离子深井接地优化设计研究

杨莉

摘要：本文主要对岳阳汨罗西220kV变电站工程接地系统方案设计进行了研究。通过分析变电站地质地貌和土壤电阻率条件，结合短路电路、设备布置和现有降阻手段，给出接地网优化措施，直至达到规程要求。

1目的

达标的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。如果地网接地电阻较大，会造成地网电位异常升高，接触电压、跨步电压超过允许值，对人身安全造成危害。如果地网电位高于设备的绝缘水平，则可使设备绝缘遭受反击而毁坏。

2变电站接地电阻的研究

2.1未采取措施时接地电阻校验

2.1.1二次设备的接地要求及地电位升校验

采用常规等间距地网，网格密度为10m，接地网的埋设深度h=0.8m时，最大接触电势系数Ktmax=0.164。

最大接触电位差：

Utmax=KtmaxUg=0.164×158780V=26039.92V

不采取绝缘措施时，规程要求的最大接触电位差允许值为：

接触电势不满足规程要求，需采取降阻、绝缘或均压措施。

在操动区域设置沥青混凝土绝缘地坪后，地表电阻率取5000Ω•Μ，此时规程要求允许值为：

仅通过采取绝缘措施仍不满足规程要求。需采取降阻措施。

2.1.3跨步电压校验

最大接触电势系数Ksmax=0.061。

最大跨步电位差：

Usmax=KsmaxUg=0.061×158780V=9685.58V

不采取绝缘措施时，规程要求的跨步电位差为：

跨步电压不满足规程要求。

考虑全站配电装置区敷设20cm厚砾石层，地表电阻率取5000Ω•Μ，此时规程要求允许值为：

不满足要求。

由上述计算可知，由于地电位升高较大且接触电势、跨步电压均不满足要求。在采取绝缘措施后，接触电势和跨步电压仍不满足要求。

2.2降低接地电阻的方法

为了降低接地装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行，人们采取了各种各样的措施。常见的措施包括:扩大地网面积、引外接地、增加地网的埋设深度、利用自然接地体、深井接地和局部换土等。

上面六种降低接地电阻的方法都有其应用的特定条件，针对不同地区、不同土壤条件采用不同的方法才能有效地降低接地电阻;另外各种方法也不是孤立的，在使用过程中可以相互配合，以获得较好的降阻效果。

3地网优化

3.1岳阳汨罗西220kV变电站接地网优化设计

压缩比主要和土壤模型相关，因此可以在汨罗西变电站土壤分型模型上，建立不同压缩比的不等间距接地网，以确定最优压缩比。

尝试构建103m×83.5m范围的不等间距接地网，埋深为0.8m，间距约15m，导体截面取320mm2，入地电流取14.93kA，改变不等间距布置的压缩比，通过CDEGS仿真。

不等间距布置方法将接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压最小时的压缩比定义为最优压缩比。在本工程设计中，随压缩比降低，接地网接触电压迅速减小，但随着压缩比的减小，中间网孔间距变大，导致中间网孔的接触电压、跨步电压反而上升。对于汨罗西220kV变电站接地网模型，其最优压缩比为0.7，此时的接地电阻、接触电压和跨步电压最小。研究发现，采用均匀网格时，中间网孔的电位差最小，向地网边缘的网孔电位差逐渐增大，边角网孔的电位差最大，这是因为地网中间发生接地短路时，电流通过均压导体迅速流向地网边缘并向地网外大地流散的缘故。由于地网中心地带流入地中的电流减少，地面电位梯度较低，而地网边缘电流密度大，地面电位梯度也较高。所以地网边缘处接触电压也是最大，为此尝试在地网边缘处进行不等间距布置，边缘处增加导体数量，减小边缘处的网孔电位差和接触电压。参考本院其他工程的相关的研究，并考虑接地网的铺设及施工方便，推荐层地网边缘不等间距压缩比取0.7。

