重要的是材料結構致密、電學性能好、抗大電流沖擊能力強，質量也相當穩定，但是生產成本較高，批量生產多采用。選型時，盡量采用后者，特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的要求（如電力工作地、防雷接地）時，不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體的特點是穩定性優越，其氣候、季節、壽命都是現有接地材料中最好的，是不受腐蝕的接地體，所以，不需要地網維護，也不需要定期改造，但是，非金屬接地體施工需要的地網面積比傳統接地面積小很多，但是在不同地質條件下也需要的保證足夠接地面積才可以達到良好的效果。

離子接地體是傳統的金屬接地改進而來，從工作原理到材料選用都脫胎換骨的變化，形成各種形狀的結構。這些接地系統的共同點是結構部分采用防腐性更好的金屬，內填充電解物質及其載體組分的內填料，外包裹導點性能良好的不定性導電復合材料，一般稱為外填料。接地系統的金屬材料已經出現的有不銹鋼、銅包鋼和純銅材的。不銹鋼的防腐較鋼材好，但是在埋地環境中依然會多多少少的銹蝕，以不銹鋼為主體的接地系統不宜在腐蝕性嚴重的環境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料，銅包鋼是銅-鋼復合材料，鋼材表面覆蓋銅，可以節約大量的貴金屬—銅材。套管法或電鍍法生產，表面銅層的厚度從0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。純銅材料防腐性能最好，但是要耗用大量的貴金屬，在性能要求較高的工程中使用。由于接地系統大多向垂直方向伸展，所以接地面積大多要求很小，可以滿足地形嚴重局限的工程需要。特別是，補償類型的接地系統有加長的設計，筆者曾使用過加長至24米的接地系統，輔以深井法施工，可以達到非常好的效果。介紹的接地材料各有優勢，但是都有自身的局限。我們提倡各取所長，選擇適當的材料滿足不同的工程情況。

2、地網形式

地網的形狀直接影響接地達到的效果和達到設計要求所需要的地網站地積。首先應建立接地環（或接地面），提倡使用水平接地極（常用的是外部接地環）和水平垂直接地體配合使用。在很容易達到接地目的，要求低的接地中可以選用平面的接地方法（接地環接地）；一般應用接地體和接地環配合使用，形成三維的結構。

三維的接地有三種不同類型：等長接地、非等長接地和法拉第籠式接地。A、等長接地用相同的接地體，這種方式接地體的埋設深度基本一致，施工方便同時可以取得較好的效果。B、非等長接地是更科學的接地方式，采用不同的接地體相互配合，由于接地體長度和埋設深度不同，大大的加大了等勢面積，突破地網面積局限。要求設計人員對多種接地工藝有一定認識，本身施工并不困難，使用得當可以完成相當難度的接地工程。這種方法夜叫“半法拉第籠”接地工藝。C、法拉第籠式接地是多層水平接地網，用垂直接地體相互連接形成籠式結構。由于施工量大，并不常用。在設計中還應考慮地網集膚效應、跨步電壓等因數。

3、復雜巖土條件的設計施工

A、巖土類型

巖土直接關系接地的難度，設計中最重要的參數之一就是的是巖土的土壤電阻率，但僅僅考慮土壤這個參數是不夠的，還要考慮開挖（鉆進）難度、破碎還是整體巖石、持水能力等因數。有的巖土電阻率高，但是在整體巖石之間常有較好的土壤間隙層，在這樣的環境中，避開整體巖石，在間隙中開挖灌降阻劑效果很好。

B、地形制約

施工環境常常是受到各種情況的制約，按照理想的模式考慮大面積的地網是不現實的。有專家認為，接地面積一定后，如果接地極長度不超過地網1/20，要想突破局限是不可能的，即使做成整塊銅板也沒有用的。實踐中也應證了這一理論。所以，當地形局限時，我們可以考慮地網的縱深方向，使用離子接地系統或深井施工工藝。西昌某航天觀測站，土壤電阻率1100Ω.m，設備需要4Ω信號-屏蔽*地，考慮季節因數，應作到2.75Ω，而可供施工的面積只有8平方的狹長位置，采用加長（20m）離子接地系統3套安裝后，達到2.5Ω的接地電阻。

C、含水情況

一般來說，濕潤的土壤導電性較好，但是，實際工程中我們發現，當含水量超過飽以后，接地效果反而不好。當地底下有潮濕，接地體深入到這一層時，降阻效果會好得多。例如，云尾移動通訊站，土壤電阻率測量值1200歐，使用接地塊240塊，接地電阻達到1歐以下；同樣的，湖南柯壺口變電所也是1200歐的從土壤電阻率，地表破碎沙石層，但是開挖150mm發現潮濕土層，埋設接地塊80只，原預計達到4歐的地網，結果達到了1.2歐。

