（电气工程专业论文）乌海地区变电站接地工程设计方法研究.pdf

华北电力人学l 科- i 硕十学位论文摘要 摘要 通过调查乌海地区变电站接地网设计及通常采用计算方法的情况，全面分析了 目前设计中存在的问题。比较常用计算方法的优缺点及适用范围，找出适于山地地 区，并且容易被工程技术人员掌握的变电站接地网接地电阻计算方法。对几个典型 的变电站( 新建变电站、地网改造项目、用户站接地系统) 进行了数据分析，建立 双层土壤电磁模型，借助图表来分析、计算变电站的接地电阻的方法比只依靠电 力工程电气设计手册的简单计算公式进行计算的方法更精确，可以满足工程设计 的要求。针对山地地区变电站接地问题，探讨了土壤电阻率和接地电阻的测量方法， 重点研究了降低接地电阻的方法。 关键词：乌海地区，变电站，接地电阻，设计方法 a b s t r a c t b yi n v e s t i g a t i n gt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so fg r o u n dg r i do fa s u b s t a t i o ni n w u h a id i s t r i c t ，t h ep r o b l e m si nt h ed e s i g nm e t h o d sa r ea n a l y z e d t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h e c o m m o nc a l c u l a t i o nm e t h o da n di t sa p p l i c a b i l i t ya l ed i s c u s s e d a c a l c u l a t i o nm e t h o do fs u b s t a t i o ng r o u n dr e s i s t a n c ei nm o u n t a i na r e a , w h i c hc a nb ee a s i l y u s e db yac o m m o ne n g i n e e r ，i ss u g g e s t e d t h eg r o u n dr e s i s t a n c e so fs e v e r a ls u b s t a t i o n sa r e c a l c u l a t e db yu s i n gt w om e t h o d s ，a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e d o n e s t h ef i r s tm e t h o di sb a s e do nt h er e d u c e df o r m u l ai nt h eh a n d b o o ko fe l e c t r i c a le n g i i n e e a - t h es e c o n dm e t h o di sb a s e do nt h et w o - l a y e rs o i lm o d e l ，a n dc h a r t s a r eu s e di nt h e c a l c u l a t i o no ft h eg r o u n dr e s i s t a n c eo fs u b s t a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e c o n dm e t h o d i sb e t t e rt h a nt h ef i r s t ，a n ds u i t a b l ei ne n g i n e e r i n gd e s i g n f o rs u b s t a t i o ng r o u n dp r o b l e m si n m o u n t a i na r e a , t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so fr e s i s t i v i t yo fs o i la n dg r o u n dr e s i s t a n c eo f g r o u n d i n gg r i da r ea n a l y z e da n dt h e m e a s u r e sd e c r e a s i n gt h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei ss t u d i e d w uc h u n l i n g ( 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 il i n k e yw o r d s ：w u h a id i s t r i c t ，s u b s t a t i o n ，g r o u n dr e s i s t a