离子深井主要是由电解离子接地极埋于深井内构成，缝隙中填充有降阻剂。电解离子接地极通常由若干节铜管组成，作为释放电解质的载体，铜管上有呼吸排泄孔。铜管内填无毒化合物晶体，铜管埋于地下，铜管上的呼吸孔吸收土壤中的水分，使化学晶体变为电解质溶液，从该孔中排泄出。这些溶液在特殊回填料的吸取作用下，均匀流入土壤，在土壤中形成导电率良好的电解离子土壤。特别是在砂土、岩石等地质结构的地下，电解液可向砂质粘土的纵深方向渗透，使原来导电率极差的砂岩地结构形成一个良好的电解质导电通道。

站址现已整平，考虑水平接地体埋设0.8m，接地体所处岩层主要为粉质黏土，平均土壤电阻率按照2200Ω•m。此时水平接地网的接地电阻为10.635Ω。

3.2接地外引线的设置

为克服常规接地外引线的问题，可考虑利用在建设10kV电缆沟和进站道路同时在其下放并列布设人工接地沟，通过水平接地体外引接地网，增大等效面积，降低地网电阻。由于人工接地沟是随10kV电缆沟及道路建设完成，可以在电缆沟及道路施工的同时建设，提高了设备共用率，便于实施管理，减少土方工程量。同时，由于外引接地体最终为电缆沟和道路所覆盖，并且在征地范围内，既解决了地表绝缘问题，又能对接地体起到保护作用（不会被盗挖），同时不会引起用地纠纷。缺点是外引数量受进站道路和10kV出线电缆沟数量限制，一般不超过3条。

4接地材料选取

4.1材料截面选取

根据二次设备保护情况，本站短路电流持续时间按0.65S考虑，不对称短路入地电流大小为14945A。钢材热未定系数取70；铜材采用放热焊接，热稳定系数取246；镀铜钢绞线的导电率取铜绞线的40%，采用放热焊接，热稳定系数取166。三种材料热稳定截面分别为：

铁：

水平接地体截面为0.75×172.13=129.1mm2。

铜：

水平接地体截面为0.75×48.9=36.68mm2。

镀铜钢绞线：

水平接地体截面为0.75×72.58=54.44mm2。

镀锌钢的年腐蚀系数取0.065mm/a，220kV变电站运行寿命取60年。考虑一定裕度，接地引下线均采用40×8mm镀锌扁钢，水平接地网采用40×8mm镀锌扁钢。考虑腐蚀情况，60年后镀锌钢的截面为：

S=（40-0.065×60）×（8-0.065×60）=148＞129.1，满足要求。

垂直接地极采用∠50×50×5镀锌角钢，截面500mm2。

考虑到接地下引铜材截面仅为35.5mm2，全部选用直径50mm2带铜鼻子铜绞线。水平地网采用截面40mm2铜绞线。垂直接地极采用直径5mm铜棒，截面50.24mm。

覆铜材地网引下线采用60mm2镀铜钢棒。水平地网采用截面50mm2镀铜钢棒。垂直接地极采用直径10mm铜包钢棒，截面78.5mm。

4.2经济性比较

由于接地环网制造标准相同，不参与比较其中，覆铜钢考虑采用热镀铜工艺、镀层厚度达到0.8mm的财材料。但是无论采用全铜材料还是覆铜材料，均需进行放热焊接。根据同等规模变电站施工经验和对本站的统计，本站共计需要放热焊点800个（焊点数量主要受设备数量决定，受地网长度影响较小）。若接地网与道路、建筑建设配合实施，则放热焊点数量还要增加。目前每个放热焊点施工费用（含材料）按200元计列，实际工程中至少超过100元。由于本站地网材料截面小，以每个焊点100元的最低费用计算，且不计施工配合增加的焊点数量，仅焊接费用就达8万元，超过了任意一种接地导体的费用。而采用镀锌钢材时，由于焊接费用极低，直接计列在安装费用中，不单独计算焊接成本。因此仅考虑焊接，采用镀锌钢材就有极大的经济优势。

5结论

本文研究通过分析变电站地质地貌和土壤电阻率条件，结合短路电路、设备布置和现有降阻手段，给出接地网优化措施：本站主要采取单层水平地网和水平接地体外引为主，通过15根深25m的离子深井接地为辅的措施降低接地网电阻；采用不等间距地网、在设备周围操动区域覆设沥青混凝土绝缘地坪，提高岳阳汨罗西220kV变电站允许最大接触电势和最大跨步电压的措施。