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接地五金件高土壤電阻率地區變電站接地網長效降阻的實現
摘要：廣州番禺110kV祈福變電站所處地域的土壤電阻率較高，地網電阻值高達1.3Ω。為使地網電阻達到國家標準，首次在國內采用了世界先進的接地系統輔助設計工具——CDEGS軟件包對祈福變電站接地系統進行了可行性設計論證，并予以實施。最終使地網電阻降到了0.2Ω以下，確保了設備的安全運行。在此基礎上，更縱深考慮了如何使在高土壤電阻率地區的變電站設計和改造工作更加科學合理，為今后在探討相關工作時提供一套較完整的可行性系統解決方案。廣州番禺110kV祈福變電站于2000年建成運行，位于高土壤電阻率的丘陵地區，是典型的郊區戶外敞開式變電站，地網電阻值高達1.3Ω，嚴重威脅著設備安全運行。因此，必須進行工程改造。如何采取有效措施，使高土壤電阻率地區地網的接地電阻符合國家標準的規定，是擺在我們面前的重要課題。我們在參照以往工程設計、研究成果和經驗的基礎上，深入了解了當今世界接地系統設計的最新進展，綜合考慮了現場的地理環境特點，采用當今世界上最先進的輔助設計工具進行了工程分析設計及對方案的充分論證，提供一套較完整的系統解決方案，付諸工程實踐，達到了降低地網接地電阻的目的。
1接地系統輔助設計軟件包的簡介我們與國內某著名大學電機系合作，首次在國內采用了世界先進的接地系統輔助設計工具——CDEGS，對測量數據進行處理，對各種方案進行校核。CDEGS是加拿大SES公司（SafeEngineeringServices&TechnologiesLtd）推出的集成工程軟件包。CDEGS（currentdistribution，electromagneticinterference，groundingandsoilstructureanalysis）是精確接地系統設計分析、電磁干擾分析、交流信號干擾抑制研究等一系列功能模塊的集合。CDEGS的核心主要是計算在穩態、故障、雷擊和暫態條件下，由地上或地下導體所構成的任意形狀網絡周圍的電磁場分布與導體及地表電位分布。該軟件包的總體設計師（亦是SES公司的創始人）FDawalibi是目前國際上知名的接地系統設計分析、電磁干擾研究領域的權威。
2土壤真實電參數的獲取高土壤電阻率地區變電站接地網長效降阻的實現
2.1現場測量不同測量間距下的土壤視在電阻率為了得到該地區的土壤分層情況，我們分別于2002年7月、10月到該變電站站址進行了現場測量。我們所采用的是大家所熟知的Wenner方法。測量接線圖如圖1所示。由于土壤分層的存在，導致以上測量得到的土壤電阻率并非某一層的真實電阻率，而是綜合各種情況時的視在電阻率。測量時，通過改變極間距a，可以得到相應電流電壓法的電壓Ua與電流Ia數值，并根據測量結果，利用以下公式計算得到相應的視在電阻率：式中：ρa——視在電阻率；a——測量間距；Ua——電壓數值；Ia——電流數值。計算可得視在電阻率ρa（電流電壓法）。兩次測量的方向不同，季節也不同。結果分別見表1，表2所示。高土壤電阻率地區變電站接地網長效降阻的實現來自由表1和表2我們可以看出，兩次測量的結果有比較大的差異。一是由于測量方向不同，第一次引線布置在水塘邊，第二次在山上，這樣底層電阻率差異比較大；二是由于第一次在夏季測量，第二次在冬季測量。因此兩次表層電阻率也有比較大差異。
2.2土壤地質分層結構的分析根據以上視在電阻率隨測量極間距變化的關系，我們利用建立在電磁場散流理論基礎〔1〕上的土壤參數計算程序RESAP〔2〕對以上數據進行了分析、計算。當用戶輸入由Wenner,Schumberger或任意電極布置方法測得的土壤視在電阻或電阻率后，RESAP程序就可給出與測量結果非常接近的土壤分層結構。但是這種計算需要比較深的理論基礎以及較多的實際設計經驗，因為這一程序需要人工干預才能夠得到滿意的結果。
表3是由RESAP程序得到的土壤真實電阻率分層情況。表
3計算結果可以看出：表層土壤電阻率比較大，中間層土壤電阻率相對較小（這是由于地下水所致），而深層土壤電阻率相對較大（地下巖層起作用）。因此，我們不難發現，如果只是采用水平地網，短路電流的流散存在較大的電阻率層阻擋，適當深度的垂直極會對于降低接地電阻有較好效果。3接地系統降阻的可行性論證針對施工現場具體的地形、地質條件，我們選擇了幾種基本可行的設計方案，分別進行分析計算。分析計算的主要輔助工具是CDEGS軟件包中的MALT模塊，它被廣泛應用于電力系統接地網絡分析和非屏蔽金屬導體與管道的散流特性的研究。MALT可以根據電力系統發、變電站，輸電線路桿塔附近的土壤特性，建立起均勻的或水平、垂直、半球形的多層土壤結構模型。并以此模型為依據，分析計算出接地電阻、地電位升、接地系統土壤中任意點的電位和接觸及跨步電壓，以及鄰近與主網不連接導體的感應電勢分布。MALT的計算是建立在以下假設基礎上的，即：所有的導體是非屏蔽的，相互連接的導體在工頻范圍內是等電位的。顯然，這一假設在我們這里是滿足的，由計算結果也可以看出這一點。根據湖南省電力勘測設計院提供的入地短路電流值約為16000A。
