（电气工程专业论文）降阻防腐技术在变电站接地网的应用分析.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文降阻防腐技术在变电 站接地网的应用分析，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在 导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔筮勤 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：星：生型日 期：刈 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 变电站接地网是电力系统安全运行的根本保证。如何有效降低接地网接地电 阻、如何对接地网腐蚀进行防护，这些都是急需研究、解决的问题。论文调研分析 了接地网接地电阻偏高的原因，并提出降低接地电阻的有效措施并进行应用分析； 此外还统计分析接地网腐蚀及其机理、土壤对接地导体腐蚀的影响因素、并有针对 性的提出了接地网的防腐措施，并对实际变电站接地网进行腐蚀防护措施的应用， 进而验证了本文提出的接地网防腐措施的有效性和实用性。变电站接地网降阻防腐 技术的研究为解决接地网接地电阻偏高且容易发生腐蚀等问题提供理论依据和实 践指导，为变电站安全运行增加了一道防护墙。 关键词：接地网，降阻技术，防腐技术 a b s t r a c t s u b s t a t i o ng r o u n d i n gg r i di st h ef u n d a m e n t a lg u a r a n t e ef o rp o w e rs y s t e m ss a f e o p e r a t i o n h o wt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fg r o u n d i n gg r i d s ，h o wt o c a r r yo u tg r o u n d i n gn e t w o r kc o r r o s i o np r o t e c t i o n ，a l lo ft h e s ep r o b l e m sa r eu r g e n tt ob e r e s e a r c h e da n ds o l v e d t h i s p a p e rr e s e a r c h a n d a n a l y s i s t h er e a s o n so fh i g h g r o u n d i n gr e s i s t a n c eo f g r o u n d i n gg r i da n dp r o p o s ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea n d c a r r yo u ta p p l i c a t i o na n a l y s i so nr e d u c e sr e s i s t a n c et e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，t h ep a p e r a n a l y s i so fg r o u n d i n gg r i d sc o r r o s i o nm e c h a n i s m ，t h es o i lf a c t o r si m p a c to nt h e g r o u n d i n gc o n d u c t o rc o r r o s i o n ，a n dp r o p o s ee f f e c t i v em e a s u r e st op r e v e n tt h eg r o u n d i n g c o n d u c t o rc o r r o s i o n t h r o u g l lt h ea p p l i c a t i o no fc o r r o s i o np r o t e c t i o nm e a s u r e so na c t u a l s u b s t a t i o ng r o u n d i n gg r i d ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo fc o r r o s i o np r e v e n t i o n t e c h n o l o g yw e r ep r o v e d t h ea p p l i e da n a l y s i so fr e s i s t a n c er e d u c t i o na n dc o r r o