变电站地网工程设计方案

一、变电站接地概述

接地网作为变电所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。由于接地网作为隐性工程容易被人忽视，往往只注意最后的接地电阻的测量结果。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，接地问题越来越受到重视。变电所地网因其在安全中的重要地位，一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。另外，在设计及施工时也不易控制，这也是工程建设中的难点之一。因此，为保证电力系统的安全运行，降低接地工程造价，应采用最经济、合理的接地网设计思路。

二、接地电阻降阻方法

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。

接地网是在接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地地作用，主导作用是用接地体来完成的。决定接地电阻大小的因素很多，下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式（仅以接地环接地时）。

式中：

р（Ω.m）-----土壤电阻率；

        d(m)------------钢材等效直径；

S（m2）---------地网面积；

        H(m)------------埋设深度；

L(m)------------接地极长度(m) ；

A---------------形状系数。

式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。

式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个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。以下降低接地电阻的一些常用的合理的方法。

1、增大接地网面积

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%。

2、增加垂直接地体

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。由埋深为零半径为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。

3、人工改善地电阻率

在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为ｒ的半圆球接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体表面至距球心2ｒ的半圆球内，如果将ｒ至2ｒ间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。

设原地电阻率为ρ2，将ｒ至2ｒ范围内的电阻率为ρ2的土壤用低电阻率的材料ρ1置换，则半圆球接地体的接地电阻为：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr

置换前的接地电阻RX为： RX=ρ2/2πr
R与RX之比为：         R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2

当ρ1<<ρ2，上式改写为： R=RX/2=ρ2/4πr      

故接地电阻减小的百分数为５０%。另外由上式可以看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。

4、深埋接地体

在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。

对于地电阻率随地层深度的增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容的概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电厂中：介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间中的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电阻作用不大，故*标不推荐使用该法。但结合基地航天测试实际情况，主要是低频信号，此法简单，效果明显，可以使用。

5、敷设水下接地网

在有适宜水源的地方敷设水下接地网，由于水的电阻率比地电阻率小的多，可以取得比较明显的减小接地电阻的效果。而且敷设水下接地网施工比较简便，接地电阻比较稳定，运行可靠，但应注意水下接地网距接地对象的距离一般不大于１０００ｍ。

6、利用自然接地体

充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结购物，以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻的有效措施，而且还可以起引流、分流、均压作用，并使专门敷设的接地带的连接作用得到加强。

三、接地网的设计与施工

接地工程本身的特点就决定了周围环境对工程效果的决定性的影响，脱离了工程所在地的具体情况来设计接地工程是不可行的。设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因数的综合考虑。土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因数、气候以及可施工面积等等因数决定了接地网形状、大小、工艺材料的选择。

1、 接地材料的选择

现在广泛使用的接地工程材料有各种金属材料（最常用的如扁钢）、接地体、降阻剂和离子接地系统等。金属材料如扁钢，也常用铜材替代，主要用于接地环的建设，这是大多接地工程都选用的；接地体有金属接地体（角钢、铜棒和铜板）这类接地体寿命较短，接地电阻上升快，地网改造频繁（有的地区每年都需要改造），维护费用比较高，但是从传统金属接地极（体）中派生出类特殊结构的接地体（带电解质材料），使用效果比较好，一般称为离子或中空）接地系统；另外就是非金属接地体，使用比较方便，几乎没有寿命的约束，各方面比较认可。降阻剂分为化学将阻剂和物理降阻剂，化学降阻剂自从发现有污染水源事故和腐蚀地网的缺陷以后基本上没有使用了，现在广泛接受的是物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。在以下的讨论中以非金属接地块、物理降阻剂和离子接地系统为代表进行探讨。下面将设计中考虑的主要因素进行简要的说明。

物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。物理降阻剂是接地工程广泛接受的材料，属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，所以使用范围广，可以和接地环或接地体同时运用，包裹在接地环和接地体周围，达到降低接触电阻的作用。并且，降阻剂有可扩散成分，可以改善周边土壤的导电属性。现在的较先进降阻剂都有一定的防腐能力，可以加长地网的使用寿命，其防腐原理一般来说有几种：牺牲阳极保护（电化学防护），致密覆盖金属隔绝空气，加入改善界面腐蚀电位的外加剂成分等方法。物理降阻剂有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。

