接地电阻降阻方法

1引言变电站接地网对于电力系统的可靠运行和变电站工作人员的人身安全起着重要作用，其接地电阻、跨步电压与接触电压是变电站接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合要求的重要参数。然而，有些变电站由于受地理条件的限制，不得不建在高土壤电阻率地区，导致这些变电站的接地电阻、跨步电压与接触电压的设计计算值偏高，无法满足现行标准的要求。近年来，随着电力系统短路容量的增加，由于接地不良引起的事故扩大问题屡有发生，因此接地问题越来越受到重视。在设计施工过程中如何合理确定接地装置的设计方案，降低接地电阻，这是变电站电气设计施工的重点之一。2变电站接地网电阻偏高的原因变电站接地网电阻偏高的原因有多方面的，归纳起来有以下几个方面的原因。2.1客观条件方面一是土壤电阻率偏高。特别是山区，由于土壤电阻率偏高，对系统接地电阻影响较大；二是土壤干燥。干旱地区、沙卵石土层等相当干燥，而大地导电基本是靠离子导电，干燥的土壤电阻率偏高。2.2勘探设计方面在地处山区复杂地形地段的变电站，由于士壤不均匀，土壤电阻率变化较大，这就需要对每处地网进行认真的勘探、测量。根据地形、地势、地质情况，设计出切合实际的接地装置。如果不根据每处地网的地形、地势情况合理设计接地装置并计算其接地电阻，而是套用一些现成的图纸或典型设计，那么就从设计上就留下了先天性不足，造成地网接地电阻偏高。2.3施工方面对于不同地区变电站的接地来说，精心设计重要，但严格施工更重要。因为对于地形复杂，特别是位于山岩区的变电站，接地地网水平接地沟槽的开挖和垂直接地极的打入都十分困难，而接地工程又属于隐蔽工程，如施工过程中不能实行全过程的技术监督和必要的监理，就可能出现如下一些问题：一是不按图施工。尤其是在施工困难的山区，屡有发生水平接地体敷设长度不够，少打垂直接地极等；二是接地体埋深不够。山区、岩石地区，由于开挖困难，接地体的埋深往往不够，由于埋深不够会直接影响接地电阻值；三是回填土的问题，有关规范要求用细土回填，并分层夯实，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及建筑垃圾回填，这样还会加快接地体的腐蚀速度；四是采用木炭或食盐降阻，这是最普遍的做法。采用木炭或食盐降阻，会在短期内收到降阻效果，但这是不稳定的。因为这些降阻剂会随雨水而流失，并加速接地体的腐蚀，缩短接地装置的使用寿命。2.4运行方面有些接地装置在建成初期是合格的，但经一定的运行周期后，接地电阻就会变大，除了前面介绍的由于施工时留下的隐患外，以下一些问题也值得注意：一是由于接地体的腐蚀，使接地体与周围土壤的接触电阻变大，特别足在山区酸性土壤中，接地体的腐蚀速度相当快，会造成一部分接地体脱离接地装置；二是在接地引下线与接地装置的连接部分因锈蚀而使电阻变大或形成开路：三是接地引下线接地极受外力破坏时误损坏等。3接地电阻降阻方法为了达到降低接地网接地电阻之目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。由公式（1）可以看出，降低接地电阻有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率和介电系数。

接地网是在接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地地作用，主导作用是用接地体来完成的。决定接地电阻大小的因素很多，下面我们以接地环作接地主体的情形来分析传统地网的接地公式：（3）利用接地电阻降阻剂[2]。在接地极周围敷设了降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低接触电阻的作用。降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，是具有导电性能良好的强电解质和水分。这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不致于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电作用。而降低阻剂的主要作用是降低与地网接触的局部土壤电阻率,换句话说,是降低地网与土壤的接触电阻,而不是降低地网本身的接地电阻。这是目前采用的一种较新和积极推广普及的方法。降阻剂已有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。（4）利用电解离子接地系统（IonicEarthingArray，简称IEA）。IEA近几年在新建变电所中得到广泛的应用，并取得一定的效果。有研究和实践证明：土壤电阻率过高的直接原因是因为缺乏自由离子在土壤中的辅助导电作用，IEA能在土壤中提供大量的自由离子，从而有效的解决接地问题。IEA由先进的陶瓷复合材料、合金电极、中性离子化合物组成，以确保能提供稳定的、可靠的接地保护。IEA的主体是铜合金管，以确保较高的导电性能及较长的使用寿命，其内部含有特制的、无毒的电解离子化合物，能够吸收空气中的水分，通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围土壤中，正是因为IEA不断的自动释放活性电解离子使得周围土壤的导电性能能始终保持在较高水平，于是故障电流能顺畅的扩散到周围的土壤中，从而充分发挥接地系统的保护作用。