摘要：氣體絕緣變電站，即采用全封閉組合電器的變電站，簡(jiǎn)稱為GIS。GIS變電站同常規(guī)變電站相比，所需場(chǎng)地面積僅為常規(guī)變電站占地面積的10%～25%，因此只采用常規(guī)變電站的接地方法是難以滿足接地要求的。本文對(duì)各種降低接地電阻方法進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)長(zhǎng)垂直接地極降阻法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了論述。
　　
　　關(guān)鍵詞：氣體絕緣變電站，接地網(wǎng)，接地電阻，長(zhǎng)垂直接地極
　　0引言
　　氣體絕緣變電站（GasInsulatedSubstation），即采用全封閉組合電器的變電站，簡(jiǎn)稱為GIS，具有占地面積小、可靠性高、檢修周期長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在城市變電站中的應(yīng)用普遍。氣體絕緣變電站與常規(guī)變電站一樣，需要承受同樣大小的接地故障電流，也要求具有與常規(guī)變電站同樣低的接地電阻。但一般的GIS所需場(chǎng)地面積僅為常規(guī)變電站占地面積的10%～25%。因此只采用常規(guī)變電站的接地方法是難以滿足接地要求的，GIS接地網(wǎng)必須進(jìn)行降阻。
　　降低接地系統(tǒng)接地電阻不僅能降低接地系統(tǒng)最大接地電位升，而且能降低最大轉(zhuǎn)移電位。為了降低接地裝置的接地電阻，現(xiàn)主要采用的措施有：擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、引外接地、增加接地網(wǎng)的埋設(shè)深度、利用自然接地、局部換土、長(zhǎng)垂直接地極及深井接地等。各種降阻方法都有其應(yīng)用的特定條件，針對(duì)不同地區(qū)、不同條件采用不同的方法才能有效地降低接地電阻；另外各種方法也不是孤立的，在使用過程中必須相互配合，以獲得明顯的降阻效果。
　　由于GIS變電站一般坐落在城市地區(qū)，因此必須考慮到GIS變電站所處區(qū)域的特點(diǎn)，才能找到既有效又經(jīng)濟(jì)的降阻方法。
　　1降低接地電阻的基本方法
　　1.1擴(kuò)大變電站接地網(wǎng)的面積
　　變電站的接地電阻可以用下式計(jì)算：
　　（1）
　　式中L為接地極的總長(zhǎng)度（包括水平與垂直的），m；A為接地網(wǎng)的面積，m2。
　　從式（1）可以看出，變電站接地網(wǎng)的接地電阻與接地網(wǎng)面積的平方根成反比，接地網(wǎng)面積越大，其接地電阻也就越低。無疑增大變電站接地網(wǎng)的面積是降低其接地電阻的一種行之有效的方法。
　　擴(kuò)大變電站接地網(wǎng)面積來降低接地電阻的方法只能因地而異。對(duì)于一些建在山區(qū)的變電站無法擴(kuò)大其接地網(wǎng)面積，另外對(duì)于一些建在市區(qū)內(nèi)的變電站，采用擴(kuò)大變電站接地網(wǎng)面積的方法不但技術(shù)經(jīng)濟(jì)上不合算，同時(shí)也難于找到合適的場(chǎng)地來擴(kuò)大接地網(wǎng)面積。
　　1.2引外接地
　　引外接地是指將變電站主接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)區(qū)域以外某一低土壤電阻率區(qū)域敷設(shè)的輔助接地網(wǎng)相連的方法，以達(dá)到降低整個(gè)接地系統(tǒng)接地電阻的目的。應(yīng)當(dāng)注意，在變電站和遠(yuǎn)處接地設(shè)備之間存在顯著的電位差，特別是在雷電等高頻沖擊作用時(shí)電位差將更大。應(yīng)確保主接地網(wǎng)與引外接地有多根接地導(dǎo)體連接。對(duì)于大多建在城區(qū)內(nèi)的GIS變電站，由于變電站周圍人員、建筑密集，采用引外接地的方法會(huì)將危險(xiǎn)的高電位引至公共場(chǎng)所，造成安全隱患，因此該方法一般不會(huì)采用。
　　1.3增加接地網(wǎng)的埋設(shè)深度
　　埋設(shè)深度指水平接地網(wǎng)埋設(shè)處到地面的距離。在接地網(wǎng)其他參數(shù)不變的情況下增加接地網(wǎng)的埋深會(huì)使接地電阻減小，但其降阻效果不是很明顯，這在高土壤電阻率地區(qū)更是如此。因此工程中一般不采用這種方法。而變電站接地網(wǎng)的埋深一般在0.8m左右。
　　1.4利用自然接地