D、施工工藝

準確的施工工藝才能達到良好的設計的實施效果，看起來不重要的實施細節常常導致嚴重的后果。因為接地工程是隱蔽工程，當施工完成后，錯誤不一定馬上可以檢測到，即使發現問題補救也是很麻煩的，尤其是防腐細節。

使用接地模塊時，埋設應盡量選擇適合的土層進行，預先開挖80-100cm的土坑（平埋），底部盡量平整，使埋設的接地塊受力均勻。接地塊水平設置，用連接線使連接頭與接地網連接，用螺栓連接后熱焊接或熱融接，焊接完成以后應去處焊渣等，再用防腐瀝青或防銹漆進行焊接表面的防銹處理，回填需要分層夯實，保證土壤的密實和接地塊與土壤的接觸緊密，底部回填40-50cm后，應適量加水，保證土壤的濕潤，令接地塊充分吸濕。

使用降阻劑時，為了防腐，包裹厚度應在30mm以上。接地用的鋼材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角鋼；40mm×4mm或40mm×5mm的扁鋼；ф 50mm、h>3mm的鋼管。角鋼對角線長的約為70mm，短的約為56.6mm。若包裹厚度為30mm，地網開挖直徑尺寸應在130mm。對水平扁鋼來說，由于地面開挖高低不平，扁鋼本身彎曲不直，在施工中許多部位剛剛被降阻劑蓋住。這樣，鋼材實際上處在兩個介質的交界處，大大地加快了腐蝕程度，因此地網開挖尺寸也應該加大。我們認為垂直極灌降阻劑直徑以130—200mm為好，水平溝以150mm×100mm為好（扁鋼豎放）。這樣做的開挖工程量和降阻劑用量都會增加，但從整體降阻、防腐效果看是合理的。

離子接地系統埋深一般為3000-4000mm，當加長時相應加深，有條件的用鉆機施工。孔徑保證100-250mm（根據接地系統的形式選擇）。施工中應保證導電為輔料包裹密實，消除空管和氣泡。

四、接地網設計方案

1、引用標準

GBJ65-83     《工業與民用電力裝置的接地設計規范》

GB50059-92   《35-110KV變電所設計規范》         

GB50057-94   《建筑物防雷設計規范》             

DL/T621-97   《交流電氣裝置的接地》

2、環境概況

A、變電站總占地面積為××××平方米。

B、工程所在地土層平均厚度估算約為××××米；

C、工程為××kv變電站；

D、土壤電阻率××Ω·m設計；

E、變電站接地要求應為0.5Ω；

3、設計分析：

根據GBJ65-83《工業與民用電力裝置的接地設計規范》附表1.1接地電阻的計算公式計算，在不重新征地的情況下，僅靠普通環型地網即使設置普通垂直接地極（2.5m角鋼）也達不到設計要求，必須采用其他辦法大量地降低接地電阻，下降到常規地網方式接地電阻的17.3%，及降阻率82.3%。根據施工經驗，要達到一定的降阻率，需要采用的施工方式為（在電力地網中，采用大地網接地電阻率測試儀測量的情況下）：

綜上所述，基本方案中應選用的材料為：

1）、接地環采用50×5mm熱鍍鋅扁鋼；

2）、地極采取兩種：

a、  深井接地體采用Φ50×5mm螺紋探管，機鉆開孔；

b、  淺層接地體采用非金屬接地體；

3）、使用降阻劑作為降阻輔助材料；

4）、土壤（包含沙土）厚度為10米，水層平均深度以20米估算。深井應取30米為宜。

5）、需設計地面變電站接地網和水下接地網兩個地網，兩地網相連接。

為保障電力系統故障瀉流時，附近人員的人身安全，應盡量降低跨步電壓（接觸電勢），《工業與民用電力裝置的接地設計規范》GBJ65-83第2.0.8條規定，在人員出入路口使用礫石或瀝青覆蓋。其中，減低跨步電壓（接觸電勢）的主要方法是在地網中設置網格結構以降低跨步電壓。

4、設計方案

本工程為達到設計要求0.5歐姆的接地電阻（如附圖所示）：

1）  用雙層格柵結構的接地環結構，每米水平接地極（50×5mm熱鍍鋅扁鋼）使用15kg降阻劑；

2）  設置置00口30米接地深井，100米工程鉆機開孔，每米使用30kg降阻劑，中心金屬接地極采用Φ50×5螺紋探管；

3）設計00只Φ150×800非金屬接地體，與深井配合相成非等長結構，擴大等勢散流面積；

5、設計計算：

   接地體是地網接地效果的主要工作單元。常規的接地體為角鋼或圓鋼，其接地效果如下式：

Rd≈0.3ρ   參照《工業與民用電力裝置的接地設計規范》GBJ65-83附表1.1 

其中：Rd-----單只接地體的接地電阻

ρ-----土壤電阻率

要達到0.5的接地電阻，需要用的數量

N=Rd/(R×γ)

其中：γ------多只接地體的綜合利用系數，通常情況下取50%-80%。