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高土壤电阻率变电… |
高土壤电阻率变电站接地降阻实现
引言
变电站接地网的作用是为系统、设备和人身提供安全保障和稳定的运行环境。在此前提下，有效延长其使用寿命，降低工程造价是地网设计的关键。接地系统的性能涵盖多方面，包括导电性、稳定性、耐腐性以及电阻值和安全电压。接地电阻和安全电压是对接地网的量化值，其数值高低直接关系到变电站的安全程度，故对接地网的接地电阻和安全电压的技术要求是变电站接地网建设的重点。
问题的提出
随着土地资源的稀缺以及对偏远地区的开发，变电站总占地面积越来越小，一些变电站建在了山区、丘陵地带。这就带来了小面积接地网与要求泄流日益提高的短路电流的突出矛盾；山区或丘陵地带的变电站，土壤电阻率又常常较高，这样按照传统方式进行接地设计和施工就会遇到一个突出问题，那就是接地电阻无法达到接地安全的要求，也使安全电压高于允许值。
为了效益而盲目投运会带来极大的安全隐患，因接地不好造成的安全事故时有发生，因此，需要进一步采取安全有效、经济合理的降低接地电阻措施，同时满足安全电压的要求，是变电站建设中为防止接地安全事故所面临的重要安全课题。
近期，山西阳泉500KV变电站接地网建设就遇到这一问题，为达到降阻和满足安全电压的目的，经过反复勘测、分析比较和认证，最后采用了引进的IEA电解离子接地系统，验收结果表明，该接地工程达到了很好的效果，实践证明了其降阻效果远好于传统接地方法。
阳泉变电站概况
3.1 地理条件
阳泉500KV变电站地处海拔780米的低山区山坡上，部分区域由山体顶端开出，220KV、主变区域由山头推平，地质表层含少量碎石砾土，下层为风化晶屑凝灰岩，局部岩石露头。500KV区域由素土回填整平，地质表层为大量含砂黄土，下层结构与220KV区域基本相似；变电站占地面积约为34000m2。
3.2 现场勘测
土壤电阻率是影响接地电阻最重要的参数，测量电阻率是现场勘测工作的重点。经过设计院勘测部门及施工单位的多次现场勘探，阳泉站址及四周地质上层为粉质沙性黄土，下层以岩石为主，岩石主要为铝矾石，其硬度大，电阻率高。
采用温纳四点法对土壤电阻率进行勘测，两区域各层测量平均值如表1；由于地势地质的差异和回填的因素，站址土壤存在明显的水平和竖直分层，深层由于岩石的影响，土壤电阻率比表层明显增高；由于500KV配电区域表层是用粘土回填，表层土壤电阻率比周围偏低。
3.3 土壤电阻率
准确分析土壤，合理计算和选择土壤电阻率是接地设计的最关键步骤，它直接关系到接地电阻能否达标、接地系统寿命和成本。 根据土壤电阻率测量结果，结合岩石地质的典型电阻率特征，变电站220KV、主变区域的综合平均土壤电阻率取600
，变电站500KV区域综合平均土壤电阻率取400
，变电站表层综合平均土壤电阻率取250
。
接地技术要求
根据电力行业《交流电气装置的接地》DL/T-621-1997标准（以下简称 DL/T-621标准），参照美国《交流变电站接地安全导则》IEEE Std 80国家标准（以下简称IEEE80标准），结合现场条件，对该站接地网的接地技术要求以满足安全电压为前提，通过接地网参数反推地电位和接地电阻。
4.1 安全电压
4.2 地电位
4.3 接地电阻
降阻措施及选择
5.1 传统接地计算：
5.2 传统降阻措施：
5.3 IEA电解离子接地系统降阻措施
电解离子接地系统（Ionic Earthing Array 简称 IEA）由陶瓷合金构成，电极外表是铜合金，以确保高导电性和较长的使用寿命（其使用寿命至少在30年以上）。
它内部含有特制的电解离子化合物，能够通过电极顶部的呼吸孔吸收空气或土壤中的水分，使化合物潮解，形成电解液渗透到周围的土壤中，有效地降低土壤电阻率，使土壤的导电性能始终保持在较高的水平，故障电流能轻易地扩散到土壤中，并降低接地电阻。IEA 离子接地极的外观和原理示意图见图一。
5.4 降阻措施选择
接地设计及优化措施
IEA电解离子接地系统生产厂家就到现场进行了详细勘测，提供的具体接地方案，按照厂家的方案，经过全站综合接地理论计算，全站接地电阻可降到0.46Ω左右，安全电压均在允许值范围内。