s i o np r e v e n t i o np r o v i d e st h e t h e o r yb a s i sa n dp r a c t i c eg u i d a n c ef o rs o l v i n gt h eh i g hg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea n de a s y c o r r o s i o np r o b l e mo fs u b s t a t i o ng r o u n d i n gg r i d i tw i l lg r e a t l ye n h a n c et h es u b s t a t i o n g r o u n d i n gg r i d ss t a b i l i t ya n ds e c u r i t y h a oz h e n k u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ul i a n g u a n g s e n i o re n g i n e e r w a n gx u e j u n k e yw o r d s ：g r o u n d i n gg r i d ，r e d u c e sr e s i s t a n c et e c h n o l o g y , c o r r o s i o np r e v e n t i o n t e c h n o l o g y 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章弓l 言1 1 1 课题的提出及意义l 1 2 研究现状：2 1 3 论文的主要工作2 第二章接地网接地电阻分析4 2 1 变电站接地网接地电阻4 2 2 降低接地电阻的必要性5 2 3 接地电阻偏高的原因。5 2 3 1 土壤电阻率偏高6 2 3 2 接地网面积小6 2 3 3 勘察设计方面的原因7 2 3 4 施工方面的问题7 2 4 本章小结：8 第三章接地电阻降阻技术及应用9 3 1 扩大接地网面积或外延接地网降阻9 3 2 深并式接地极降阻技术1 l 3 3 降阻剂降阻技术1 1 3 3 1 降阻剂的降阻机理1 2 3 3 2 降阻剂的分类1 2 3 4 降阻剂降阻技术的实施方案1 3 3 4 1 降阻剂的技术要求1 3 3 4 2 降阻剂的选用1 3 3 4 3 降阻剂的施工方案1 4 3 4 4 降阻剂的施工验收1 6 3 4 5 运行后的检测与维护1 7 3 4 6 工程实例及效果：1 7 3 5 本章小结1 8 第四章接地网腐蚀统计分析19 4 1 概述1 9 4 2 接地网腐蚀统计分析1 9 4 2 1 主地网的腐蚀分析1 9 4 2 2 接地引下线的腐蚀分析2 0 4 2 3 电缆沟中接地体的腐蚀分析2 0 4 3 接地网的腐蚀机理2 l 4 3 1 电化学腐蚀机理2 l 4 3 2 化学腐蚀机理2 2 华北电力人学工程硕士专业学位论文 4 3 3 接地网具体部位腐蚀机理2 2 4 4 土壤特质对腐蚀的影响2 3 4 4 1 电阻率对腐蚀的影响2 3 4 4 2 含氧量对腐蚀的影响2 4 4 4 3 含水量对腐蚀的影响2 4 4 4 4 含盐量对腐蚀的影响2 5 4 4 5p h 值和酸度对腐蚀的影响2 5 4 5 本章小结2 6 第五章接地网防腐技术及应用2 7 5 1 覆盖层法防腐技术2 7 5 2 电化学法防腐技术2 7 5 3 铜接地网在变电站的应用2 9 5 3 1 铜接地网性能优越性分析2 9 5 3 2 铜接地网的技术经济性分析3 0 5 3 3 铜接地网的施工3l 5 3 4 铜接地网在接地网改造工程中的应用3 2 5 5 本章小结3 2 第六章结论和展望3 3 参考文献3 4 致谢：3 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况3 7 在学期间发表的学术论文3 7 在校期间参加的主要科研项目如下3 7 i i 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 课题的提出及意义 第一章引言 变电站良好的接地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。随着超高压、大容量和远距离现代电网的不断建设，对 电力系统安全、稳定及经济运行的要求越来越高。为了确保电网的安全稳定运行， 提供供电的可靠性，必须配备一套与一次系统相适应的安全保护系统，这就要求变 电站有良好的接地装置【l 】。 