第五章降低接地电阻措施

第五章降低接地电阻的措施

在实际的接地工程中．有些地方由于土壤电阻率非常高，要使接地装置的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5.1几种简单的降低接地电阻的方法1。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。例如发电厂、变电所可资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“地线一杆塔”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。2。加大接地体尺寸

3。增加接地体埋设深度4。外引接地装置当距发电厂、变电所2km以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极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。5。换土法——即使用电阻率ρ较低的土壤来置换掉电阻率较高的土壤或工业废渣填充法，即利用附近工厂的废渣，做到综合利用。6。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5.2采用深井式接地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层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P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ρ2远远小于上层土壤的电阻率ρ1时．一般为地下有各类金属矿藏、石墨、煤等的土壤或地下水。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单根垂直接地极的电阻为：垂直接地极的布置位置

垂直接地极应布置在地网周边的顶角，或在地网外的引外接地网上．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．形成一个立体地网参见课本图、表5.11．深埋接地极埋设地点的选择

应注意以下几点：(I)首先测量土壤电阻率，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接地点时．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，(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，利用矿体来延长和扩大接地的范围(4)在多年冻土地区，深埋接地体可选择在融区处。(5)当地面的电阻率较高，一舶浅埋的水平接地网主要是起均压的作用。因此接地体可以放在均压网内．也可放在均压网外。为厂减少屏蔽．最好放在接地网外地网的四周。2．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人深井中，然后把高效膨润土降阻剂加水搅成浆状用压力机压入深并。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。(2)深井爆破制裂一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Ф100—200mm．深40—100m深的竖井．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。5.3填充降阻剂改善土壤电阻率在接地装置的布置设计和施工中，常常会遇到下列几种情况并为之困扰：

1．在建筑设施有效面积既定的情况下，按实际的自然土壤电阻率计算设计的接地装置接地电阻难以达到要求值时，就需扩大接地装置十倍乃至上百倍的面积才能满足要求，重新征用或购置土地将影响工程进度和经济性，为投资和建设工期所不允。2．某些建筑设施由其本身性质决定必须设置在特定地域，如水利水电枢纽、输电线路杯塔、电视差转、发射塔、微波通讯中继站、易燃易爆产品的工厂（化工厂、炼油厂）仓库等，一般设置在山区、滩地、峡谷等远离市区的高土壤电阻率地区，周围不易找到可以扩展利用的低土壤电阻率的平地。3．在寸土寸金的市区、开发区内的工业特殊设施，如邮电通讯、计算机中心或无线电、电子设备工厂、城区变电站等，可利用的流散面积极为有限而接地电阻的要求又相当苛刻。

这些情况就非一般常规技术措施、设计所能达到的，接地装置采用接地降阻剂则是有效的措施。降阻剂的历史四五十年代，不断有人以木炭或焦炭粉、冶炼炉渣、金属切削细末、食盐、硫胺等高导电率的物体，稍加混合捣碎即回填到接地极四周以降低土壤电阻率，这是第一代降阻剂。1960年美国开始用丙烯酰胺、硅酸盐、石墨和水溶性交链剂，这种降阻剂具有较强的吸附力、可塑性和较为显著的降阻效果。然而经不住自然雨水或地下水的冲刷侵蚀，其降阻效果就难以持久，三五年后自然丧失殆尽。为此，日本的一些研究所和化工企业将一些电解质，如NaCl、NH4Cl、Na2SO4等配以常温硬化树脂，诸如尿醛树脂、聚酯、聚胺脂树脂构成混合液，再添加固化剂充填于接地极四周，固化后就成为含水的硬化树脂，在电场力作用下又能形成导电性能良好的电解质，固化的壳体就能经受自然雨水的侵蚀。

7O年代初期我国在电力部和石化部主持下组成攻关小组，一时形成降阻剂的研究热潮。70年代中期高分子化合物构成的有机化学降阻剂及由水玻璃、石墨、水泥或磷石膏等无机化合物组成的降阻剂涌现。

国外在1980年美国WarrenR．Jone首先在IEEE的Vol．PAS-99上发表了应用膨润土（Bentonite）保证垂直接地极安装质量的报道，取得降阻效果达36％的成绩。继而在1982年的CIGRE（国际大电网会议）上南斯拉夫的M．Veledar提出了利用膨润土改进接地性能的论文，这就标示了国际上对降阻剂的研究又倾向于无机化合物的潮流。显然不论有机还是无机化合物中都能找到高导电性能的物体或电解质、但前者往往要求较严的配比、加温稀释或有一定的刺激性、环境污染、价格偏高而不易受到青睐。