　　自然接地包括建筑物的鋼筋混凝土的鋼骨架等。對(duì)于這些自然接地，由于它們本身具有較低的接地電阻，因此在設(shè)計(jì)變電站接地網(wǎng)時(shí)應(yīng)充分考慮利用這些自然接地極與主網(wǎng)相連，以達(dá)到降低接地網(wǎng)接地電阻的目的，特別是在水電站，利用自然接地極的降阻效果相當(dāng)明顯，并且不需要增加多少投資。所以充分利用自然接地極來降低接地電阻，不僅在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，而且具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
　　對(duì)于GIS變電站，一般均采用將建筑物內(nèi)部鋼筋及基礎(chǔ)鋼筋與接地網(wǎng)相連接的方法來進(jìn)一步降低接地電阻，但其降阻效果無法精確計(jì)算，故一般只用于提高接地安全裕度。
　　1.5局部換土
　　土壤電阻率的高低直接影響接地電阻的大小。對(duì)于某些位于高土壤電阻率地區(qū)的接地裝置，如果采用其他方法降阻困難，可以采用局部換土的方法。用土壤電阻率較低的土壤或接地降阻劑來更換接地裝置周圍的高電阻率土壤，以獲得較低的接地電阻。這種方法的使用必須從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上作全面的比較，避免造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。
　　對(duì)大多位于城市的GIS變電站來說，站內(nèi)的土壤電阻率一般不會(huì)較大，且即使換土，由于變電站本身占地面積小，也很難取得較大效果。
　　1.6長(zhǎng)垂直接地極及接地井
　　如果接地系統(tǒng)所處土壤存在下層低電阻率層，則可采用垂直接地極或接地井。接地井是指導(dǎo)體尺寸很大的一種長(zhǎng)垂直接地極。
　　土壤的電阻率通常沿縱深和橫向分布都是不均勻的，就縱深來說，不同深度土壤的電阻率是不同的。一般接近地面幾米以內(nèi)的電阻率相對(duì)要高些，并且不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候的變化而變化，土壤越深越穩(wěn)定。特別是在高土壤電阻率及不能用常規(guī)方法埋設(shè)接地裝置的地區(qū)，采用長(zhǎng)垂直接地極或深井接地與主接地網(wǎng)相連是一種有效降低接地電阻的方法。在有地下含水層的地方，接地極可能深入穿透水層，這時(shí)降阻效果將更好。深井接地不受氣候、季節(jié)條件的影響；深井接地除了降阻以外，還可以克服場(chǎng)地窄小的缺點(diǎn)，這在城市和山區(qū)是一種行之有效的方法。接地井直徑在7.5cm以上，深度則取決于所采用的鉆孔設(shè)備。接地井由于增加接地極的直徑（接地棒加上回填低電阻率材料）而能明顯降低總體接地電阻。如果接地井與地下水層相連，則將降低接地電阻的季節(jié)變化，同時(shí)增加電極的通流，而不導(dǎo)致電極過熱或使接地井中的回填材料變干。深井接地必須配合使用低電阻率材料才能取得較低的接地電阻。回填材料可以采用高導(dǎo)電率的黏土（如膨潤(rùn)土）和水組成的泥漿。由于回填材料能從周圍環(huán)境中吸收濕氣，接地井不需要任何維護(hù)也不會(huì)變干。另外，也可以采用深孔爆破制裂—壓力灌降阻劑法來形成一個(gè)巨大的低電阻率區(qū)域，以達(dá)到降阻的目的。
　　長(zhǎng)垂直接地極及接地井的降阻方法對(duì)位于城市、占地面積較小的GIS變電站十分有利。降阻效果好，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)周邊環(huán)境無不良影響。
　　2采用長(zhǎng)垂直接地極降低接地系統(tǒng)接地電阻
　　在高土壤電阻率地區(qū)，設(shè)計(jì)變電站接地裝置時(shí)，其接地電阻很難滿足要求，特別是面積比較小的氣體絕緣變電站（GIS），采用長(zhǎng)垂直接地極來降低其接地電阻已被越來越多的工程設(shè)計(jì)人員所采用。如前所述，接地系統(tǒng)采用長(zhǎng)垂直接地極能有效利用地下低電阻率層，維持接地電阻的穩(wěn)定性。
　　2.1長(zhǎng)垂直接地極降阻效果計(jì)算