n c e ，d e s i g nm e t h o d 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文乌海地区变电站接地工程设计方法 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：日 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： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1接地系统 第一章绪论 在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及电气设备的某些 部分与大地相连接，这就是接地。比如工作接地、防雷接地、保护接地等。由 于接地电极的存在，当有电流流过接地体时，将使接地电极及其周围的土壤发 热；电流在接地电阻上的压降引起电极电位升高，可能使设备受到这一过电压 ( 反击过电压) 的作用而损坏；电流离开接地体在地中扩散时，在地面上出现 的电位梯度会使人体遭受接触电势和跨步电势的作用。所以，在变电站和发电 厂设计中，对接地网的接地电阻有严格规定。 变电站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。近年来，随着电力系统的发展，故障时经地 网流散的电流越来越大，故障时地网的电位也随之升高，由于接地措施的缺陷 而造成的事故也屡有发生，给运行人员和检修人员的安全带来威胁，同时使一 次设备的绝缘遭到破坏，进而扩大事故，给企业带来巨大的经济损失和不良的 社会影响。 电力系统为了工作和安全的需要，接地主要有以下几方面的目的：为了降 低电力设备的绝缘水平，我国在l l o k v 及以上的电力系统多采用中性点接地的 运行方式，这种接地称为工作接地，在交流系统中，正常情况下流过工作接地 电极的电流是不大的不平衡电流，只是在系统发生接地故障时才会流过高达数 十千安的短路电流，但持续时间不长，一般只有o 5 秒左右；为了避免雷电的 危害，避雷针、避雷线、避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便把 雷电流导入大地，这种接地称为防霄接地，流过防雷接地的是时间很短的雷电 流，其值有时可达数十至数百千安；为了保证人身的安全，电气设备的外壳必 须接地，这种接地称为保护接地，当电气设备绝缘损坏而使外壳带电时，流过 保护接地体的故障电流应使相应的保护装置动作，切除已损坏的设备，或使外 壳的电位在安全值以下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的触电事故。 随着电力系统的发展，电网容量的增大，电力系统发生故障时经接地网流 散和电流愈来愈大，短路电流往往会达到几十千安，接地电阻若有很小的误差 即可导致难以弥补的损害，所以如何准确地测量和计算接地网的接地电阻成为 人们关心的课题。 华北电力大学工程硕士学位论文 目前，在电力设计行业中执行的设计规程主要是利用经验公式来估算所设 计接地网的接地电阻；现行的测量方法是在均匀土壤的基础上，测得土壤电阻 率取平均值。大型变电站、发电厂接地网的面积大，地质结构复杂，利用经验 公式很难准确计算其接地电阻，利用现行的三极法也不能对其接地电阻进行准 确测量。因此有必要研究接地网接地电阻精确的计算方法及多层土壤中大型接 地网的接地电阻计算和测量的新方法。 1 2 本课题的研究意义和重要性 任何接地电极都存在有接地电阻。接地电阻是电流i 经接地电极流入大地 时，接地电极的电位v 与i 的比值，它主要是大地所呈现的电阻。接地电阻的 大小除和大地的结构、土壤的电阻率有关外，还和接地体的几何尺寸和形状有 关，在雷电冲击电流流过时还和流经接地体的冲击电流的幅值和波形有关。 由于接地电阻的存在，当有接地电流通过接地体时，将使接地电极及其周 围的土壤发热，电流在接地电阻上的压降将引起接地电极的电位升高，可能使 设备受到这一过电压的作用而损坏；电流离开接地体在地中扩散时，在地面上 出现的电位梯度会使人体遭受接触电势和跨步电势的作用。为此对接地电阻的 值必须加以控制。 接地电阻的计算、跨步电势和接触电势的计算以及电极防腐的措施是接地 设计的关键。本课题主要研究接地电阻的计算方法在电力系统设计中的应用。 在进行接地计算时必须知道接地体散流所涉及的范围内的土壤电阻率。当 地网尺寸很大，散流所涉及的范围较大时，必须考虑深层土壤的作用。土壤电 阻率及其分层情况要通过实际测量得出。 接地计算还和电流的频率以及电流在地中的流散方式有着密切的关系。 进行接地计算除了需要电流场的基础外，还需要有波过程和电磁场的基础。 由于计算的复杂，除了某些简单几何形状的电极的接地计算可以用解析法求解 外，在地网形状复杂或大地结构复杂时，很难得出解析解。计算机数值分析给 复杂条件下的接地计算创造了条件。然而为方便起见，工程实际中往往希望有 较为简单的计算公式，因此根据计算机数值计算的结果拟合出各种复杂条件下 的接地计算的实用公式在实际工作中将会起到重要的作用。 