安徽电力中心试验所在1981年后亦开始以膨润土为主要载体的降阻剂研制，于1986年由水电部主持在屯溪市通过了鉴定并列人“七·五”部属攻关项目。在此期间还有四川民生化工厂研制的以碳粉为基底的MS型降阻剂。此后在改革开放中，一批乡镇企业的降阻剂生产厂问世，大多数属无机类，只有大连的东方化工厂和北京东辰研究所的LRCP以及吉林生产的降阻剂属有机化合物。随着众多降阻剂的涌现，由武高所归口的高压专业网过电压专家工作组编制了降阻剂暂行技术标准检验条例，明确检验指标和方法，并组织了二次产品性能质检评比，使产品生产规范化。目前主要降阻剂的分类和主要参数见表1。5.3.1降阻剂的降阻机理一、增大接地体的有效截面1．半球形接地体接地体周围施加降阻剂后扩大了接地体的等效体积，对于一个半径为r的半球接地体而言，其接地电阻的50％集中在自接地体的面至距球心2r的半球面内，如果将r至2r的土壤电阻率降低．就可以使接地电阻大大减小、图例是一个半球形接地体，原土壤电阻率为ρ2，将r至r1范围内的电阻率为ρ2的土壤用低电阻率的材料ρ1置换，则半球接地体的接地电阻为2．垂直接地体对于改善地电阻率的垂直接地体(图)，采用近似方法，并假定电阻率沿电流线方向变化．但沿位线方向为一常数，人工接地坑ρ1和ρ2分界面近似用一个椭圆旋转面所代替，故接地电阻为对于直径为0.02m、长2m的垂直接地体，当置换直径等于2m时，接地电阻减小阳83.3％。3．水平接地体

对于埋深为h的水平接地体(见图)的接地电阻为二、消除接触电阻

接地体的接地电阻主要可以分为两部分：接地体周围的大地所呈现的电阻接地体与周围土壤的接触电阻接触电阻是接地体与周围土壤由于接触不良而产生的它的大小与接地极周围的土壤有关，一般土质越密实、越细，接触电阻越小，土壤越松散，接触电阻越大，这就是为什么要求接地体的回填土要用细土回填，而不能用沙石和建筑垃圾回填的原因。另外，接触电阻的大小还与接地极的表面状况有关，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。特别是在风化石土壤里，由于接地体表面生锈后．铁锈是一种半导体，影响接地体与周围土壤的电接触，使接触电阻越来越大。并不是每种降阻剂都具有这种功能，只有某些固体降阻剂、物理降阻剂和膨润土降阳剂才有这方面的功能，尤其是膨润土降阻剂由于吸水后体积膨胀，一方面与接地体紧密接触，另一方面与周围十壤可靠接触，基本上消除了接触电阻，同时内于其自身的防腐功能，接地体不会由于腐蚀产生接触电阻。而化学降阻剂或流质降阻剂则很少具有或不具有这方面的功能．某些化学降阻剂还会由于腐蚀作用使接地极生锈而使接触电阻变大。三、降阻剂的渗透改善周围土壤电阻率降阻剂的一个主要降阻机理就是随着降阻剂的渗透，改善接地体周围的土壤电阻率。我们知道大地导电基本上是属于离子导电，土壤电阻率的大小。属土壤中含金属离子的浓度有关，还与土壤中的水分有关，土壤中各导电的金属离子浓度越高，所含水量越多，导电性能就越好。土壤电阻率P就越小，各种降阻剂都是要增加土壤中的导电离子浓度，并随着降阻剂在土壤中的扩散、渗透，土壤的电阻率也就随着得到改善。在这一点上化学降阻剂某些流体降阻剂显示了较强的优势，由于它们的扩散、渗透性好，施加后接地体周围的土壤电阻率很快得到改善，是快速降低接地电阻的有效措施，而固体降阻剂，如水泥(导电水泥)降阻剂则不具备或很少具备这方面的功能。膨润土降阻剂由于其肢质价高粘性大、不易随水土流失和扩散，其渗透和扩散非常慢，这也就是膨润土降阻剂不能快速降阻的一项缺点，一般要经过3—6个月的渗透扩散期才能达到理想的降阻效果四、降阻剂的吸水性和保水性改善并保持土壤导电性能

我们知道，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，还与土壤的含水率有关。这是因为绝大多数无机盐类只能在水中才能离解为导电的金属离子，因而土壤电阻率会随土壤含水量而变。如要改善土壤的导电性能，可以增加并保持土壤的含水量。某些降阻剂具有较强的吸水性和保水性。5.3.2接地降阻剂应有的性能降阻剂是应用于接地工程中的一种辅助材料和技术手段，其基本性能必须符合接地工程技术特性的要求，主要有：

