降低发电厂、变电所接地装置工频接地电阻的措施

降低发电厂、变电所接地装置工频接地电阻的措施,长沙理工大学电气与信息工程学院,对发电厂或变电所的接地装置来说，工频接地电阻的大小是考核接地装置的主要指标，它直接关系到发电厂或变电所的人身安全，因而也是我们在实际的接地工程中重点解决的技术问题。可是在实际的接地工程中，有些地方由于土壤电阻率非常高，要使接地装置工频接地电阻降到（）规定值以下非常困难。在这种情况下，就要根据现场实际情况想办法降低接地装置的工频接地电阻。第一节充分利用自然接地体降阻在接地工程中，充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结构物以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻、节约钢材以及达到均衡电位接地的有效措施。在发电厂、变电所可利用的自然接地体有：（1）水电站主厂房水下的钢筋混凝土；（2）水电站地下压力钢管或钢筋混凝土管；（3）各类钢筋混凝土基础或钢板衬砌的竖井；,（4）钢筋混凝土或用钢板衬砌的地下式厂房；（5）架空输电线路的“地线杆塔”接地系统；（6）埋于地下的金属自来水管和有金属外皮的电缆；（7）发电厂、变电所主控楼，或高压配电室的钢筋混凝土地基。在利用这些自然接地体时，事先应做好规划，在施工时应对这些钢筋混凝土内的钢筋的连接，以及引出与人工接地网的连接都预先做好计划，施工时同步进行。在人工接地网的设计和施工时，为了充分利用自然接地体的降阻作用，应尽量减少人工接地体对自然接地体的屏蔽作用。第二节外引接地装置当距发电厂、变电所2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极，特别是一些变电所为了节约耕地，一般都建在山坡上，而这样地方的土壤大都为风化石土壤，或者为多岩山地，土壤电阻率一般都比较高，如辱源县的桂,头110kV变电所土壤电阻率高达4800-5200.m，洛阳110kV所的土壤电阻率高达1500.m，翁源所的龙仙110kV变电所土壤电阻率高达1500.m，且下层土壤的土壤电阻率更高。变电所占地面积最大者不超过100100（m2），如在所内把接地电阻降到合格值0.5以下几乎是不可能的。但这三座变电所在2km的范围内都有土壤电阻率比较低的地方（800.m），因而可以在低电阻率的地方铺设专门用于降阻的接地装置，然后用2-3根水平接地体与发电厂、变电所的人工地网可靠的连接起来，可以起到有效的降低工频接地电阻的作用。这里需要特别说明的是，无论是专门用来降阻的外引接地装置，还是引外连接线（水平接地体），其埋深都要达到1.2-1.5m以下。因为这样才能不影响农民的耕作，使接地体免遭破坏。另外，连接线和外引接地装置的截面还要满足要求，并做好防腐处理。如一处外引接地装置能把接地电阻降到合格范围，可根据现场实际情况设置3-4个外引接地装置。,第三节采用深井式接地极当地下较深处有土壤电阻率较低的地质结构时，可用井式或深钻式接地极。把平面地网做成立体地网，利用下层低电阻率的地层来降阻，根据地质结构分为如下三种情况。（1）当土壤为均匀土壤，上下层的土壤电阻率值变化不大，但地面由于受面积的限制或地形的限制无法外延，只有向下发展时，可采用深井压力灌降阻剂的方法建成立体地网，其施工图如图6-1所示。这时流过大地的电流，向垂直和水平方向扩散，在均匀电阻率的土壤中呈半球形等位面扩散，充分利用电流垂直方向的饿扩散分量，可将较大的电流引入地的深层。