接地模块是在通讯、广电等部门广泛使用的工程材料。基本成分是导电能力优越的非金属材料复合加工成型的，加工方法有浇注成型和机械压模成型的，一般来说浇注成型的产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，一些小型厂家少量生产使用这样的办法；机械压模法，是使用设备在几到十几吨的压力下成型的，不仅尺寸精度较高、外观较好，更重要的是材料结构致密、电学性能好、抗大电流冲击能力强，质量也相当稳定，但是生产成本较高，批量生产多采用。选型时，尽量采用后者，特别是接地体有抗大电流或大冲击电流的要求（如电力工作地、防雷接地）时，不宜采用浇注成型的非金属接地体。非金属接地体的特点是稳定性优越，其气候、季节、寿命都是现有接地材料中最好的，是不受腐蚀的接地体，所以，不需要地网维护，也不需要定期改造，但是，非金属接地体施工需要的地网面积比传统接地面积小很多，但是在不同地质条件下也需要的保证足够接地面积才可以达到良好的效果。

离子接地体是传统的金属接地改进而来，从工作原理到材料选用都脱胎换骨的变化，形成各种形状的结构。这些接地系统的共同点是结构部分采用防腐性更好的金属，内填充电解物质及其载体组分的内填料，外包裹导点性能良好的不定性导电复合材料，一般称为外填料。接地系统的金属材料已经出现的有不锈钢、铜包钢和纯铜材的。不锈钢的防腐较钢材好，但是在埋地环境中依然会多多少少的锈蚀，以不锈钢为主体的接地系统不宜在腐蚀性严重的环境中使用。表面处理过的铜是很好的抗锈蚀材料，铜包钢是铜-钢复合材料，钢材表面覆盖铜，可以节约大量的贵金属—铜材。套管法或电镀法生产，表面铜层的厚度从0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。纯铜材料防腐性能最好，但是要耗用大量的贵金属，在性能要求较高的工程中使用。由于接地系统大多向垂直方向伸展，所以接地面积大多要求很小，可以满足地形严重局限的工程需要。特别是，补偿类型的接地系统有加长的设计，笔者曾使用过加长至24米的接地系统，辅以深井法施工，可以达到非常好的效果。介绍的接地材料各有优势，但是都有自身的局限。我们提倡各取所长，选择适当的材料满足不同的工程情况。

2、地网形式

地网的形状直接影响接地达到的效果和达到设计要求所需要的地网站地积。首先应建立接地环（或接地面），提倡使用水平接地极（常用的是外部接地环）和水平垂直接地体配合使用。在很容易达到接地目的，要求低的接地中可以选用平面的接地方法（接地环接地）；一般应用接地体和接地环配合使用，形成三维的结构。

三维的接地有三种不同类型：等长接地、非等长接地和法拉第笼式接地。A、等长接地用相同的接地体，这种方式接地体的埋设深度基本一致，施工方便同时可以取得较好的效果。B、非等长接地是更科学的接地方式，采用不同的接地体相互配合，由于接地体长度和埋设深度不同，大大的加大了等势面积，突破地网面积局限。要求设计人员对多种接地工艺有一定认识，本身施工并不困难，使用得当可以完成相当难度的接地工程。这种方法夜叫“半法拉第笼”接地工艺。C、法拉第笼式接地是多层水平接地网，用垂直接地体相互连接形成笼式结构。由于施工量大，并不常用。在设计中还应考虑地网集肤效应、跨步电压等因数。

3、复杂岩土条件的设计施工

A、岩土类型

岩土直接关系接地的难度，设计中最重要的参数之一就是的是岩土的土壤电阻率，但仅仅考虑土壤这个参数是不够的，还要考虑开挖（钻进）难度、破碎还是整体岩石、持水能力等因数。有的岩土电阻率高，但是在整体岩石之间常有较好的土壤间隙层，在这样的环境中，避开整体岩石，在间隙中开挖灌降阻剂效果很好。

B、地形制约

施工环境常常是受到各种情况的制约，按照理想的模式考虑大面积的地网是不现实的。有专家认为，接地面积一定后，如果接地极长度不超过地网1/20，要想突破局限是不可能的，即使做成整块铜板也没有用的。实践中也应证了这一理论。所以，当地形局限时，我们可以考虑地网的纵深方向，使用离子接地系统或深井施工工艺。西昌某航天观测站，土壤电阻率1100Ω.m，设备需要4Ω信号-屏蔽*地，考虑季节因数，应作到2.75Ω，而可供施工的面积只有8平方的狭长位置，采用加长（20m）离子接地系统3套安装后，达到2.5Ω的接地电阻。

C、含水情况

一般来说，湿润的土壤导电性较好，但是，实际工程中我们发现，当含水量超过饱以后，接地效果反而不好。当地底下有潮湿，接地体深入到这一层时，降阻效果会好得多。例如，云尾移动通讯站，土壤电阻率测量值1200欧，使用接地块240块，接地电阻达到1欧以下；同样的，湖南柯壶口变电所也是1200欧的从土壤电阻率，地表破碎沙石层，但是开挖150mm发现潮湿土层，埋设接地块80只，原预计达到4欧的地网，结果达到了1.2欧。