在接地网接地电阻偏高或接地网发生腐蚀的情况下，如果系统发生接地短路故 障，较大的入地电流可能引起地电位异常升高或分布不均，除给运行人员安全带来 严重威胁外，还可能因反击或电缆皮环流使二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控 制室，引起检测或控制设备发生误动作或拒动而引起系统解列或崩溃，每次事故造 成的直接经济损失大约在数十万元到几千万元，由于电力系统事故造成停电的间接 经济损失更大【2 3 】。如：1 9 8 6 年4 月2 5 同，湖北潜江2 2 0 k v 变电站发生接地事故， 由于其接地网接地电阻高达1 5 q ，造成3 5 k v 设备多处放电，并发展为相间短路， 同时高压窜入直流系统、通讯系统及保护回路，造成失火及大量设备损坏，引起 2 2 0 k v 、9 0 m v a 主变烧坏，事故损失3 0 0 0 万元【4 】。1 9 9 4 年1 月1 日，四川华莹山 发电厂因变压器中性点接地不良，当系统发生污闪时，造成变压器、发电机严重烧 毁的重大事故【5 1 。1 9 9 9 年7 月2 0 同，山西太原新店2 2 0 k v 变电所发生重大设备事 故。事故造成一台2 2 0 k v 变压器烧毁，l o k v 的b 段配电设备、主控室全部二次设 备等严重烧损，并扩大到华北电网，致使部分发电厂共计1 0 台发电机组发生相继 跳闸的系统事故。其事故起因是8 0 2 3 插头柜三相短路，但由于开关柜接地线与主 接地网未连接，造成丌关柜高电位，经开关柜内控制和合闸电缆直接窜入直流系统， 导致直流电源消失，从而导致事故的扩大。2 0 0 5 年9 月1 8 日，广西玉林电力公司 某1 1 0 k v 变电站发生一起由于一条3 5 k v 线路接地故障处理不当引起的全站停电事 故，造成该站r t u 及一台1 1 0 k v 丌关端子箱烧坏，l 撑、2 群主变退出运行约3 小时 的严重事故，事故原因查明与接地网发生腐蚀断裂有关【6 , 7 , 8 】。 近几年来由于电力系统容量的迅速扩大，入到接地短路电流大幅度升高，接地 网的问题越来越突出。为了保证电力系统的安全、可靠运行，就要求接地电阻值降 低且接地网没有发生腐蚀断裂等情况。然而近年新建的变电站一般都不是建在良用 旱而是建在土壤电阻率较高的地区，且靠近市区的变电站大部分为g i s 变电站( g i s 变电站占地面积较小) ，如何使较小面积的市区或高电阻率地区变电站的接地电阻 达到要求且不易发生腐蚀足迫切需要解决的问题。因此有必要对如何降低接地网接 1 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 地电阻及有效防止接地网发生腐蚀现象进行研究。论文的研究为高阻地区或市区高 压变电站接地网设计、施工和接地网腐蚀防护等提出建设性意见，使变电站接地网 接地电阻符合要求，从而保障电力系统安全可靠运行，保障设备和运行人员安全具 有重要的实际意义。同时，具有重要的理论意义和社会经济效益。 1 2 研究现状 一 在国内，为防止接地不良的事故，近几年很多专家对接地网进行了研究，主要 集中在以下几个方面： 首先部分学者对变电站在接地网设计和施工等方面存在的主要问题进行研究【9 1 ， 研究表明接地网普遍存在的问题有变电站接地网设计不能满足短路电流热稳定的 要求，其主要原因是近年来电力系统容量急剧增大导致系统故障电流增大，而变电 站接地网设计有的仍保持原有水平标准，有的简化设计、甚至还存在没有按设计的 要求施工的现象；其次变电站接地网干线及设备引下线的截面积不合理。这些都是 导致变电站接地网接地电阻偏高、接地网易发生腐蚀的原因【l o ，】。 在接地网降阻方面国内外学者也进行了深入的研究，有关学者提出斜接地极降 阻技术【1 2 , 1 3 】。斜接地极综合了扩大接地网面积和深井接地的优点，斜接地极不仅可 以起到深井接地极的作用，在无需征地的情况下还可以起到扩大接地网面积的作 用，且斜接地极相互之间的屏蔽作用比垂直接地极小。斜接地极与地面的夹角可以 根据周围地下设施的情况调整，斜接地极的使用比较灵活。此外还提出利用爆破接 地技术降低接地电阻，其原理是利用地下电阻率较低的土壤层、地下水层及金属矿 物质层来改善散流；低电阻率材料可以很好地与接地极及各种类型的土壤及岩石形 成良好的接触，达到降低接触电阻的目的。 在接地网腐蚀防护上，国内使用镀锌钢接地装置并加以电化学保护以及防腐剂 等较多，我国从上世纪五六十年代开始仿效苏联用钢材做接地装置，并进行镀锌处 理防腐，但并没有配合电化学保护以及防腐剂【1 4 , 1 5 , 1 6 】。几十年的实践证明，并不是 解决接地装置腐蚀问题的最好选择。 1 3 论文的主要工作 本课题对北京地区高压变电站接地网运行状况进行调研，统计并分析北京地区高压 变电站接地网存在的问题及问题产生的原因。针对部分变电站接地网存在的接地电阻偏 高、接地网发生腐蚀等问题，从变电站的接地网设计、施工方案，接地网降阻，接地网 防腐等方面进行研究给出科学合理的技术措施，确保变电站接地网运行状态良好。 