乌海地区是内蒙古自治区最西部的一个地区，该地区矿产资源丰富，地质 情况复杂。近年来，由于电力系统容量迅速扩大，入地短路电流大幅升高，系 统要求的接地电阻值较低。而各个变电站供电主要服务于煤矿、化工等企业， 变电站站址位置一般靠近山区或沙漠，土壤电阻率变化范围大，解决该地区的 2 华北电力大学工程硕士学位论文 接地电阻值偏高的问题成为变电站设计中的重要问题，也是难题。 研究这些地质条件差，土壤电阻率变化大的变电站接地问题，经济有效地 降低接地电阻，改善变电站的安全性能已成为设计行业中西部地区共同存在的 问题。设计人员由于采用估算的方法应用于工程设计中，考虑到接地电阻计算 值误差较大，往往盲目的加大工程接地材料及降阻材料，或采用边施工边测量 的方法，给工程施工带来不便。，不利于工程造价的控制。因此，接地电阻值的 准确计算，在接地设计中起着非常重要的作用，如果有严密的计算，精确的计 算结果，可以大量的节约接地材料以及降阻材料，降低变电站投资，使工程造 价得到控制，为国家节约资金、经济运行起到重要的作用。 1 3国内外研究现状 近年来，国内接地技术研究工作主要集中在测量仪器的研制开发上，目的 是排除外界电磁干扰对测量准确度的影响。至今已出现了电流电压法【3 】、干扰补 偿法【3 1 、频率差拍法r 16 1 、差频补偿法【16 1 、四极法川等大电流测量方法，以及抗 干扰接地摇表【5 1 、振荡器一一选频电压表法【5 1 、频谱分析法1 15 1 、变频法【1 5 1 等小 电流测量方法。这些方法都是在布好接地电极的基础上，利用不同的方法消除 测试回路中的电磁干扰，使测量更准确。但如果电流极和电压极的布置不合理， 即使不存在任何干扰，利用最先进的仪器，也不可能测得准确的接地电阻值。 因此，合理的设置电流极和电压极是接地电阻测量的关键。 我国这些年在电流极和电压极的合理布置方面的研究工作还主要局限在均 匀土壤中简单几何形状的接地电极的解析法研究。如文献 3 】即是使用这种方法。 对分层土壤中大型接地网接地电阻测量问题，主要因为研究手段的限制，很难 取得突破性成果。电磁场的数值计算方法在这一问题上具有很大的优越性，国 内虽已有不少这方面的软件，但都不够成熟。 国外除了在测量仪器方面取得了飞速发展外，还对双层土壤中大型接地网 的接地电阻进行了初步研究。提出了双层土壤时电流极和电压极布置与土壤的 反射系数及上层土壤的厚度相关曲线，可用于修正实际的测量结果，但是在实 际工作中，土壤的具体分层情况是很难知道的，故此方法到实际应用尚有较大 距离；同时证明了在双层土壤中接地网接地电阻测量时的电流极到被测接地电 极的距离大于1 0 0 0 倍上层土壤厚度时，不均匀土壤对测量结果的影响可忽略不 计。 由加拿大s e s 公司提供的c d e g s 软件包为分层土壤中大型接地网接地电 阻的研究提供了强大工具，并可方便地应用于实际测量。 华北电力大学工程硕士学位论文 c d e g s 软件包【2 2 】是电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析( c u r r e n t d i s t r i b u t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，g r o u n d i n ga n ds o i ls t r u c t u r ea n a l y s i s ) 的英文缩写，由加拿大s e s 公司经过十余年的研究开发而成。c d e g s 软件可以 用于电力系统接地研究、电磁干扰分析、拟制交流干扰研究，并可以解决阴极 保护问题等。它的功能比较强大，可在正常、故障、雷电、暂态条件下，计算 地上或地下任意位置的带电导线组成的网状结构产生的接地电位、导线电位和 电磁场。c d e g s 还为简单的、裸的和含外皮的金属管、封闭管道、电缆系统和 复杂土壤结构中的各种导线建立了计算模型。 r e s a p 子模块【2 6 j 可以由实际测量得到的土壤电阻率数据确定等价的土壤 结构模型。在此土壤模型基础上，才可能进行接地系统分析、阴极保护研究和 线路参数的计算。r d s a p 子模块可以为水平多层土壤、垂直多层土壤、水平方 向呈指数变化的土壤结构建立等价计算模型。 m a l t 子模块【3o 】可以进行接地分析，用于地下导体网的低频分析，范围为 直流和工频。它可以对h v d c 和h v a c 电厂、变电站、输电铁塔的接地网进行 分析，以及进行阴极保护研究。它可分析处于垂直、水平、球形分层的土壤中 任意配置的复杂接地网。这是c d e g s 中最早发展起来的工程软件。 1 4本文的主要工作 根据对乌海地区变电站接地问题调查及对新建变电站的采用设计方法的情 况，本次课题研究最终要达到以下目的： 全面分析目前设计中计算方法存在的问题，比较它们的优缺点及适用范围， 找到适用于电力设计工作的接地电阻计算方法，该方法使设计人员容易掌握、 并应用于乌海地区的接地设计工作中。 选择几个典型的应用现场( 新建变电站、地网改造项目、用户站接地系统) 并设计各种接地方案，进行数据分析。