　　以面積為120×120m2、土壤電阻率為1000Ω•m，入地故障電流為10kA，接地導(dǎo)體半徑為10mm，接地網(wǎng)埋深h為0.6m的水平接地網(wǎng)為例，進(jìn)行計(jì)算。長(zhǎng)垂直接地極布置在接地網(wǎng)外圍接地導(dǎo)體上，長(zhǎng)垂直接地極的布置有5種方式，即長(zhǎng)垂直接地極數(shù)N分別為4（布置在四角）、8根（四角4根，每邊1根）12根（四角4根，每邊2根）、16根（四角4根，每邊3根）、20根（四角4根，每邊4根），各長(zhǎng)垂直接地極為等間距布置，長(zhǎng)垂直接地極的長(zhǎng)度L分別為10m、30m、50m、70m、90m、110m、130m和150m。接地網(wǎng)的等效半徑r為：
　　（2）
　　式中A為接地網(wǎng)面積。定義接地網(wǎng)采用長(zhǎng)垂直接地極后接地系統(tǒng)的接地電阻下降率ξ為：
　　（3）
　　式中R為增設(shè)長(zhǎng)垂直接地極后接地網(wǎng)的接地電阻；R0為無長(zhǎng)垂直接地極時(shí)接地網(wǎng)的接地電阻。
　　定義N根長(zhǎng)垂直接地極的利用系數(shù)η為
　　（4）
　　式中RP為N根長(zhǎng)垂直接地極接地電阻的并聯(lián)值；RC為RP和R0的并聯(lián)值。
　　圖1和圖2所示分別為增加長(zhǎng)垂直接地極后，接地系統(tǒng)的接地電阻的下降率ξ和長(zhǎng)垂直接地極的利用系數(shù)η隨L/r和N的變化曲線。分析圖中曲線可以得到如下一些規(guī)律：
　　1) 下降率ξ隨垂直接地極的長(zhǎng)度L與接地網(wǎng)等效半徑r的比值L/r的增加而增大。
　　2) 隨L/r的增加，垂直接地極的利用系數(shù)降低，當(dāng)L/r＞1后，利用系數(shù)η趨于飽和。
　　3) L一定時(shí)，隨著垂直接地極根數(shù)N的增加（相當(dāng)于垂直接地極的間距減小），利用系數(shù)η也相應(yīng)減少。其原因是增加垂直接地極的間距后，相互之間的屏蔽作用加大。
　　4) L一定時(shí)，接地電阻下降率ξ隨垂直接地極根數(shù)的增加而增加，當(dāng)N增大到一定值時(shí)（從圖1可以看出，對(duì)應(yīng)的N值為8），下降率ξ的增加變慢，具有飽和趨勢(shì)。
　　在以往的接地設(shè)計(jì)中，垂直接地極的長(zhǎng)度大多只有幾米到十幾米，而且遍布整個(gè)水平接地網(wǎng)布置。可實(shí)際降阻效果并不明顯，其根本原因是由于垂直接地極長(zhǎng)度及布置方式選擇不當(dāng)，所采用的垂直接地極的降阻作用大多被水平接地網(wǎng)所屏蔽。對(duì)于長(zhǎng)垂直接地極，可遵循如下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：
　　1) 為了減小水平接地網(wǎng)對(duì)垂直接地極和垂直接地極之間的屏蔽效應(yīng)，以提高垂直接地極的利用系數(shù)，垂直接地極宜沿接地網(wǎng)的外圍導(dǎo)體布置。如果條件允許的話，盡可能將垂直接地極向站外布置，讓垂直接地極間的距離大于或等于垂直接地極的長(zhǎng)度。
　　2) 垂直接地極的根數(shù)及實(shí)際長(zhǎng)度的選擇可根據(jù)水平接地網(wǎng)接地電阻的大小和實(shí)際的降阻要求以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)來確定，其基本原則是在地中無低電阻率層時(shí)，垂直接地極的長(zhǎng)度一般不得小于水平接地網(wǎng)的等效半徑，垂直接地極的根數(shù)一般應(yīng)在4根以上。但應(yīng)考慮到如下兩點(diǎn)：一是垂直接地極根數(shù)增加到一定值時(shí)降阻率趨于飽和；二是長(zhǎng)垂直接地極的施工費(fèi)用比較高。
　　3) 在高土壤電阻率地區(qū)，為了保證明顯的降阻效果，埋設(shè)垂直接地極的深井中宜灌注低電阻率降阻材料，考慮到深井的深度，最好采用壓力機(jī)灌注漿狀低電阻率材料。如果變電站處于巖石較多的地區(qū)，可采用下面介紹的爆破接地技術(shù)，將深井周圍的巖石爆裂，使低電阻率材料滲透到裂縫中，進(jìn)一步增加降阻效果。
　　4) 考慮到節(jié)省材料和灌注低電阻率材料的施工要求，垂直接地極可選擇直徑為50mm，壁厚3.5mm的鍍鋅鋼管，深井的孔徑一般在100~150mm之間。
　　在根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意如下幾個(gè)方面：
　　1) 采用深井接地應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。
　　2) 應(yīng)全面調(diào)查站區(qū)及附近的土壤特性，確定土壤結(jié)構(gòu)。如果存在低電阻率層，則適合采用深井接地，如果地中深處的電阻率比表層高，則采用深井接地就意義不大。