为了能更好的满足实际工程的需要，本课题的主要将从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 、收集北京地区所有高压变电站接地网资料，结合接地网腐蚀机理对北京地区 2 华北电力大学工程硕上专业学位论文 高压变电站接地网运行情况进行评估、分析接地网存在的接地电阻偏高、接地网存在腐 蚀等问题及其原因。 ( 2 ) 、分析变电站接地电阻偏高的原因，对北京地区变电站接地网进行调研分析其 接地电阻偏高的具体原因，提出有针对性的降阻措施，并争取进行实验验证降阻的有效 性和可靠性。 ( 3 ) 、通过调研对接地网腐蚀进行统计分析，然后对接地网腐蚀机理进行探讨并对 造成接地网腐蚀的因素进行分析，研究各种接地材料的腐蚀性能。针对北京地区不同土 壤电阻率的高压变电站制定科学合理的接地网防腐蚀策略。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章接地网接地电阻分析 2 1 变电站接地网接地电阻 变电站接地装置的基本形式为许多水平埋设导体组成的接地导体网格。目前变 电站接地系统都是以外沿闭合，内部按3 m 、5 m 、7 m 、1 0 m 、1 5 m 、2 0 m 的等间距 布置敷设若干均压导体为主的水平接地网，埋深约为1 0 米，且装设一些垂直接地 极。下图为变电站接地网的结构图。 水平揍地阿 图2 - 1 变电站接地网的结构图 良好的接地网的必须满足以下三条最根本的要求：一是一定要承受一定接地短 路电流下的热稳定性；二是低电位升高要限制在允许范围内；三是全地网间电位要 均衡。只要三者之一达不到要求，一旦接地网有接地短路电流通过时，势必不同程 度的造成事故扩大，尤其是当热稳定性遭受破坏时，事故更为严重。因此d l t 6 2 1 一1 9 9 7 交流电气装置的接地规程明确规定接地网工频接地电阻、接触电压、跨 步电压、电位分布等必须符合要求，确保接地网满足设计及规程要求【 】。为了确保 电力系统的安全稳定运行，就必须使接地网的接地电阻达到较低的值，从而保障短 路电流和雷电流能安全散流。对于变电站接地网，在工频对地短路时，要保证流过 接地网的电流引起接地网的电位升高不致太高，还应保证变电运行人员的跨步电压 和接触电压符合要求。在中性点接地系统中，要求接地网的工频接地电阻r 值应满 足： i r 2 0 0 0 v 式( 2 1 ) 式中i 为入到短路电流。 接地电阻为接地体的电位与通过接地体流入大地中电流的比值。它与土壤特性 及接地体的几何尺寸。通常说的接地电阻包括接地引线的电阻、接地引线与接地装 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 置的接触电阻、接地体本身的电阻、接地体和土壤间的接触电阻及土壤的散流电阻。 因为散流电阻比其他四种电阻大得多，因此可以近似地认为接地电阻等于散流电 阻。一般计算公式计算得到的接地电阻只是接地装置周围土壤的散流电阻。但实际 测量得到的接地电阻一般都比计算结果大，因为接地装置与土壤存在一定的接触电 阻。在进行变电站接地系统的初步设计时，估算接地系统的接地电阻是确定接地系 统尺寸及基本结构的基础。 l 、水平接地网的接地电阻 在均匀土壤中，考虑水平接地网的埋深h 、接地导体总长度l 、土壤电阻率p 、 接地网面积等因素确定的接地电阻r 可以按下式进行近似估计i ”】： 肚p 志l l + ，而嘉) j 式协2 ， 在不均匀土壤中，如果上层土壤厚度较为深时，可以采用下式来考虑埋深的影响： r = 1 6 争+ o 6 争+ , o l 了h 式( 2 3 )rrj“ 一， 上1 厶a 式中l i 为接地网周边长；l 为接地网导体总长度。 2 、垂直接地体和水平接地网复合组成的接地系统的接地电阻 考虑双层土壤结构时，国际上比较通用的接地系统接地电阻的计算公式为： 肛o 蚴务g + 盎 、 2 日 g - 丽 式( 2 4 ) 当h i 石o 3 ，4 - 2 i l 4 ，届岛0 5 时，上式计算结果具有较高的精度。 2 2 降低接地电阻的必要性 当短路电流流入接地体，如果接地电阻过大，地电位的异常升高就会引起地网 局部电位差超过安全值。这样，除给运行人员安全带来威胁外，电气闪络及电气设 备的损坏，还有可能使接地装置附近的人有遭受电击的危险【1 9 2 0 】。为了保证供电连 续性、保护设备及确保人身安全，为电流泄散入地提供通道，接地系统的接地电阻 必须足够小，以确保故障电流主要通过接地电极泄散入地，减少对设备及人的危害。 在电阻率较高的土壤中直接安设电极所测量的接地电阻值往往达不到系统对接地 电阻的要求【2 。 2 3 接地电阻偏高的原因 截至2 0 0 8 年1 2 月3 lr ，北京电力公司管辖的3 5 k v 电压等级及以上3 8 9 座， 其中3 5 k v 变电站9 7 座( 全是镀锌钢接地网) ，1 1 0 k v 变电站2 3 9 座( 全部为镀锌 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 钢接地网) ，2 2 0 k v 变电站5 l 座( 铜接地网1 0 座，其余镀锌钢接地网) ，5 0 0 k v 变 电站2 座( 全镀锌钢铁网) 。