已建变电站及地网改造项目采用新的计 算方法与原有计算结果的比较，对各种情况分别讨论。新建变电站采用新的计 算方法作出设计，并沿续到今后的设计工作中。 不只依靠的文献 1 4 简单公式计算方法，尝试利用文献 1 的计算方法，即 借助图表来分析乌海地区变电站的接地状况，对乌海地区变电站接地设计中多 年形成的设计方法进行改进。不断完善，不断积累成功经验，记录并分析各种 实验数据，找出造成计算误差的各种因素为乌海地区的变电站接地计算找出 一种准确可靠的计算方法。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章乌海地区变电站接地问题分析 2 1乌海地区变电站接地问题调查 乌海地区是内蒙古自治区最西部的一个地区，该地区地质情况复杂。近年 来，由于电力系统容量迅速扩大，入地短路电流大幅升高，变电站采用综合自 动化装置等因素，变电站要求的接地电阻值较低。目前，在乌海地区电力系统 接地设计工作主要有两种情况：一种是新建变电站的接地设计，另一种是改造 项目的接地设计。由于新建变电站目前均采用综合自动化装置，系统要求设计 接地电阻值小于o 5 欧姆，设计按照程序根据变电站土壤电阻率测试值、设计 接地网、计算接地电阻、采用降阻方法，最终使变电站接地电阻值小于o 5 欧 姆。而改造变电站需由试验单位对变电站现有地网情况进行测试，由设计单位 通过现场勘察及对现有情况进行分析，并拿出接地网改造的设计方案，进行接 地电阻计算。下面对已建变电站中有代表性的四个变电站进行调查。 2 1 1 变电站的地网测试报告 乌海电业局高压试验所2 0 0 0 年对全市变电站的地网接地电阻进行测试，测 试采用人工放线， li o k v 变电站对角线3 0 0 米，电流线约长1 0 0 0 米，电压线约 长6 0 0 米，3 5 k v 变电站对角线1 5 0 米，电流线约长6 0 0 米，电压线约长4 0 0 米。 用三极法进行测试。测量结果见表2 1 至表2 4 。 图2 - 1 地网接地电阻试验接线 图中：g ：被测接地网p ：测试用电压级 c ：测试用电流级 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 1 碱柜3 5 k v 变电站测试结果 序号接地引下线点u 2 4u 2 4 7 i ( a )r ( q ) 1 1 # 主变 4 0 0 04 0 0 05 0 67 9 1 2 2 # 主变 4 0 0 04 0 0 0 5 0 6 7 9 1 36 3 0 开关1 2 0 01 2 0 05 1 12 3 5 46 3 2 开关 l1 0 0 1 1 0 05 122 15 56 3 4 开关1 4 0 01 4 0 05 0 92 7 5 试验数据分析及结论：从上述五组测试数据及各电流入地点接地电阻计算结果：碱 柜变电站地网接地电阻为最大值为7 9 lq ，超出3 5 k v 变电站接地电阻设计值4q 的要 求，建议对地网进行开挖检查。 表2 - 2 河拐子3 5 k v 变电站测试结果 序号接地引下线点 u 2 4u 2 4 i( a )r ( q ) 11 # 主变6 0 1 26 0 1 29 2 26 5 2 22 # 主变 6 0 1 26 0 1 29 2 26 5 2 33 0 2 开关4 6 5 04 6 5 09 4 54 9 2 43 0 1 开关4 1 5 0 4 1 5 09 3 04 4 6 5 3 5 k p t4 6 5 04 6 5 09 4 54 9 2 试验数据分析及结论：从上述五组测试数据及各电流入地点接地电阻计算结果：河 拐子变电站地网接地电阻最大值为6 5 2q ；超出3 5 k v 变电站接地电阻设计值4q 的要 求。建议对地网进行开挖检查。 表2 - 3 乌达新1 l o k v 变电站测试结果 序号接地引下线点 u 2 4 u 2 4 i( a )r ( q ) 11 # 主变 5 0 05 0 09 0 9 0 5 5 22 # 主变 5 o o5 o o 9 0 90 5 5 31 0 1 开关5 0 0 5 0 09 0 90 5 5 410 2 开关 5 0 05 o o9 0 9o 5 5 515 1 开关 5 0 05 0 09 0 90 5 5 6 15 2 开关5 0 0 5 0 09 0 90 5 5 715 3 开关 5 0 05 o o9 0 90 5 5 8 l5 4 开关5 0 0 5 0 09 0 90 5 5 6 华北电力大学工程硕士学位论文 9 1 1o k vi 段避雷器 5 0 0 5 0 09 0 90 5 5 1 01 i o k v i i 段避雷器5 0 05 0 09 0 9o 5 5 l l3 0 1 开关 5 0 05 0 09 0 9o 5 5 1 23 0 2 开关5 0 05 0 09 0 90 5 5 试验数据分析及结论：从上述十二组测试数据及各电流入地点接地电阻计算结果： 乌达新变电站地网存在问题。其所测接地电阻值均衡，测试电流、电压稳定。乌达新站 主网接地电阻实测值为0 5 5q ，实测结果超出1 l o k v 变电站接地电阻设计值0 5q 的设 计要求，建议对地网进行开挖检查。 