　　3) 變電站接地網(wǎng)面積減小，深井接地的實(shí)際降阻效果就越明顯，反之，面積越大，實(shí)際降阻效果就越差。因此深井接地適合于接地網(wǎng)面積比較小的變電站。對(duì)于面積比較大的變電站，如果接地電阻達(dá)不到要求，且降低接地電阻費(fèi)用又較高，應(yīng)以均衡地面電位分布和高電位引出及低電位引入的隔離為主。
　　
　　3長(zhǎng)垂直接地極法在商丘宋城110kV變電站地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　　宋城110kV變電站是作者所設(shè)計(jì)的一座位于河南商丘市市區(qū)內(nèi)的氣體絕緣變電站（GIS）。該站為半戶內(nèi)型設(shè)計(jì)，除主變外的所有電氣設(shè)備均置于綜合樓內(nèi)，占地面積為73×31m2。該站水平地網(wǎng)的基本情況如下：
　　站區(qū)內(nèi)水平接地網(wǎng)面積為72×30m2，由5長(zhǎng)6短共11根長(zhǎng)接地體構(gòu)成；站內(nèi)土壤為粉質(zhì)粘土，其電阻率為54.6Ω•m；站內(nèi)地面硬化后的地表電阻率為2500Ω•m；入地故障電流為6kA，接地導(dǎo)體半徑為20mm，接地網(wǎng)埋深h為0.8m，短路電流持續(xù)時(shí)間1s；接地網(wǎng)阻抗R=0.54Ω。
　　計(jì)算結(jié)果如下
　　U（t）=748V＞U（t）max=599V（5）
　　U（s）=264V＞U（s）max=212V。（6）
　　
　　式中U（t）為根據(jù)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)算出的地網(wǎng)的最大接觸電位差，單位V
　　U（t）max是為保證人身安全，地網(wǎng)允許的最大接觸電位差，單位V
　　U（s）為根據(jù)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)算出的地網(wǎng)的最大跨步電位差，單位V
　　U（s）max是為保證人身安全，地網(wǎng)允許的最大跨步電位差，單位V
　　由以上計(jì)算結(jié)果可知，接觸及跨步電位差均不能滿足安全要求，必須采用其他措施進(jìn)行改進(jìn)。從第二節(jié)的分析可知，對(duì)于該站采用長(zhǎng)垂直接地極方法對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行降阻是比較合適的。設(shè)計(jì)中采用每邊2根共8根等間距布置的25m深的長(zhǎng)垂直接地極進(jìn)行降阻。
　　接地網(wǎng)的等效半徑r為：
　　（7）
　　（8）
　　根據(jù)圖1經(jīng)查詢可得采用長(zhǎng)垂直接地極后接地系統(tǒng)的接地電阻下降率β=0.2。故新的接地網(wǎng)阻抗R1計(jì)算結(jié)果如下：
　　（9）
　　根據(jù)新的接地阻抗R1計(jì)算得跨步及接觸電壓結(jié)果如下：
　　U（t）1=598V＜U（t）max=599V（10）
　　U（s）1=211V＜U（s）max=212V。（11）
　　本站接地網(wǎng)可滿足安全運(yùn)行的要求。
　　現(xiàn)110kV宋城變電站的地網(wǎng)施工已經(jīng)完成，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，接地電阻為0.41Ω，與理論計(jì)算值相近。
　　4結(jié)語
　　從以上的理論分析及實(shí)際應(yīng)用中可得出如下結(jié)論：
　　對(duì)于建設(shè)在城市中，占地面積較小的氣體絕緣變電站，僅采用常規(guī)的水平接地網(wǎng)是難以滿足接地要求的。而無論采用擴(kuò)大接地網(wǎng)面積法、引外接地法、增加接地網(wǎng)的埋設(shè)深度法、利用自然接地法還是局部換土等方法都由于各方面客觀環(huán)境的限值，而無法采用或效果有限。
　　采用長(zhǎng)垂直接地極法具有施工簡(jiǎn)便，對(duì)站外環(huán)境影響小，降阻效果明顯，維持時(shí)間長(zhǎng)，可精確計(jì)算降阻效果等突出的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于城市中的氣體絕緣變電站，該方法可作為第一推薦方案。
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