6.1 220KV、主变及配电区域的IEA接地系统设计
具体措施是在站内220KV、主变及配电区域增设42套IEA接地极，位于接地网边角、主变和避雷器等设备附近，用于改善土壤，降低接地电阻，并且可以通过极大泄流改善局部电位分布梯度；水平均压网采用8X80mm2 的镀锌扁钢；镀锌扁钢的连接采用电焊，IEA接地极铜接地引线和镀锌扁钢的连接采用火泥熔接；接地极附近添加回填料，其他水平接地体只需素土回填。
6.2 500KV配电区域的传统接地设计
由于表层主要为回填素土，所以表层土壤电阻率较低，因此500KV配电区域全部按照传统接地方式设计，垂直接地极采用5X50X50mm3 的镀锌角钢，水平均压网采用8X80mm2 的镀锌扁钢，接地导体的连接采用电焊，素土回填。
6.3 不等间距均压带的布置
根据故障发生时电位分布梯度的不同，水平均压网采取不等间距布置，外密内疏，这样既使故障电流密度趋于均匀，又节省了大量接地材料，有效地降低最大跨步和接触系数，从而放宽了在满足最大跨步电压和接触电压时对地电位的要求，也就放宽了对接地电阻的要求，这样在满足接地安全的前提下，使得接地系统的投资更为合理。
接地系统的计算
该站现场结构土壤不仅存在水平分层，由于地势地质的差异，还存在竖直分层，加上两块区域采用了不同接地方法和措施，全站接地电阻的计算相对比较复杂。分别选取两种平均土壤电阻率，采取先分别计算两块区域的水平接地网、垂直接地极、水平和垂直互电阻；再计算两块复合接地网的接地电阻；最后计算整体复合接地网的接地电阻。
接地系统的施工
变电站500KV配电区域的接地施工按传统方式进行，220KV、主变及配电区域的水平接地网施工也按传统方式施工，由于垂直接地极采用IEA电解离子接地系统，其施工有特殊的方式和程序。
8.1 IEA接地极的分布
IEA接地极安装分外围、中间和内部三个集中区域，外围分布在边角，中间布置在避雷器等设备附近，内部布置在主变周围。为了更好达到降阻效果，每套IEA电解离子接地极安装深度由地下地质结构决定，接地极尽量敷设在土壤层中。
8.2 IEA接地极的安装
首先深钻IEA接地极井；组装IEA接地极，焊接加长引线，防入孔中底部；调制IEA回填料成浆状；将浆状回填料缓缓注入接地极孔中，直到罐满为止，对深埋IEA接地极，如孔底部有较多泥浆，则需要采用加压棒加压灌浆。
8.3 IEA接地极的连接和回填
将IEA电解离子接地极和铺设好的水平接地网的镀锌扁钢连接起来，连接均采用火泥熔接；深埋IEA加长的镀锌扁钢引线和水平网之间采用电焊，接头做防腐处理；水平敷设的IEA接地极引线均敷设IEA回填料。
接地系统的测试和验收
施工安装按照国标GB50169-2006《接地装置施工与验收规范》进行， 验收测量按照电力行业标准《接地装置工频特性参数的测量导则》DL/475-2006进行。
9.1 施工监测
为了验证IEA接地系统的降阻效果，弄清IEA接地极的降阻特性参数，施工安装分三个阶段进行，要求检测全部IEA接地极的接地效果，经过随工检查，单套单极IEA接地极接地电阻大多在5－10Ω，每阶段10套IEA接地极组合接地电阻均在1.2Ω左右，全部IEA接地极并联计算值不到0.80Ω。
9.2 测量验收
测量验收分两次进行，第一次测量验收接地网的接地电阻。采用变频法，三点直线布线，实测接地电阻在0.460Ω－ 0.465Ω之间。第二次测量安全电压。 根据全站接地网电位梯度的区别，将变电站分成外围、中间和内部三个区域，通过换算，接触电压和跨步电压不足100V，远低于安全电压的允许值。
结论
山西阳泉500KV变电站的特殊接地降阻工程采用引进IEA离子接地系统达到了预期效果，测量验收结果完全达到设计的技术要求，并和厂家最初的理论计算完全吻合。工程实例证明，IEA离子接地系统不仅占地小，施工方便，周期短，降阻效果好，且使用寿命长，免维护，完全可以代替传统的接地降阻方式，具有较高的推广和应用价值。
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