课题组对其管辖范围内的变电站进行接地网降阻防腐 技术调研活动，调研选取有典型代表性的l l o k v 电压等级5 座( 北城、永安里、东 单、牛街、右安门) 、2 2 0 k v 电压等级变电站各5 座分别为( 北郊、聂各庄、怀柔、 南苑、吕村) 。通过调研总结出变电站接地网接地电阻偏高的原因主要有以下几个 方面( 另外调研中的接地网腐蚀统计分析将在第四章展开) 。 2 3 1 土壤电阻率偏高 在北方干旱地区、沙漠，土壤相当干燥，而大地导电基本上是靠离子导电，可 以离解的各类无机盐类只有在有水的情况下才能离解为导电的离子，干燥的土壤导 电能力是非常差的，这是北方干旱地区、沙漠接地电阻率偏高的原因。由于土壤电 阻率偏高，对变电站的接地电阻影响较大。据调查，接地电阻超标的变电站所处地 段的土壤电阻率大都在1 5 0 0 q m 以上，有的地段甚至高达4 0 0 0 , - , 6 0 0 0 0 q m 。表2 1 给出常用土壤电阻率参考值【2 2 1 。 表2 1 常用十壤电阻率参考值 土壤类别电阻率( q m ) 耕十、腐植十、粘十、淤泥、黑十、泥沼地带、盐渍+ 1 0 0 石质粘土、潮湿沙土、黄土、细沙混合十、亚沙士、亚粘土3 0 0 湿砂、风化砂、砂质十壤、砾人混合砂十、河砂淤积十 6 0 0 砂子( 干砂) 、含有卵彳冲i 碎彳i 的砂士、含硬质砂岩的弧粘十1 0 0 0 孵彳凡碎彳凡风化岩彳风化泥质页岩2 0 0 0 花岗彳凡彳i 英岩、彳i 灰岩2 0 0 0 以上 2 3 2 接地网面积小 接地网面积是影响接地网总体接地电阻最重要的参数，从变电站接地电阻的计 算公式2 2 、2 3 、2 - 5 不难看出变电站接地电阻与变电站接地面积成反比关系。增 加接地网导体等措施降低接地电阻的效果远没有增大接地网面积的效果好。现在很 多变电站越来越多建于地域狭窄的城市群中，由于受变电站征地、地形等各方面的 限制，它们毫不例外地选择全室内或室外六氟化硫气体绝缘全封闭电器g i s 配电装 置形式。 6 华北电力大学t 程硕上专业学位论文 表2 2g i s 设备与常规设备变电站用地面积比较 电压等级设备种类占地面积m 2对比百分数 2 2 0 k v 怀柔站常规管形母线设备 4 8 7 72 5 2 4 室内离相式g i s1 2 3 l 2 2 0 k v 吕村站常规管形母线设备 1 2 7 5 3 3 8 l 室外离相式g i s 4 3 l 1 1 0 k v 牛街站常规管形母线设备 1 2 0 1 2 7 9 7 室内离相式g i s 3 3 6 1 1 0 k v 东单站常规软母线设备4 7 53 4 5 2 室内三相共筒式g i s 1 6 4 从上表可以看出，g i s 形式的变电站布置更紧凑，占地面积约为常规变电站的 1 4 。变电站接地系统的面积取决于变电站的布置，由围栏或建筑物的周边长确定。 如果建筑物群在接地网设计的范围内，则接地网的周边接地导体应该包括这些建筑 物在内。虽然将接地网布置为标准矩形形状是很困难的，但是简单的设计程序要求 方形或矩形的场地留在变电站场地的草图上，确定符合被选择区域的最大矩形，可 用于按照简单设计程序进行接地网设计。 2 3 - 3 勘测设计方面的原因 在山区或地形复杂的地段，由于土壤不均匀，土壤电阻率变化较大，在变电站 设计时需要对变电站所在地土壤进行认真的勘探、测量。根据每个变电站地形、地 势、地质情况，设计出切合实际的接地装置，因此勘测设计人员的劳动强度是相当 大的，于是一些勘测设计人员在设计接地装置时就容易出现如下问题： 未详细测量变电站所在位置测量土壤电阻率及其分布，而是想当然地取一个平 均值，这样土壤电阻率的取值就与现场实际出入较大。未根据变电站所在地地形、 地势情况合理设计接地装置并计算其接地电阻，而足套用一些现成的图纸或典型设 计。这样的设计往往与现场情况不符，现场很难按图施工。从设计上就留下了先天 性的不足，造成部分变电站的接地电阻偏高。 2 3 4 施工方面的问题 对于变电站的接地网来 兑，精心设计虽然很重要，但严格施工也重要。但在 旌工过程中往往不按图施工，尤其是在施工困难的山区、岩石地区，偷工减料不按 图施工现象屡有发生，如水平接地体敷设长度不够，少打垂直接地极等。其次存在 7 华北电力大学工程硕： 专业学位论文 接地体埋深不够的现象。特别是山区、岩石地区，由于开挖困难，接地体的埋深往 往不够，这直接影响接地电阻值。再者，上层土壤容易干燥，受气候的影响也大， 在北方冬季还会受冻土层的影响。另外由于上层土壤含氧量高，对接地体的腐蚀也 就较快。此外回填土一般要求为细土，并分层夯实，可在实际施工时往往很难做到。 尤其是在岩石地段施工时，由于取土不便，往往采用开挖出的碎石回填，这样接地 体不能与周围土壤保持良好的电接触，同时还会加快接地体的腐蚀速度。 