（2）当土壤为不均匀土壤，土壤在垂直于地面的方向上分层，但下层土壤的电阻率2远远小于上层土壤的电阻率,图4-1深井爆破制裂压力灌降阻剂的施工图,1时，一般为地下有各类金属矿藏、石墨、煤等的土壤，这时可把竖井打到下层土壤内，充分利用下层较低电阻率的地质层来降阻如图6-1所示。图中表示有2口深井的情况。这时，接地电阻的计算公式如下（1）单根垂直接地极的电阻,（4-1）,（4-2）,（4-3）,式中h电阻率为的地层深度，ml垂直接地体的长度，md垂直接地体的直径，m上层土壤电阻率，.m下层土壤电阻率，.m等值电阻率，.m（2）为了充分利用下层较低电阻率的地层来降阻，应多布置一些垂直接地极，并使接地极深入下层土壤的深度要大一些，但深井接地极也有互相屏蔽的问题，布局时要尽量减小屏蔽。（3）土壤为不均匀土壤，但下层的土壤电阻率高于上层的土壤电阻率，这种地质结构多为山区、上层为土壤、下层为岩石，这种情况再采用深井法降阻效果不大，也就没有必要再采用深井法降阻，因为打井的费用要比水平接地体高许多倍，且降阻效果还没有水平接地体的效果好，应尽量采用外延扩网的方法降阻。,深埋接地极埋设的选择时应注意以下几点：（1）首先用等距四极法测量土壤电阻率，并改变极间距离a，测量不同深度的土壤电阻率，找出地层深处电阻率最小的地层，选定若干个深埋接地点，并进行比较。这些深埋地点除地层深处电阻率是较小者外，还应是地电阻率随深度增加而减小较快者，即高电阻率的地面覆盖层的厚度不大，或地下水位较高的地方。（2）在岩石地区选择深埋地点时，应在地质和物探人员的协助下，仔细勘测和分析地下水的位置和深度特别是选择那些在水库蓄水后及引水系统放水后，使地下水位升高的饿地方。例如：某水电厂一个直径为150mm，深50.6m的孔，插入50mm钢管，施工后测量的接地电阻为100。当引水系统放水后，因地下水位升高，水从钻孔冒出，测量的接地电阻为27，两者之比为3.7：1。（3）在发电厂、变电所附近的地区，如发现有金属矿体，可将深埋接地体插入矿体上，利用矿体来延长接地的范围。有资料说明，在电阻率为5000.m的多年冻土中，一个规模为,6000m100m0.8m的镍矿，其接地电阻为1.5。（4）当地面的电阻率较高，一般浅埋的水平接地网主要是起均压作用。因此，深埋接地体可以放在均压网内。为了减少屏蔽，最好放在接地网，或接地网的四周。深埋接地体的施工方法（1）在一般沙质粘土地层，可用人工打轧水井或机械打井的方法打井，井深可一直打到低电阻率的地层或地下水层以下（如20-50m）。接地极可用角钢，也可用钢管，一节节的焊接起来插入深井中，然后把高效膨润土降阻剂加水搅成浆状用压力机压入深井。把多口井上面用水平接地体连接起来形成一个立体地网，能够起到有效的降阻作用。如凤凰山500kV变电所就是使用此方法把接地电阻从0.3左右降到了0.11，取得了很大的成功，因为在电阻值较小的时候，再降低是非常难的。（2）深井爆破制裂压力灌降阻剂法一般是用在山岩地区的均匀土壤，或上、下分层下部土壤电阻率较低的土壤地质。,可用钻井机钻直径100-200mm，深40-100mm的竖井，在井中插入垂直接地极，然后沿井的深度每隔5-8m安放一定的炸药进行爆破，将岩石爆松、爆裂，接着用压力机将调成浆糊状的降阻剂压入深井中及爆破制裂产生的缝隙中，以达到通过降阻剂将地下大范围的土壤内部沟通及加强接地极与土壤或岩石的接触，从而较大幅度降低接地电阻的目的。从实际经验可知，爆破制裂长度可达2-10m，竖井的孔径100-200mm，井深40-100m，炸药量10-30kg；降阻剂用量为每井1000-2500kg。