另外，IEA所包含的特制回填料具有非常好的膨胀性、吸水性及离子渗透性，使IEA与周围的土壤保持良好的接触界面，无论天气或周围环境如何变化，都能使IEA保持最佳的接地保护效果。但投资相对也是比较大的。（5）其他方法。如何降低接地电阻目前已成为工程建设的难点之一，除了以上方法外，增加地网的埋设深度、利用深孔爆破接地技术[3]、自然接地体、局部换土、深井接地、扩大接地面积和采用两层水平接地网[4]等等也都有一定的可行性。根据各个工程的不同情况可以选择适合的降阻措施，而各种方法也不是孤立的，可以相互配合，以取得更好的实际效果。3.3精心施工及运行维护精心的施工才能达到良好的设计的实施效果，看起来不重要的实施细节常常导致严重的后果。因为接地网工程是隐蔽工程，当施工完成后，错误不一定马上可以检测到，即使发现问题补救也是很麻烦的，尤其是防腐细节。因此，设计图纸和施工方案制定出后，就要到现场精心组织施工。对水平接地体，垂直接地体的布置严格按设计要求布置，对各焊接头质量，降阻剂的使用，回填土等每个环节严格把关。当然，工程结束后要加强运行维护；要针对地网工程接地装置运行中容易发生的问题，加强运行维护和巡视检查，及时进行缺陷处理。定期进行接地电阻和回路电阻测量，以保证接地一直处于良好的状态。4结束语变电站接地网的设计应结合实际情况进行,接地装置能否发挥它应起的作用，关键在于设计和施工运行这两个环节。首先是设计，它是保证接地装置效果的前提条件；其次是施工运行维护，施工的工艺和质量是保证接地装置效果的基础，是体现设计目的的手段，而维护是后期地保养及使用期限的延长。因而在高土壤电阻率地区的变电站设计与建设中，必须注重优化设计与综合治理，以充分提高地网建设地经济性与安全运行地可靠性，同时降阻效率高、抗腐蚀性好、成份稳定、价格低廉地新型降阻材料亦将成为接地网降阻研究的主流。接地电阻降阻方法为了达到降低接地网接地电阻之目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地电阻有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率和介电系数ε。下面分别讨论降低接地电阻的一些方法。1增大接地网面积由上面接地电阻的物理概念，依据式（2.10），大地电阻率ρ和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面积成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减小接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式2.11，当平板面积增大一倍时，接地电阻减小29.3%。２增加垂直接地体依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容。当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径为ｒ的圆盘和半径为ｒ的半球电容之比４εr／２πεr可得，接地电阻减小３６％。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸决定，附加于接地网上有限长度（２～３ｍ）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。３人工改善地电阻率在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为ｒ的半圆球接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体表面至距球心2ｒ的半圆球内，如果将ｒ至2ｒ间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。设原地电阻率为ρ2，将ｒ至2ｒ范围内的电阻率为ρ2的土壤用低电阻率的材料ρ1置换，则半圆球接地体的接地电阻为：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr置换前的接地电阻RX为：RX=ρ2/2πrR与RX之比为：R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2当ρ1《ρ2，上式改写为：R=RX/2=ρ2/4πr(５．１)故接地电阻减小的百分数为５０%。另外由５．１式可以看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。４深埋接地体在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。对于地电阻率随地层深度的增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容的概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电厂中：介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间中的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电阻作用不大，故国军标不推荐使用该法。但结合基地航天测试实际情况，主要是低频信