2 4 本章小结 本章对变电站接地网接地电阻进行了定义，并给出了水平接地网、水平接地网 与垂直接地极结合时的接地电阻的计算公式，并分析了降低接地电阻的重要意义。 本章还重点对北京地区有典型代表性的变电站接地网进行调研，并总结出造成变电 站接地电阻偏高的原因，为下一章进行的接地网接地电阻降阻措施奠定了基础。 8 华北电力大学工程硕：t 专业学位论文 第三章接地电阻降阻技术及应用 目前有效地降低城市地区、高土壤电阻率地区接地装置的接地电阻，用相对少 的投资获得较大的降阻效果，仍然是电力系统广大工程技术人员面对的主要技术难 题。根据变电站现场实际情况正确地合理地使用降阻措施不是一件容易的事，在实 际接地工程中就曾发生过因采用的降阻措施与现场实际不符而造成投资大收益小 的事情，还有一些因降阻措施使用不当而造成高电位外引留下安全隐患，因而有必 要对每种降阻措施的作用、适用场所和应注意的问题进行深入的分析和研究【2 3 1 。采 用技术经济分析的方法，在保证设备和人身安全的前提下结合具体的工程情况和 现场实际，特别是现场的地质、地势情况、土壤电阻率分布以及具体的工程要求， 找出最佳的降阻措施，以正确合理的降阻方法达到有效降低变电站接地电阻的目 的。 3 1 扩大接地网面积或外延接地网降阻 众所周知，接地网的接地电阻主要由接地网的几何尺寸和土壤电阻率确定，扩 大接地网面积是降低接地网接地电阻最有效的措施【2 4 1 。一般来说，场地中的土壤电 阻率是固定的，要在大范围内靠降低土壤电阻率的方法来降低接地电阻值，无论是 在技术上还是在经济上都不是最佳选择。由式2 2 、2 3 可知，变电站接地网接地 电阻与接地网面积成反比关系，即接地网面积越大，其接地电阻值越低。因此在一 定的土壤电阻率下，扩大地网面积，能有效的降低接地电阻值。但是扩大变电站接 地网面积来降低接地电阻的方法因地而异，在城市内、场地狭窄的变电站及土壤电 阻率高的地方这种方法都很难实现，因此可以考虑外延接地网来增大接地网面积。 如果土壤电阻率过高，要想达到规程规定的电阻值，接地网面积的扩大将达到 难以实现的情况，在实际工程设计时，经常遇到的问题是根本没有可直接利用的地 形扩大地网，就得在变电站附近想办法，寻找土壤电阻率低的地方，把水平接地体 延伸出去，在站外另建立地网，使接地电阻降至合格值。 因此在高土壤电阻率地区，若变电站附近两公里内有较低电阻率的土壤时，可 敷设引外接地极。这就要求在确定降阻方案时要对变电站周围进行认真的勘探、测 量，测量出变电站四周土壤电阻率沿水平方向上的分布，找出土壤电阻率较低和适 合做引外接地的位置。因为在山区、丘陵地区土壤电阻率在水平方向上大都呈不均 匀分布，即总有一些地方的土壤电阻率相对较低，可以引外接地。在降阻措施中外 延接地是最简单有效的，也是在接地工程中最常应用的措施。在决定外延接地时应 首先根据可利用来做外延接地的地形、面积、土壤电阻率和接地装置应降低的电阻 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 值来决定外延接地的大小。外延接地部分的接地电阻可用面积公式进行计算，但要 注意该公式是在地网的网格达到一定密度时，才可达到的值，一般情况是达不到该 值的，只是有可能可应用该公式确定外延接地的大致数值。如外延接地以水平地网 为主且边缘闭合时，可由如下公式进行计算 2 5 , 2 6 l 。 b = 式( 3 1 ) 1 + 4 6 - 广二 0s r e = 0 2 1 3 虽- s ( - 们，+ 轰 h 志棚 式2 ， 4 = 3 h 隽一o 2 心 引3 剐 r o = 4 心 式( 3 4 ) 式中s 为接地网面积，h 为水平接地体埋深，l 为水平接地体总长度，l o 为接 地网的外延长度；p 为平均视在土壤电阻率；d 为水平接地极的等效直径；r g 为 等值方形地网的接地电阻；r e 为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻。 对于边缘不封闭的外引接地可用下式计算其接地电阻： 心= 彘倦- o 6 + 司 式中h 为水平接地体埋深；d 为水平接地极的直径或等效直径；r g 为工频接地 电阻；p 为平均视在土壤电阻率；l 为水平接地体总长度；a 为屏蔽系数。对于 外引接地除要满足降阻的需要外，更重要的是要严格限制高电位外引，因此对外引 接地要验算外延处的跨步电压绝对满足： 乩：17 4 + f 0 7 一p s f 式( 3 6 ) 式中风为外延处的地表土壤电阻；t 为接地短路电流持续时间；u x 为跨步电压。 在外延接地设计时应进行最大跨步电压的计算，可按下式计算。最大跨步电压为： 虬一2 妊一式( 3 7 ) 式中u s m x 为最大跨步电压； s 一为最大跨步系数。 