表2 - 4 海勃湾1 l o k v 变电站测试结果 序号 接地引下线点 u 2 4u z 4 7 i ( 安)r ( 欧) l1 号主变2 4 5 02 3 5 0 2 6 3 7 0 9 1 22 号主变2 2 5 02 1 2 52 6 3 60 8 3 3 1 1 5 开关 2 2 0 0 2 1 0 02 6 5 40 8 l 41 5 1 开关 2 0 0 01 9 5 02 6 3 30 7 5 5 l l o k y 母线避雷器 2 0 0 0 1 9 5 02 6 3 30 7 5 63 1 0 1 开关 2 0 5 01 9 5 02 6 3 20 7 6 7 3 3 0 0 开关 2 7 o o2 7 0 02 6 2 l1 0 3 83 5 k vi 母线避雷器2 0 5 01 9 5 0 2 6 3 2o 7 6 93 3 1 开关 2 2 5 02 2 0 02 6 4 90 8 4 1 0 3 3 2 开关 2 1 5 02 0 5 02 6 2 50 8 0 1 1 3 3 3 开关 2 3 0 02 2 0 02 6 4 70 8 5 1 23 3 5 开关2 7 5 02 7 5 0 2 6 1 91 0 5 1 3 3 3 6 开关 2 2 0 02 1 0 02 6 2 2o 8 2 1 4接地井 2 4 5 02 4 0 02 6 3 6o 9 2 1 5 3 3 0 0 开关 2 7 0 02 7 0 02 6 2 1 1 0 3 实验数据分析结论：从上述十五组测试数据及各电流入地点接地电阻计算结果，本 站地网存在严重问题。所测接地电阻值均衡，测试电流、电压稳定。接地电阻值为 o 7 5 1 0 5 q 之间，平均值为0 8 6 欧姆，超出l l o k v 变电站接地电阻设计值0 5 q 。建 议对地网进行开挖检查，并实施全面改造。 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 1 表2 _ 4 中，u 2 4 、u z 4 为两次测得的电压值。 u 2 4 + 【，二 r =2 i r 由公式2 - 1 计算所得 ( 2 1 ) 以上所有变电站的地网测试报告中测量数据及计算公式均由试验单位提供。 2 1 2 乌海地区变电站接地电阻的计算分析 在本次研究工作之前，乌海地区的变电站接地网改造方法及计算方法一般 采用以下方法。以下为根据2 0 0 0 年测试结果进行的改造情况。 根据高压试验所对各变电站接地网测试，以上4 个变电站的接地电阻实测 值均超过设计值，通过对测试报告的分析研究及现场勘察情况，需对变电站的 接地网进行改造，否则将影响变电站的正常运行。将改造办法及计算过程提供 如下，做为改造接地网的施工依据。 依据文献 1 4 中工频接地电阻的计算，复合式接地网s 1 0 0 2 的闭合接地 网，要求阻值r o 5q ( 3 5 k v 变电站要求阻值r 4q ) 。本次所涉及的变电 站s 均大于l o o m 2 ，可采用上式。根据工频接地电阻允许值，对于大接地短路电 流系统，r = = ( i 为计算用的流经接地装置短路电流) 。当i 4 0 0 0 a 时，接 地电阻的允许值为0 5q 。根据乌海电力网目前的系统状况，1l o k v 入地短路电 流大于4 0 0 0 a ，所以取r 0 5q 做为变电站设计的接地电阻允许值。 p r - 2 。丽 ( 2 - 2 ) 施用降阻剂后，由降阻剂厂家提供的施用降阻剂后的经验公式计算： r ，- 三l n k ：r 。l n k ( 2 - 3 ) 2 ，s 公式( 2 - 3 ) 中，当5 0 0 r 1 0 0 0q m 时，k = i 1 0 下面分别对变电站不合格接地网改造后的接地网进行计算。 1 3 5 k v 变电站 碱柜变电站是一个运行多年的变电站，碱柜地区的土壤为含砂粘土、砂土， 土壤电阻率一般为1 0 0q m 、1 0 0 0q m 之间，乌海为少雨地区，比较干燥，属 于高土壤电阻率地区。碱柜变电站地网所在土层的土壤电阻率测试结果平均值 为9 0 0q m ，根据接地电阻测试结果来看，全站接地电阻较大，主要1 # 主变， 2 # 主变两点测试值较高，建议先将1 # 、2 # 主变周围接地网开挖，检查接地主 网及接地引下线。开挖后根据不同情况做以下处理：接地引线断裂或虚接的部 分，将接地引线重新接入主网，对已开挖的主网部分进行防腐处理并刷锌，包 华北电力大学工程硕士学位论文 裹降阻剂，施工完毕待接地网稳定后，重测接地电阻值。 占地面积： 6 0 x 6 0 地网面积： 5 0 5 0 土壤电阻率：p 取平均值 9 0 0q m 将以上数据代入公式( 2 2 ) 卧o s 啼一o s x 蔷岛观。 敷设降阻剂后，将以上数据代入公式( 2 3 ) r = rl l n k = 9 0xl n l 1 = 0 8 6 4q 河拐子变电站是1 9 9 2 年建成，测得土壤电阻率为9 6 0q m 。河拐子的土质 情况为砂土( 土壤电阻率大于5 0 0q m 的均为高土壤电阻率地区) 。从接地电 阻测试结果来看，全站的地网已不符合要求。