竖井可布置在地网周边的顶角，或在地网的引外接地网上，深井的距离应为井深的2倍，这样可以达到减少屏蔽，加大降阻效果的作用。深井垂直极的顶端应该用水平接地体连接起来，形成一个立体地网，采用深井爆破制裂压力灌降阻剂法时单根接地体的接地电阻的计算。被电阻率为的大地无限包围，且长度L远大于其直径d的垂直接地体电阻可采用下式计算,（4-4）,式中土壤电阻率，.mL井深（垂直接地体长度），md接地体直径，m。单根接地体采用深井爆破制裂压力灌降阻剂法后，形成如图6-2所示的填充了降阻剂的区域，这时接地体的直径为d+2D。设井深L，填充了降阻剂的平均电阻率为1，则,图4-2深井压力灌降阻剂示意图,1接地体；2等效制裂宽度；3土壤,（4-5）,式中D1等效制裂宽度，m。,若1，且1很小，则,（4-6）,以上讨论的是单个竖井的接地电阻，实际工程中往往需要若干口井，爆破制裂、压力灌降阻剂，并用水平地网把若干口竖井并联起来，这时可用第二章中复合接地体的方法算出整个接地装置的接地电阻。利用钻井法可把平面地网组成立体地网，这时地面的电位分布比较均匀，可以降低设备的接触电压和地面的跨步电压。接地电阻不受季节的影响，但由于打井所需施工费用较高，所以如不是有可以利用的电阻率低的地层或由于场地限制无法外延，一般情况下不轻易采用。同时，深井法也有垂直极的互相屏蔽问题，如需要使用立体地网，垂直极也应放在地网四周，极间距离应为垂直接地极长度的2倍。第四节扩网及设置水下地网如果条件许可的话，扩大接地网面积和设置水下、水底、岸边地网是降低接地电阻最有效，也是最常用的方法。,由公式可知，地网接地电阻的大小，主要取决于接地网的面积。但如果接地电阻率值过高，比如3000.m，那么要把接地电阻降到0.5以下，地网面积的方根要达到3000m，地网面积要达到30003000=9000000（），要建这么大的接地网是不可能的。但如果土壤电阻率在500.m以下，如果地形条件允许的情况下可以采用扩网的方式。但扩网前一定要对厂、所四周的地形情况进行认真勘测，看是否有土壤电阻率较低的地方，并应尽量利用这些土壤电阻率低的地方扩网。比如翁源县的龙仙110kV变电所，所址为一推平的山坡，土壤电阻率在800-1500.m之间，建成时，连避雷线一起测试该所的工频接地电阻为1.4左右，要求改造到0.5以下。为此我们对所四周的地形进行了实地勘探，北边为山，土壤电阻率为2500-3500.m，西边山下为山坡地，且有一条从山上下来的水沟（平时没水），土壤电阻率在200-250.m之间，土壤比较均匀，南边,为公路，公路与所之间的山坡地土壤电阻率在1500.m左右，东边为农家和山坡地，土壤电阻率在800-1000.m左右，且四周的地下、下层土壤的电阻率都高于上层土壤电阻率，没有打深井的利用价值。根据实际地形和要求我们认为只有向所西扩网，充分利用所西较低的土壤电阻率来进行降阻。根据计算，应向西扩100m220m的地网，再使用降阻剂进行处理可把接地电阻降到0.5以下。在实际的接地工程中，往往会遇到没有可直接利用的地形扩大接地网，这时就要根据现场实际情况，采用扩网和水平外延相结合的方法，即从变电所的四周想办法用水平接地题外延。遇到土壤电阻率较低的场所能建立地网的尽量建立地网，另外再加上使用降阻剂，即能把发电厂、变电所的工频接地电阻降到合格值以下。水电站所处的位置一般都在山区，土壤电阻率比较高，且又地方狭小，没有办法用扩网来降低工频接地电阻，但可以充分利用水电站机房管道等自然接地体，如果接地电阻仍不能,达到要求，可以建立水下地网，一般的变电所附近往往有池塘、水库、河流、小溪等，这时可以充分利用这些水资源来建立水下、水底和岸边地网，对于中小型池塘来说，可在枯水时把塘泥挖开在塘底铺设水底地网，对溪流、小河，可沿着河岸设置水平接地体，即把水平接地体埋设在河边较湿的泥土里，对大型池塘、水库、水域面积较大时可以设置水下帝王，关于水下地网在第二章已经专门讨论，这里就不再重复。