要保证外延地网的安全必须满足： u s m x u x 式( 3 8 ) 所以在设计外延接地时，应首先考虑降阻的需要以决定外延地网的大小：再考 虑安全的需要以决定外延地网的网格布置、埋深和形状：还要考虑外延地网不被破 坏以及不妨碍以后的建设等综合因素。同时在设计外延接地时还要尽量地考虑减少 接地体之间的相互屏蔽，使之发挥最大的降阻效果，节约投资。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 2 深井式接地极降阻技术 土壤的电阻率通常沿纵深和横向分布式不均匀的，就纵深来说，不同深度的土 壤电阻率是不同的，一般接近地面几米内的电阻率相对高些，并且不稳定随着季节 气候的变化而变化。当接地网所处土壤存在下层低电阻率层时可采用深井式接地极 进行降阻，或构建立体地网【2 7 】。采用深井式接地极时要求对接地装置及其四周测出 垂直方向上的土壤电阻率分布。现场可采用等距四极法测量土壤电阻率，用等距四 极法测量土壤电阻率时。改变间距离a 时，可测出不同深度的土壤电阻率。因为等 距四极法测土壤电阻率的极间距离与反应的土壤电阻率有0 7 5 a 的关系，所以改变 不同的极间距离可测出不同深度的土壤电阻率。单个深井式接地极接地电阻可按下 式计算： 尺：上l i l 丝 2 万la 式( 3 - 9 ) 式中p 为平均视在土壤电阻率，l 为垂直接地极的长度，a 为垂直接地极的半 径，r 为接地电阻。接地井直径在7 5 m 以上，深度则取决于所采用的钻孔设备。接 地井由于增加接地极的直径而能明显降低总体接地电阻。深井接地极必须配备使用 低电阻率材料才能取得较低的接地电阻。回填材料可以采用高导电率的黏土和水组 成的泥浆。由于回填材料能从周围环境中吸收湿气，接地井不需要任何维护也不会 变干。另外，也可以采用深孔爆破制裂一压力灌溉降阻剂法莱形成一个巨大的低电 阻区域，以达到降阻的目的。 深井式接地极降阻技术可减少占地，接地装置的接地电阻受气候影响较小，且 接地问题在站内解决，不与周围农民发生关系，因而受到电力系统的偏爱。但采用 深井式接地极同样要考虑屏蔽问题，深井式接地极一般应设在水平地网的边缘，深 井式接地极之问的间距应达到接地极长度的2 3 倍，才能取得较好的降阻效果。现 场适合于采用深井式接地极的场所较少，只有在地下有金属矿，或北方地表土壤干 燥，而地下水丰富的场所才适用。而一般的地区往往都是深层土壤的土壤电阻率高 于表层的土壤电阻率，特别是深层为岩石的山区和丘陵地区，深层土壤电阻率往往 高于上层土壤的电阻率，这时不适宜采用深井式接地极。再则，深井式接地极的施 工费用往往大于水平接地体施工费用的若干倍，就是均匀土壤采用深井式接地极也 是不经济的。 3 3 降阻剂降阻技术 目前降阻剂已在实际的接地工程中得到大量的、长期的应用，是接地网降阻选 用的最有效方式之一，因此很有必要对利用降阻剂降阻进行系统的分析。本节首先 分析降阻剂的降阻机理、各种降阻剂的特点、并结合降阻实际应用的特点从降阻剂 l l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的技术指标、选用、施工方案、运行及维护等方面提出了降阻剂降阻方案提出。 3 3 1 降阻剂的降阻机理 降阻剂降阻机理是充分利用其扩散和渗透作用来降低接地体周围的土壤电阻 率。关于扩散和渗透作用，一般化学降阻剂强于其他形式的降阻剂，如膨润土类的 降阻剂其扩散和渗透作用较差【2 引。但降阻剂的稳定性和长效性与扩散和渗透作用是 矛盾的，扩散和渗透好的降阻剂其稳定性和长效性都比较差，因为扩散和渗透性强 的降阻剂容易随雨水的流失而流失。此外，接地体同周围施加降阻剂后，相当于扩 大了接地体的有效截面，这种机理对固体降阻剂和膨润土类降阻剂最为明显，而化 学降阻剂和树脂状的降阻剂随着时间的流失及有效截面的增大而不太明显，会越来 越小。 利用降阻剂消除接触电阻，接地体的接地电阻可以分为两部分，一是接地体与 周围的大地所呈现的电阻r d ；二是接地体与周围土壤的接触电阻r j ，r j 的大小与 接地极周围的土壤有关，一般土质越密实，接触电阻越小，土壤越松散，接触电阻 越大：接触电阻还与电极表面状况有关，接地极表面越光滑，接触电阻越小，接地 极表面越粗糙，接触电阻越大。接地极生锈后，接触电阻会逐渐增大。接地体施加 降阻剂后，会减少或消除接触电阻，但只有某些物理降阻剂和膨润土类降阻剂才具 有这方面的功能，而化学降阻剂和流质降阻剂则不具这方面的功能，有些降阻剂由 于腐蚀还会使接触电阻变大。 降阻剂的吸水性和保水性可以改善并保持土壤导电性能，土壤的导电性能除了 与土壤所含金属导电离子的浓度有关外，还与土壤的含水量有关。某些降阻剂具有 较强的吸水性和保水性，如膨润土类降阻剂，具有较强的吸水性，吸水后体积膨胀 并能长期保持水分成为浆糊状，使接地电阻一直保持稳定而不受气候的影响。 3 3 2 降阻剂的分类 目前市场上的降阻剂可分成以下几类f 2 9 】： ( 1 ) 、化学降阻剂 采用电解质为导电主体，胶凝物对金属有较强亲合力的降阻材料。