建议将地网开挖进行改造。由于 河拐子变电站建设年代较短，只需将腐蚀部分的地网进行更换，全站地网补刷 锌，全站重新敷设降阻剂。 占地面积： 6 4 4 0 地网面积： 5 5 x 3 5 土壤电阻率：p = 9 6 0q m 将以上数据代入公式( 2 2 ) p 9 6 0 r - = 0 5 万：0 5x 乃再可= 1 0 9 q 敷设降阻剂后，将以上数据代入公式( 2 3 ) r = rl l n k = l o 9 x l n l 1 = 1 0 3q 4 q 2 1i o k v 变电站 乌达新站建于1 9 9 3 年，当时测得土壤电阻率7 8 0q m 。从接地电阻测试结 果来看，目前地网运行基本稳定，但接地电阻值偏大。分析过去使用粉末降阻 剂，流失较为严重，经多年运行后，降阻剂已包裹不均匀或已完全流失，建议对 地网开挖检查，将地网受腐蚀部分更换，将全站重新敷设液体降阻剂。待地网 稳定后测试接地电阻。 占地面积： 1 2 5 1 5 0 m 2 地网面积： 1 0 5 1 3 0 m 2 土壤电阻率：p = 8 0 0q m 将以上数据代入公式( 2 2 ) 9 华北电力大学工程硕士学位论文 r ，：o 5 止：0 5 x 坠：3 4 2q s10 5x 13 o 敷设降阻剂后，将以上数据代入公式( 2 - 3 ) r7 = r 。l n k = 3 4 2xl n l 1 = 0 3 3q 海勃湾1i o k v 变电站设备运行状况正常，但接地网存在严重问题。从现场 勘查情况来看，由于地网运行多年，当时设计的主接地网材料截面小，接地材 料腐蚀严重，无法改造，建议将全站地网进行重新敷设并施用降阻剂。 占地面积：1 3 9 2 1 4 9 5m 2 地网面积：1 3 0 1 4 0m 2 土壤电阻率：p = 9 0 0q m 将以上数据代入公式( 2 - 2 ) p9 0 0 r - 2 0 5 西2 0 5x 刁丽而2 3 3 3 敷设降阻剂后，将以上数据代入公式( 2 - 3 ) r = r 。l n k = o 3 2q 根据以上改造方案，在实施完改造后，以上接地电阻计算值与实际测量值存在较 大误差，误差值见下表： 表2 5 计算结果与测量结果比较 变电站名称 rlr r m v( )v 7 ( ) 碱柜9 o oq0 8 6q2 6 62 3 8 3 56 7 6 7 河拐子1 0 9 0 q 1 0 3q3 9 41 7 6 6 5 - 7 3 8 6 乌达新站 3 4 2q0 3 3q0 4 36 9 5 3 5- 2 3 2 6 海勃湾 3 3 3q0 3 2q0 4 66 2 3 9 1- 3 0 4 3 上表中r m 值为实测值( 2 0 0 0 年改造时的测试值) ，v 为r 。与r m 之间的误差，v 为r7 与r m 之间的误差 v = 墨凸( 2 4 ) 如 v ，- 坠尘( 2 5 ) 从表2 - 5 可以看出，采用厂家提供的经验公式( 2 - 3 ) 的计算结果与实际测量值存 在较大误差，公式( 2 - 3 ) 作为设计依据并不可靠，式中l n k 需得到近一步的修正，才 能与实测值更接近。通过实测值对k 值进行修正，k 值在1 1 3 1 4 3 之间。 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 3 调查结果及结论 通过以上调查情况及实例计算，目前的设计方法及及计算方法还存在一些 问题，并且测试方法也存在问题： 首先，设计方法问题在于设计简单化，设计思路单一。接地网的接地电阻 满足不了要求时，单一的靠使用降阻剂来解决问题。并且使用降阻剂同时存在的 以下问题：在使用降阻剂的初期，其降阻效果较好，随着时间的推移，接地电 阻发生变化在不断的增大，逐渐无法满足变电站运行要求，变电站接地网需重 新改造，造成直接经济损失，这些问题在以上四个变电站的地网改造项目中已 体现。 其次，通过对以上计算结果与测量结果的比较分析，两种计算方法都与实测 值之间有很大的误差。其中，采用文献【1 4 】的公式( 2 2 ) 计算结果r 1 与接地电阻 实测值r m 之间误差v l 更大。施用降阻剂后，接地电阻计算值采用供货厂家提供 的经验公式( 2 - 3 ) 没有可靠的依据，其计算结果r7 并不准确，作为设计依据缺乏 可靠性。 再者，对土壤电阻率的测试结果进行了分析，以上所有设计及测试均将接 地网考虑为在均匀土壤中的敷设，变电站的土壤电阻率采用的是在站内不同位 置测的土壤电阻率平均值，而没有考虑地网在不均匀土壤中的情况，存在一定 的误差。 2 2土壤电阻率测量 在进行精确的接地网分析设计时，土壤电阻率测量是非常重要的。各种因 素，如所埋的金属地网结构、电压极和电流极引线间感应耦合等，都会影响测 量的精确度。土壤电阻率的大小关系到接地工程的难易程度，所以，在进行现 场勘测时，应使用正确的方法进行合理的土壤电阻率的测试。 根据相关的测试规范，土壤电阻率的测试方法有以下三种：单极法、三极 法和四极法测试。在单极法进行测试时，在地下打入一直径为d 的单极垂直接 地极，埋设深度为h ，以内感接地电抗测试仪测试得到该单极接地极的接地电阻 r ，然后有下式得到等效土壤电阻率p = ( 2 x 3 1 4 h r ) i n ( 4 h d ) 。