需要指出的是，外延接地、扩网和水下地网，接地体都位于发电厂、变电所的外部，有的还处于耕地内，水平接地和垂直接地体以及连接线的埋深都要足够，不要影响了农民的耕作，一般应埋深1.2-1.5m。另外还要加强保持，防止破坏，防止腐蚀，保证接触装置的可靠运行。第五节填充电阻率较低的物质或降阻剂人工改善土壤电阻率,实践证明，人工改善接地装置附近的土壤电阻率是降低接地网工频接地电阻的有效而又常用的措施。由式可知，离开接地电极距离为接地电极尺寸10倍以内的土壤对接地电阻起着很大的作用。从前面讨论各种形式的接地体的接地电阻时，无不与土壤的电阻率有关。由接地网的工频接地电阻，可见，接地电阻除了与接地网的面积A直接相关外，还当地的土壤电阻率直接相关。当接地电阻的面积一定时，接地电阻与土壤电阻率成正比，这就启示我们要降低接地网的工频接地电阻，除了可以增大接地网的面积外，如果能想办法降低土壤的电阻率，也可以达到降阻的目的。改善土壤电阻率的办法有：换土法即使用电阻率较低的土壤来置换掉电阻率教高的土壤，这种方法虽有效果，但对大中型地网由于工程量太大而很少采用。工业废渣填充法，即利用附近工厂的废渣，做到综合利用。置换材料的特性应保证：电阻率低、不易流失、性能稳定、易于,吸收和保持水分、无强烈腐蚀作用，并且施工方便、经济合理，如采用电石渣和低电阻率的粘土（100.m）各半，加入5%食盐做成的置换材料，或采用铁屑加粘土等，这种置换方法由于受材料的来源限制，局限性比较大，同时有些废渣对钢接地体有腐蚀作用，所以仅在一些发电厂的地网和工业区的接地网有少量采用。目前最常用的是各种降阻剂法，降阻剂可以分为化学降阻剂、物理降阻剂、树脂降阻剂，还有稀土降阻剂和膨润土降阻剂。关于降阻剂的性能特点和降阻机理在后面还要专门讨论，这里不再多讲。需要指出的是，降阻剂的施加应结合前面所讲的降低发电厂、变电所接地电阻的各种方案，如外引接地、扩网和立体地网，降阻剂的施工按降阻剂的说明书进行。需要值得注意的是：（1）在大中型地网内施加降阻剂主要是起到均压作用，对降低地网接地电阻效果不太明显，这是因为内部的散流受到屏蔽的缘故。,（2）降阻剂的降阻效果是通过合理的设计和施工体现出的，并不是说施加了某某降阻剂就能把接地电阻降低到百分之几。（3）有些降阻剂对钢接地体具有防腐作用，但有些降阻剂对钢接地体的腐蚀性却很强，使用时应注意。（4）降阻剂的稳定性与扩散性也好似相互矛盾的，扩散快的易随水土流失，而性能稳的扩散慢。第六节发电厂、变电所的综合降阻措施前面讲了外延接地降阻法、深井立体地网法、扩网法、水下接地网法和降阻剂法，但在实际的接地工程中，并不是单单使用某一种方法，而是要对现场做认真的勘探、测量，看土壤是均匀土壤还是不均匀土壤，周围没有土壤电阻率低的地方（2000m范围以内）可以引外接地，有没有扩网的位置及位置大小，地下有没有电阻率低的地质层，附近有没有可以利用的水资源和土壤较湿的地方，做好认真的技术经济分析。根据发电厂、变电所的规模、接地短路电流的大小，对接地电阻、地网均压的要求，经过认真的分析计算决定采用什么样的接地降阻方式。,（1）如果厂外或所外有可以扩网的位置，而扩网的地方土壤电阻率又比较低，可采用扩网加水平放射的方法；如附近还有可以利用的水资源，如池塘、水库、江、河、小溪等，还可辅以水下、水底或岸边地网，并尽量充分利用厂房，