由于该降阻 荆采用电解质作为导电主体，很难保证合格的腐蚀率和长效性，所以对于这种产品 应不再使用。 ( 2 ) 、物理降阻剂 采用非电解质固体粉末为导电主体，以强碱弱酸盐为胶凝物，对金属有较强亲 合力的降阻材料。由于这类降阻剂不含电解质，所以导电性能不受土壤含水量的影 12 华北电力大学工程硕士专业学位论文 响，但由于该降阻剂不能显著改善接地体周围土壤电阻率，所以影响了其降阻效果。 为了达到降阻效果，该降阻剂用量一般较大，该类产品在凝固后不会由于地下水位 变化而流失。所以适用于施工条件较为理想，或者地下水位变化较大的区域。 ( 3 ) 、稀土类降阻剂( 混合型) 利用稀土的一些特性，以膨润土( 非金属矿) 为基料，加入一定比例添加剂的 降阻材料。该降阻剂能够扩大接地体有效面积、减小接触电阻、改善周围土壤电阻 率，是目前应用最为广泛的产品，但其施工工艺要求严格，价格较高。 ( 4 ) 、接地模块 除上述常见的降阻剂外，接地模块也属于一种特殊的降阻材料。是一种在降阻 材料中加入一定比例的添加剂，经由模具干燥成型，与接地系统直接相连的降阻产 品。该产品近年来已有应用，但其价格较高，且缺乏运行数据，应谨慎采用。 3 4 降阻剂降阻技术的实施方案 3 4 1 降阻剂的技术要求 选用降阻剂应从降阻效果、腐蚀性、环保、应用方便等几个方面进行综合比较， 优先选择选择电阻率低、腐蚀率低、长效环保、易于施工的产品，不得使用化学降僻 阻剂。对降阻剂的具体技术要求如下： ( 1 ) 、室温下降阻剂在工频小电流下所呈现的电阻率应小于5 d m ( 对于应用场 合有特殊要求的产品，要求提供4 0 至8 0 之间至少5 点的电阻率供用户选用) ， 经过工频大电流耐受试验、失水、冷热循环、水浸泡试验后，其电阻率不应大于6 d m ； ( 2 ) 、降阻剂的p h 值应在7 至1 2 之间； ( 3 ) 、埋地前，降阻剂及对镀锌或不镀锌的低炭圆钢和扁铁的腐蚀率不大于 0 0 3 m m 年，埋地时腐蚀率不大于0 0 5 m m 年； ( 4 ) 、降阻剂中不应含有溶于水的有害成分； ( 5 ) 、降阻剂应通过降阻效果稳定试验： ( 6 ) 、降阻剂应保证在规定的适用条件下能够维持降阻效果1 0 年以上。 3 4 2 降阻剂的选用 应避免不分场合的过度采用降阻剂降低变电站接地网的接地电阻值，在平原地 区一般不应使用降阻剂；在以下场合，在布置放射形接地极或连续伸长接地极仍不 能满足接地电阻值的要求时，可考虑采用降阻剂： ( 1 ) 、土壤电阻电阻率超过2 0 0 0 f 1 m 的山区； ( 2 ) 、受周边条件限制无法采用其它降阻措施，土壤电阻率超过1 0 0 0 f 1 m 的地 1 3 华北电力大学t 程硕上专业学位论文 ， 区； ( 3 ) 、无法采用放射形接地极或连续伸长接地极的其它区域。 3 4 3 降阻剂的施工方案 ( 1 ) 、降阻剂的用量：降阻剂的经济用量应视不同的土壤而定，在接地体上的敷 设厚度应在5 r a m 以上，表3 1 给出了降阻剂的最少用量。 表3 1 降阻剂推荐用量 惑率 p 5 0 0 5 0 0 9 1 0 0 01 0 0 0 2 0 水平 1 01 52 02 0 垂直 1 21 6 2 23 2 ( 2 ) 、生产厂家必须对产品提供详尽的施工说明书，并指出施工工艺中的关键点， 施工单位应严格按照说明书操作，必要时应要求生产厂家派人现场指导。 ( 3 ) 、施工方法：首先在现场按产品说明提供的比例，把降阻剂加水搅拌均匀， 成浆糊状。立即倒入放好接地体的坑中，再填满细土并夯实，其埋深不宜小于 8 0 0 r a m ，如图3 一l 所示。 参缆。一一舞，；i ，菇，够：耢雾瞬罄嫩黪霪 i 鳘i3 1 降阻剂施l ：示意图 在垂直接地极使用降阻剂施工，无机械打孔条件时，可预定敷设降阻剂的接地极 外径，以钢管作为外模，放在人工丌挖的接地坑中，把接地极放在钢模中央，使它们处 于垂直位置。钢模外面用细土回填，调制好降阻剂，倒入钢模与接地极之i 日j ，然后向上 拉出钢模再浇水夯实。如图3 2 所示。 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图3 - 2 垂直接地体的降阻示意图 ( 4 ) 、施工中的注意事项：使用降阻剂应按厂家说明书上的方法配料和施工，一般 要注意： a 、降阻剂基料避免使用强腐蚀性的材料如火山灰、矿渣等，添加剂中不应有大量 的无机盐； b 、降阻剂要均匀的施加在接地体的周围，不能有脱节现象，接地导体在穿马路或 掏洞穿过时，地下应现预制好带降阻剂的扁钢进行穿过不然保证不了质量。 c 、4 0 左右的接地体涂敷降阻剂后，继续增加降阻剂，其效果趋缓，所以施工中 会出现部分未施加降阻剂的接地体，对施加降阻剂和不施加降阻剂的地方要有 过渡措施，采取密封等手段，防止在界面上发生腐蚀； d 、降阻剂的埋深要足够，埋深不宜低于8 0 0 m m ； e 、回填土要合格，不可用垃圾、矿渣等回填，如有