而单极法测试 的准确性与测试电极与土壤接地的紧密程度关系很大。单极接地极的接地直径d 不应小于1 5 c m ，长度不应小于l m 。可改变被试电极的埋设深度h ，反映不同 深度的土壤电阻率的变化。单极法能测试相当于被试电极埋设深度h 的5 1 0 倍 的土壤电阻率，但需多次测试。但在进行单极法测试时，根据现场施工经验， 该数值是有很大误差的。三极法是一种按电极的接地电阻计算公式来反推土壤 华北电力大学工程硕士学位论文 电阻率p 值的方法，在测量时常用垂直接地电极。用三极法测土壤电阻率的最 大缺点是：在所测得的接地电阻r 中包括有棒和土壤间的接触电阻，而该接触 电阻和棒对土壤接触的紧密程度( 是否能晃动) 有很大关系，因此得三极法测 得的土壤电阻率往往会有很大的误差。为了消除接触电阻的影响可采用四极法。 四极法是一种用两个电极使土壤中流过电流，再用另两个电极测出其附近某两 点间土壤的电位差，从而算出p 值的方法。四极法包括等距四极法和不等距四 极法。和测量接地电阻一样，在用四极法进行土壤电阻率的测量时，如果所用 测量设备不能自动消除互感的影响，则应使电流引线和电压引线间保持足够远 的距离以减少互感的影响。采用不等距四极法，可在固定电流极位置不变的条件 下，方便地测出土壤不同点的电阻率，从而对土壤的均匀性作出判定。此外，在受 地形地物等条件限制不可能采用等距四极法时，宜用不等距四极法。 在测试土壤电阻率p 时，应使用测试准确度高，误差小的四极法测试。 图2 2 为等距四极法测量示意图。等距四极法测量的土壤电阻率计算公式为【1 】： p = 2 7 础 ( 2 - 6 ) 式中a 值为电极之间的距离，如图2 2 所示。 图2 3 为不等距四极法测量示意图。图中，l ，4 为电流引线，2 ，3 为电压 引线。不等距四极法测量的土壤电阻率计算公式为： p ：2 z 磁( a + b ) r 1 + 螋】 ( 2 7 ) b c ( b + c ) 如果把电极打在大地表层并使各电极的距离均大于l o h ，取a = b ，c l o a h 为电极打入地表的深度，a 、b 、c 值为电极之间的距离，如上图所示。 不等距四极法测量的土壤电阻率的计算公式可以简化为【l 】： p = 4 z c a r ( 2 - 8 ) 为了准确分析改造变电站的接地问题，除了对新建变电站进行土壤电阻率 测试，还对乌海地区调查过的四个变电站的土壤电阻率进行测试。通过测试结 果，来分析比较测量过程中产生的误差原因，以便于今后在设计工作中提高设 计质量。 电流 引线 电压 s i 线 电压 引线 电流 g 陬 rr rr , 啊_j a y 7 7 a y - a 眵例 一 1 2j qi4 二i qq 图2 - 2等距四极法测量土壤电阻率示意图 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 3 不等距四极法测量土壤电阻率示意图 在2 0 0 6 年8 月至2 0 0 7 年4 月之间，乌海电业局高压试验所对四个新建变 电站和四个改造变电站行土壤电阻率的测量，下面对测量情况分别阐述。 2 - 2 1 新建变电站土壤电阻率测量 新建变电站是巴音陶亥“0 k v 变电站、滨河l1 0 k v 变电站、久泰化工1l0 k v 变电站、久泰煤矿1 10 k v 变电站。其中前两个站是乌海地区的网内变电站，土 壤情况比较复杂，采用不等距四极法测量；后两个站是隶属乌海的用户站，位 置靠近鄂尔多斯，土壤情况相对来说要好一些，地形简单，土质均匀，采用等 距四极法测量。 1 巴音陶亥1 1 0 k v 变电站 巴音陶亥变电站位于农田的边缘，地势较为平坦，主要服务于农田灌溉。 场地土的组成：该变电站勘察最大揭露深度6 0 0 m 范围内的地层，地表一 般为杂填土及第四系粉土、砾砂覆盖层，下伏有强风化砂岩和中等风化砂岩层。 按岩土性质特生育及成因，自上而下各地层情况简述如下： 层杂填土：杂色，松散，干燥。主要由砖块、碎石及建筑垃圾等组成。 厚度0 4 0 m 。 层粉土：第上系冲积粉土q a a l 。土黄色，稍湿，中密，以粉土为主， 夹杂粉砂薄层或透镜体，0 6 0 0 7 0 m 。该层分布于地表，堆积时间短，分布不连 续，不宜作为地基持力层。 层砾砂：第四系山前冲、浇积砾砂q a a l + p i 。灰黄，稍湿，中密。粗粒 含量约占4 0 4 5 左右，成份以石灰岩、石英岩为主，磨圆较差，砾径多在 o 2 3 c m 之间，充填物为粘性土，分选性差，层厚o 8 0 2 10 m 。重型动力触探锤 击数在1 6 7 1 8 3 击之间，承载力特征值f a k = 2 1 0 k p a 。 层强风化砂岩：黄褐色灰色，呈薄层或中厚层状，具水平层理。基岩 的结构和构造大兴安岭大致保存，岩块用手可以掰开，随深度增加，岩石风化 程度逐渐减弱。其标准贯入锤击数为2 7 2 2 9 0 击，层厚o 9 0 1 9 0 m 。承载力特 华北电力大学工程硕士学位论文 征值f a k = 2 6 0 k p a 。 