D、施工工艺

准确的施工工艺才能达到良好的设计的实施效果，看起来不重要的实施细节常常导致严重的后果。因为接地工程是隐蔽工程，当施工完成后，错误不一定马上可以检测到，即使发现问题补救也是很麻烦的，尤其是防腐细节。

使用接地模块时，埋设应尽量选择适合的土层进行，预先开挖80-100cm的土坑（平埋），底部尽量平整，使埋设的接地块受力均匀。接地块水平设置，用连接线使连接头与接地网连接，用螺栓连接后热焊接或热融接，焊接完成以后应去处焊渣等，再用防腐沥青或防锈漆进行焊接表面的防锈处理，回填需要分层夯实，保证土壤的密实和接地块与土壤的接触紧密，底部回填40-50cm后，应适量加水，保证土壤的湿润，令接地块充分吸湿。

使用降阻剂时，为了防腐，包裹厚度应在30mm以上。接地用的钢材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角钢；40mm×4mm或40mm×5mm的扁钢；ф 50mm、h>3mm的钢管。角钢对角线长的约为70mm，短的约为56.6mm。若包裹厚度为30mm，地网开挖直径尺寸应在130mm。对水平扁钢来说，由于地面开挖高低不平，扁钢本身弯曲不直，在施工中许多部位刚刚被降阻剂盖住。这样，钢材实际上处在两个介质的交界处，大大地加快了腐蚀程度，因此地网开挖尺寸也应该加大。我们认为垂直极灌降阻剂直径以130—200mm为好，水平沟以150mm×100mm为好（扁钢竖放）。这样做的开挖工程量和降阻剂用量都会增加，但从整体降阻、防腐效果看是合理的。

离子接地系统埋深一般为3000-4000mm，当加长时相应加深，有条件的用钻机施工。孔径保证100-250mm（根据接地系统的形式选择）。施工中应保证导电为辅料包裹密实，消除空管和气泡。

四、接地网设计方案

1、引用标准

GBJ65-83     《工业与民用电力装置的接地设计规范》

GB50059-92   《35-110KV变电所设计规范》         

GB50057-94   《建筑物防雷设计规范》             

DL/T621-97   《交流电气装置的接地》

2、环境概况

A、变电站总占地面积为××××平方米。

B、工程所在地土层平均厚度估算约为××××米；

C、工程为××kv变电站；

D、土壤电阻率××Ω·m设计；

E、变电站接地要求应为0.5Ω；

3、设计分析：

根据GBJ65-83《工业与民用电力装置的接地设计规范》附表1.1接地电阻的计算公式计算，在不重新征地的情况下，仅靠普通环型地网即使设置普通垂直接地极（2.5m角钢）也达不到设计要求，必须采用其他办法大量地降低接地电阻，下降到常规地网方式接地电阻的17.3%，及降阻率82.3%。根据施工经验，要达到一定的降阻率，需要采用的施工方式为（在电力地网中，采用大地网接地电阻率测试仪测量的情况下）：

综上所述，基本方案中应选用的材料为：

1）、接地环采用50×5mm热镀锌扁钢；

2）、地极采取两种：

a、  深井接地体采用Φ50×5mm螺纹探管，机钻开孔；

b、  浅层接地体采用非金属接地体；

3）、使用降阻剂作为降阻辅助材料；

4）、土壤（包含沙土）厚度为10米，水层平均深度以20米估算。深井应取30米为宜。

5）、需设计地面变电站接地网和水下接地网两个地网，两地网相连接。

为保障电力系统故障泻流时，附近人员的人身安全，应尽量降低跨步电压（接触电势），《工业与民用电力装置的接地设计规范》GBJ65-83第2.0.8条规定，在人员出入路口使用砾石或沥青覆盖。其中，减低跨步电压（接触电势）的主要方法是在地网中设置网格结构以降低跨步电压。

4、设计方案

本工程为达到设计要求0.5欧姆的接地电阻（如附图所示）：

1）  用双层格栅结构的接地环结构，每米水平接地极（50×5mm热镀锌扁钢）使用15kg降阻剂；

2）  设置置00口30米接地深井，100米工程钻机开孔，每米使用30kg降阻剂，中心金属接地极采用Φ50×5螺纹探管；

3）设计00只Φ150×800非金属接地体，与深井配合相成非等长结构，扩大等势散流面积；

5、设计计算：

   接地体是地网接地效果的主要工作单元。常规的接地体为角钢或圆钢，其接地效果如下式：

Rd≈0.3ρ   参照《工业与民用电力装置的接地设计规范》GBJ65-83附表1.1 

其中：Rd-----单只接地体的接地电阻

ρ-----土壤电阻率

要达到0.5的接地电阻，需要用的数量

N=Rd/(R×γ)

其中：γ------多只接地体的综合利用系数，通常情况下取50%-80%。