1．良好的导电性能

其电阻率应远小于自然土壤电阻率ρ，只有在相差l～2个数量级时应用，才具有实用价值，取得名符其实的降阻效果。由于一般ρ0=1O2～1O5Ω·m，故要求ρ≤5Ω·m。2．长效的降阻功能

接地工程是一地下隐蔽工程，且自然土壤的含水量会受环境、季节性气候的影响而时有变化，因而要求降阻剂的功能应长期有效，使用寿命应大于3O年。一经投放使用应无失效或其它不良反应。

3．对金属的耐蚀缓蚀性

降阻剂是金属引流体与自然土壤之间的中间媒介物，除了计及地下环境条件的影响外，还需虑及接地装置在流散作用形成的电化学作用下，降阻剂不仅本身应无腐蚀性，而且对金属能起到缓蚀功能，才能保证接地装置的使用寿命，为此要求降阻剂的pH值≥7.5，呈碱性或弱碱性，既要能隔绝自然土壤中有害成分的侵蚀，又能在金属表面形成钝化护膜。4．能耐受大电流的冲击

接地装置的流散电流在正常运行时通过的只是三相不平衡电流，通常只是毫安到安培级的电流，然而真正发挥装置功能时通过的则是雷击电流和接地短路电流，前者可高达千安到上百千安，后者亦在数百到上千安，因此要求降阻剂在大电流的冲击下不致炽热、自燃或形成挥发物，具有反复通流耐受冲击的性能。

5．具有一定的负阻特性由于自然土壤中存在一定空气隙，因而接地装置在自然土壤中的接地电阻，呈现有电容性，确切地说应称为接地阻抗。而且工频下的接地电阻要比冲击波下的冲击阻抗大，这样就使接地装置在大电流冲击下的暂态地电位比按线性比例（欧姆定理）推算的地电位低，使得被保护物能更趋于安全。对于使用降阻剂的接地装置应同样具有这一特性，甚至更优越些。这就要求降阻剂的电性能具有非线性，以数理方程表征时则为：（1）式中。ρ──冲击波下降阻剂的电阻率，Ω·m

ρ0──降阻剂的阻性常数，Ω·m

δ──电流密度，A／mm²

α──非线性指数，要求α＜0当指数α是一负值时意味着电阻率随电流密度的增加会自动地下降，使接地装置在注入电流急增时，暂态地电位则升高不多6．降阻剂本身应无毒、对环境无污染

显然降阻剂的应用离不开人和大地自然土壤，施工时必然要与施工人员接触，应尽可能要求其无毒、无臭味、无挥发物。敷设后与自然土壤接触相融一体，在自然环境条件变异时也不致污染周围的环境条件，因此要求其成份中不含任何有毒元素诸如铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd），亦不应与地中含有的水、初生态氧（O）等生成有害物质而造成环境污染。7．降阻剂应便于施工

尽管称为化学降阻剂，然而在接地工程的应用中要考虑其适应性，不宜过高要求。一般接地工程都是配合建筑物基础进行的，有的甚至就在旷野山地，未必有良好的施工技术条件，如严格的配比要求、加温稀释等，就会限制其适应范围，但也不能没有规范，只是要求应简单明确、施工现场易于达到，不需增添特定的设备器材。5.3.3降阻剂的技术性能检验与标准