3.1原有地網方案論證原地網水平占地面積約為90m×130m，按水平地網常規設計對接地電阻進行計算，有關參數為：水平接地體間距約為6m；水平接地體采用50mm×5mm鍍鋅扁鋼；水平接地體埋設深度為0.8m；地網布置為常規水平網格布置。經計算（由CDEGS軟件包計算論證），接地電阻為1.49Ω。由軟件模擬計算的結果比實際測量的結果1.25Ω要大，主要是因為我們在計算土壤電阻率時的取值是由測量點處電阻率均勻計算所致。這一電阻率值遠不能達到規程中0.5Ω的要求。因此，必須考慮其它設計方案進行降阻。如果僅僅采用增大接地網面積的設計方案，要想降低到規程要求的范圍，幾乎是不可能的。因此我們考慮向縱深發展的策略。
3.2在站址西側加垂直極方案論證（無爆破）高土壤電阻率地區變電站接地網長效降阻的實現在不改變現有變電站設計面積的情況下，考慮用加設垂直接地極的措施來降低接地電阻，方案如下：水平接地體間距約為8m；水平接地體采用50mm×5mm鍍鋅扁鋼；水平接地體埋設深度為0.8m；垂直接地極采用的鍍鋅鋼管外徑為110mm，深60m，共8根。計算結果為0.92Ω（由CDEGS軟件包計算論證）。
3.3垂直接地極爆破、壓灌低電阻率材料相結合的方案論證根據以上計算的結果，我們還得考慮用其它方法來降低接地電阻。我們采用目前比較成熟、有效的方法：鉆探深井爆破，加壓灌注低電阻率材料〔3〕。這樣做可以使低電阻率材料緊密包覆接地體并向四周擴散，從而將電流引入較深的地層散流，同時降低接地體與土壤的接觸電阻。反映在理論分析上，則可以用其對于垂直接地極的等效直徑〔3〕的影響來等效，從而起到較好的降阻效果〔4〕。方案如下：水平接地體間距約為8m；水平接地體采用50mm×5mm鍍鋅扁鋼；水平接地體埋設深度為0.8m；垂直接地極采用鍍鋅等邊角鋼50mm×50mm，深50m，共13根（具體垂直極的位置在地網邊沿，基本等間隔布置，并在其中某一側外延增加4根，以根據現場情況作調整）。計算結果為0.48Ω（由CDEGS軟件包計算論證）。
3.4設計論證及風險控制我們曾于2000年8月22日邀請廣東某工程勘察設計院對祈福110kV變電站地網進行過常規深井接地改造處理，在變電站四周布設8個導電孔，鉆孔直徑為110mm，深度60m，但并沒有把電阻降下來。結合以往經驗與本站址的具體地質、地形條件，對以上幾種方案作技術經濟對比分析，我們認為對于解決此地高電阻率情況下的接地問題，可采用結合深井爆破、壓灌低電阻率材料綜合解決方案。但因其理論計算結果接近0.5Ω的臨界值，為了降低工程建設的風險，我們保留了在站外采用深井接地和新建小水平接地網與原站內接地網聯接置換雙保險的做法。本工程我們還得到了施工單位20年的保質承諾，從經濟與技術兩方面綜合考慮，本方案是可行的。
4接地系統降阻工程的實施
4.1工程概況及施工要點在站內選取13個鉆孔點，鉆孔直徑為110mm，深度大于50m，采用2臺XY-1型工程鉆機施工導孔，用泥漿泵灌注降阻混凝土，并設地溝將變電站與導電孔相連，以達到提高地網導電性能的目的。降阻原材料選用了國內成熟的某品牌降阻劑。高土壤電阻率接地技術為國家專利技術（專利號00253193.3），深井施工全過程由施工單位自檢，我方參與了施工的中間驗收。
4.2施工工藝流程測放孔位—鉆機就位—鉆至設計深度、洗孔—放置鍍鋅角鋼—深層爆破—拌制降阻混凝土孔底注漿—開挖地溝整平—鋪設鍍鋅扁鋼、澆注低電阻率材料—混凝土養護、回填土—移機至下孔位。
4.3施工情況工程組織了兩臺XY-1型工程鉆機進場施工（見圖2）。由于施工過程中鉆進至基巖時，遇到堅硬的微風化石英巖，鉆進有一定困難。深層爆破在地表50m以下，不影響設備安全運行。
4.4質量檢驗全部施工任務于2002年5月26日組織竣工驗收。工程質量驗收按接地測量導則國家標準驗收，即電流極1000m，電壓極618m，電流極與電壓極夾角為180°或90°。經雙方技術人員最終測試地網接地電阻為0.2Ω以下，實現了降阻目的。
5結束語a)110kV祈福變電站地網降阻達到了國家標準，完全滿足了運行單位要求，在雷雨季節前消除了安全隱患。110kV祈福變電站地網降阻工作自投運2年多來一直在不停的探索中，其中也走了不少的彎路，所幸的是我們的努力終于得到了回報，為今后地網隱蔽工程的處理積累了豐富的經驗。b)吸取了110kV祈福變電站地網初期建設的教訓，凡今后在新建電力工程的地網施工中要做好地質原始土壤電阻率的數據采集工作。對高土壤電阻率地區的電力建設地網類隱蔽工程建設可考慮引入公開招投標的方法以引進高技術隊伍來保證接地工程的可靠質量。c)110kV祈福變電站地網降阻的解決辦法可適用于電力工程以外的建設需要，在達到降阻效果以后的1～2年內要繼續加強地網監測的跟蹤工作，以防阻值出現反彈現象。
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