层中等风化砂岩：黄褐色灰色，主要成分为石英，该层结构和构造清 晰，裂隙发育，岩体多呈块状结构，水平层理，整体强度较高，结构面互相牵 制，岩体基本稳定。钻孔未揭穿。承载力特征值f k - - 3 6 0 k p a 。 采用不等距四极法测量土壤电阻率。选变电站的四个墙角作为四个测量点， 把电极打在大地表层并使各电极的距离均大于l0 h ，取a = b ，c l0 a 。将测得数 据代入公式( 2 8 ) ，计算p 值添入表2 6 。 选变电站的主设备基础位置作为测量点，把电极打在大地表层并使各电极的 距离均大于1 0 h ，取a - - b ，c 1 0 a 。将测得数据代入公式( 2 8 ) ，计算p 值添入 表2 - 7 。表中r ( f 2 ) 值为在同一地点3 次测表测得的平均值。从测量结果可以 看出，在不同的土层、选不同的地点，测量结果不同。 表2 - 6 巴音陶亥1 10 k v 变电站土壤电阻率测量值( h = 0 8 m ) 位置西北角东北角东南角 西南角平均值 a ( m )99 99 c ( m )9 09 09 0 9 0 h ( m )o 8 50 8 50 8 50 8 5 r ( q )5 9 84 5 24 8 56 2 65 4 0 p ( qm ) 6 7 5 9 8 5 1 0 9 45 4 8 2 47 0 7 6 36 1 0 7 0 表2 7 巴音陶亥1 1 0 k v 变电站土壤电阻率测量值( h - - 1 8 m ) 位置主变基础开关基础主控室平均值 a ( m )l81818 c ( m )l8 018 0l8 0 h ( m )1 81 81 8 r ( q )4 1 44 2 23 9 74 1 1 p ( qm )9 3 5 9 79 5 4 0 58 9 7 5 39 2 9 1 8 2 滨河110 k v 变电站 滨河l l0 k v 变电站位于黄河边，地形平坦，场地开阔，用于城市居民用电。 场地地质组成：该变电站勘察查明，在钻孔所达深度范围内，场地地层属 第四系风积物和冲洪积物，现分述如下： 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 层粉砂：土黄色，稍湿，松散。风积形成。矿物成份以石英、长石为主， 云母次之。颗粒均匀，分选较好，厚度1 0 0 2 1 0 m 。 层砾砂：灰黄色，稍湿，中密。冲洪积形成。砾石含量约占4 0 左右， 成份以为灰岩为主，石英岩次之，粒径多在0 2 2 c m 之间。颗粒微风化，充填物 为各类砂，分选较差。厚度：1 7 0 2 6 0 m 。 层细砂：土黄色，稍湿，中密。矿物成份以石英、长石为主，云母次之。 颗粒均匀，分选较好，含少量粘性土。该层夹有粉土透镜体。钻孔未揭穿。 该站的设计场坪低于场地勘察地坪o 5 m ，该站地网敷设在1 0 0 2 1 0 m 之间。 采用不等距四极法测量土壤电阻率。选变电站的四个墙角作为四个测量点， 把电极打在大地表层并使各电极的距离均大于l0 h ，取a = b ，c 1 0 a 。将测得数 据代入公式( 2 8 ) ，计算p 值添入表2 8 。 选变电站的主设备基础位置作为测量点，把电极打在大地表层并使各电极的 距离均大于1 0 h ，取a = b ，c 1 0 a 。将测得数据代入公式( 2 8 ) ，计算p 值添入 表2 9 。表中r ( q ) 值为在同一地点3 次测表测得的平均值。从测量结果可以 看出，在不同的土层、选不同的地点，测量结果不同。 表2 - 8 滨河1 1 0 k v 变电站土壤电阻率测量值( h = 0 8 m ) 位置西北角东北角东南角西南角平均值 a ( m )8888 c ( m )8 0 8 08 08 0 h ( m )o 80 80 80 8 r ( q )3 2 l2 。8 93 0 33 。5 63 。17 p ( qm )3 2 2 5 42 9 0 3 93 0 4 4 53 5 7 7 l3 1 8 7 7 表2 - 9 滨河1 1 0 k v 变电站土壤电阻率测量值( h = 1 8 m ) 位置主变基础开关基础主控室平均值 a ( m )181818 c ( m )18 018 0 18 0 h ( m ) 1 8 1 81 8 r ( q ) 1 7 61 8 01 6 41 7 3 p ( qm )3 9 8 9 04 0 6 9 43 7 0 7 73 9 2 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 3 久泰化工1 1 0 k v 变电站 久泰化工11 0 k v 变电站是化工企业用于生产的用户变电站，是终端变电站。 变电站建设标准及设计要求均与网内变电站要求一致。 地形、地貌：勘察场址位于内蒙古自治区乌海市。场地地势平坦，地面高 程114 6 0 1 1 15 3 4 5 米之间。局部地起伏较大，地表分布有风积固定、半固定砂 丘，地表植被较发育。场址区域属侵蚀剥蚀丘陵地貌，微地貌形态为风积砂丘 地貌。 场地覆盖层上部主要为第四系风积砂、全新冲洪积粉细砂及晚更新河流相 沉积的粘性土，根据钻探及室内土工试