由武高所起草，征求各地主要用户和生产厂意见后，反复讨论审定为《降阻剂暂行技术标准》，将降阻剂的各项技术性能规定为如下参数指标。

1．基本理化参数

规定了降阻剂作为降阻材料应具有的电阻率ρ≤5.0Ω·m，pH值（酸价）应为7～13.0，即中性或偏碱。

2．大电流冲击载流特性

根据接地装置的工作特性，要求使用降阻剂的接地装置仍保留自然土壤具有冲击系数αi≤1.0的优良特征，但在暂行技术要求中的规定则较为宽松。

（1）工频大电流冲击电流i≥10A，持续时间t≥10s，耐受5次，间隔时间td≥3Omin，允许试样电阻的变化率ΔR≤＋2O％。

（2）冲击大电流波形为8／2Oμs，iimp≥1kA，冲击2O次，间隔时间td≥50s，允许试样电阻的变化率ΔR≤＋2O％。

3．环境理化性能

根据接地装置在掩埋于地中后可能遇到的恶劣条件，按以下三种情况描述并作了具体偏严的规定和要求：

（l）脱水性能检验试样在恒温箱中T=6O±1℃，静置12h后的电阻与脱水前相比较。

（2）冷热循环检验试品在水中浸泡24h后，沥水24h，再在T=120℃恒温箱中24h后，再浸泡于水中24h

共2～3次循环。

（3）浸泡试验试品在水中浸泡28天，每浸泡24h后，取出沥水O.5h，测定其10mA下的电阻。

上述三种情况下ρ值的变化范围Δρ＜士2O％，ρmax≤6.0Ω·m。

4．稳定性捡验

降阻剂随接地极掩埋于地下后，一年中最大值与平均值之比Rmax／R＜1.5，最小试验期t≥120天。

5．耐蚀性能

降阻剂只是一种辅助材料，需随金属接地极掩埋于地下，要求不得影响金属（钢铁）电极的正常使用寿命，即不致因降阻剂而加剧钢铁电极在地中的腐蚀速率，因此规定：

（1）在纯降阻剂中的钢铁的腐蚀速率r≤0.3mm／a。

（2）钢铁电极与降阻剂掩埋于地中后其腐蚀速率r＜0.5mm／a。5.3.4、接地降阻剂的施工技术1．垂直接地极

接地工程中的垂直接地极，一般选用实芯的型钢，如角钢、轻轨、小型工字钢等，主要考虑施工的方便易于以重锤击入地内。在应用降阻剂时垂直接地极宜改选φ25～50mm(1～2“)的管材，一般接地极的设计长度在l.5～3.0mm间选用壁厚1.5～3.0mm的焊接或无缝钢管。施工时需先钻孔，选用管材可节省钢材重量，其施工程序为：（1）先按接地系统的平面布置图，按坐标将垂直接地极的位置标示在施工现场上。（2）利用一般栽水泥电杆打地洞用的直柄戳铲和直柄小勺（如图3所示），按标示桩打孔，达到设计要求的孔径和深度。（3）将孔中泥渣清理干净，然后按预定的敷设降阻剂后的接地极外径加工一钢管作为其外模，一端以φ3～5mm的钢筋焊上2～3个吊耳，先置于孔中，见图4。（4）在孔中先注入一些水使孔底和四壁湿润，再将预先加工好的接地极置于钢模中央，并使它们处于垂直位置。（5）将准备敷设的降阻剂按制造厂的说明配比要求调制好，并在该孔的地平面上支好人字或三角架，其中间挂上链式起重机（0.5～1.5t）作吊钢模之用。（6）然后在钢模和垂直接地极之间注入调制好的降阻剂，另一方面将从该孔取出的原土筛选一下，去除碎石、风化岩，只将细土回填到钢模外壁四周并夯实之。（7）在降阻剂注入10～20min后，用钢绳栓在吊耳和葫芦的吊钩上，徐徐将钢模吊起让其中的降阻剂可向四周的原士渗透。（8）取出钢模后，调整一下接地极位置，使其在正中和垂直并外露1～3cm以便与引流线焊接，再在回填的细土上浇一些水充分湿润。

2．水平接地极水平接地引流线一般选用圆钢或扁钢，其施工程序如下：（1）按设计图纸先在施工现场以石灰粉线标示接地引流线的走向。（2）如接地工程量不大，一般用人工开挖接地沟。达到要求的倒置梯形。（3）将自接地沟取出的原土筛选一下，去除砾石和风化岩碎片，把留取的细土铺在沟底，厚度控制在3～5cm，并浇水使其湿润，以易于降阻剂渗透。

（4）用人力或水泥砂浆搅拌机按要求的配比调制降阻剂，然后在沟底光敷上一层，厚约2～5cm，抹平。（5）再将准备好的水平引流接地线沿沟底中心线敷好，并将引至各电气设备的引下接地线与水平引流接地线焊好引出地面。此接地引（6）将调制好的降阻剂沿引流接地线浇敷一层。（7）再将自原土中取出的细土敷上一层，厚约10～20cm，并括平再浇一遍水，最后就可将原土回垫到地平面并夯实。

对于一般在山上或取水较困难的施工现场，可以选用一种无需加水使用的降阻剂直接敷于接地极的四周对水平接地体，挖上图所示的沟槽，先在沟底铺入一半降阻剂粉，然后铺人水平接地体，待接地体焊接完毕后．在上回铺上另个降阻剂粉，加水搅拌均幻后，再在上面回填细土并夯实。对沟宽a和降阻剂的厚度b，可根据土壤电阻率情况和需要降低的接地电阻值而定，如土壤电阻率较低(300Ωm以下)，对接地电阻的要求不严(4Ω)．a、b值可取15—20cm；如土壤电阻率较高(300Ω·m以上)，或对接地电阻要求较小(1Ω以下)，a、b值可取20—30cm。对垂直接地体的长度，如图所示根据不同的土壤电阻率可取2—10m，也可为20—80m的深孔，5.4非金属接地体

非金属接地体在通讯、广电等部门有广泛应用。它是由导电能力优越的非金属材料复合加工成型的，加工方法有浇注成型和机械压模成型。一般来说浇注成型的产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，一些小型厂家少量生产使用这样的办法；机械压模法，是使用设备在几到十几吨的压力下成型的，不