变电站接地极换土法的接地降阻效率研究.pdf

第 38 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.38 No.2Apr.2023电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2023）02-0156-06 中图分类号：TM63；TM862 文献标识码：A 学科分类号：47040DOI：10.13357/j.dlxb.2023.017开放科学（资源服务）标识码（OSID）：变电站接地极换土法的接地降阻效率研究许井峰，许湧平，丁田力，肖旭亮，谢特列，田楠楠，史良（中国能源建设集团 山西省电力勘测设计院有限公司，太原 030001）摘要：通过对接地极换土法接地电阻的精确计算，对接地极换土法的接地降阻效率进行了研究。依据复合接地网接地电阻的计算方法，提出了换土后接地网接地电阻的一种接地极等效直径变换计算法，基于该方法，从置换土的土壤电阻率和换土半径两方面对换土后的降阻效率进行了研究。研究表明，置换土土壤电阻率越低，换土半径越大，接地电阻降低越明显，但降低并不成比例。换土法等效于增加了接地极直径，理想情况下其接地降阻效率仅接近 5%，降阻效率并不明显，故在变电站接地网接地电阻值不满足安全要求时不建议专门采用该降阻措施。当现场有足够的低电阻率土壤时，推荐采用低电阻率土壤回填，当无足够的低电阻率土壤时，应优先考虑采用降阻剂或离子接地极等其他接地降阻措施。关键词：变电站；换土法；降阻效率；等效变换；接地电阻；土壤电阻率Research on the Earthing Resistance Reduction Efficiency of the Substation Earthing Electrode Soil Exchange MethodXU Jingfeng，XU Yongping，DING Tianli，XIAO Xuliang，XIE Telie，TIAN Nannan，SHI Liang（Shanxi Eclectic Power Engineering Co.，Ltd.，China Energy Engineering Group，Taiyuan 030001 China）Abstract：The earthing resistance reduction efficiency of the earthing electrode soil replacement method is in-depth research Through the accurate calculation of grounding resistance.an equivalent transformation calculation method of the earthing resistance after soil replacement was proposed according to calculation method of earthing resistance of composite grounding grid.Based on this method，the resistance reduction efficiency of soil was studied.Studies have shown that，the lower the soil resistivity of the replacement soil and the larger the replacement radius，the more obvious the decrease in ground resistance，but this relationship is not in proportion.The essence of the soil replacement method is to artificially increase the equivalent radius of the earthing electrode.Ideally，the earthing resistance reduction efficiency is only close to 5%，meanwhile the resistance reduction efficiency is not obvious.Therefore，it is not recommended to use this resistance reduction method when the earthing resistance of the substation does not meet the safe value.When there is enough low-resistivi 收稿日期：2022-10-25作者简介：许井峰（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，；许湧平（1969），男，硕士，正高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，；丁田力（1977），男，硕士，正高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，；肖旭亮（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，；谢特列（1986），男，硕士，高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，；田楠楠（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，；史 良（1986），女，硕士，高级工程师，主要从事变电站设计及研究工作，。引文格式：许井峰，许湧平，丁田力，等.变电站接地极换土法的接地降阻效率研究 J.电力学报，2023，38（02）：156-161.DOI：10.13357/j.dlxb.2023.017.第 2 期许井峰，等：变电站接地极换土法的接地降阻效率研究ty soil on site，try to use low-resistivity soil for back filling.Key words：substation；soil exchange method；resistance reduction efficiency；equivalent transformation；earthing resistance；soil resistivity；0 引言 变电站接地网接地电阻值是接地安全评价的重要参考指标，接地电阻值越低，系统短路时短路电流经接地网入地引起的地电位升越小，安全性越高。站址处土壤电阻率和地网面积是影响接地网接地电阻值的两个重要因素，站址处土壤电阻率越低、地网面积越大，相应的接地电阻值越小，安全性越高。近年来，随着电气设备的集成化，变电站朝着小型化方向发展1，同时受国家土地政策影响，变电站又多建于山地等高土壤电阻率地区2，使得变电站的接地电阻值偏高，难以满足接地系统的安全要求。为降低变电站接地网的接地电阻，工程中常采取一些接地降阻措施，如采用离子接地极、深井接地极、接地网外引、接地极周围换土或使用降阻剂等。其中，接地极换土法是工程中常用的一种接地降阻措施3-8，但目前对其接地电阻计算方法和降阻效率并没有明确定义和深入研究。文献 9 提出了一种基于均匀土壤电阻率的复合接地网接地电阻计算方法，然而对接地极周围换土后站址处土壤电阻率的整体变化情况和接地网接地电阻计算方法并未提及。接地极换土法在常规应用时，因换土后土壤电阻率的整体降低值无计算依据，设计人员往往根据经验人为降低土壤电阻率后采用文献 9提出的计算方法计算接地电阻，故最终计算值与实际值出现较大偏差。文献 10 给出了一种接地沟换土后的接地电阻计算方法，但该方法应用于面积较大的变电站内复合地网时，得到的计算值远小于实际值，仍不具有适用性。为精确计算换土后接地网的接地电阻值11-12，假定接地极周围换土后对大地均匀无限大介质无影响，由文献 9 提供的复合接地网接地电阻计算式可知，换土后对接地网接地电阻值的唯一影响因素为接地极直径，为此，提出了一种接地极等效直径的计算方法，考虑将置换土等效为水平接地极的一部分，并求得换土后置换土和接地极假定的等效直径，最终将得到的等效直径代入文献 1 给出的复合接地网接地电阻计算式，即可得到换土后的接地网接地电阻计算值。换土法影响接地网接地电阻值的两个参数为置换土土壤电阻率和换土半径，本文结合接地极换土后的等效直径计算法，从置换土土壤电阻率和换土半径两方面对换土法的接地降阻效率做进一步研究。研究表明，置换土土壤电阻率越低，换土半径越大，接地电阻降低越明显，但降低并不成比例。当置换土土壤电阻率降低到一定值或换土半径增加到一定值后，接地电阻值已不再明显降低。综合考虑有效性和经济性，在置换土土壤电阻率和换土半径均达到理想情况下，其综合降阻效率小于 5%。故在变电站接地电阻值不满足安全要求时不建议专门采用该降阻措施，当现场有足够的低电阻率土壤时，接地极开挖敷设时可尽量采用低电阻率土壤回填。当无足够的低电阻率土壤时，可考虑采用降阻剂或离子接地极等其他接地降阻措施。1 换土法接地电阻计算 1.1接地极等效直径换算为求得换土后的接地极等效直径，假定大地为电阻率 的均匀无限大介质，对接地极周围换土对大地的均匀无限大介质无影响。设水平接地极总长为 L，因换土前后短路时从接地极流入大地的散流电流 I无变化，故在离接地极中心 r处圆柱表面的散流密度如式（1）所示：r=I2rL.（1）由式（1）可求得接地极半径 r处圆柱表面电场强度如式（2）所示：E=r=I2rL.（2）157第 38 卷电力学报以无穷远处为零电位参考点，由式（2）可求得接地极半径 r处的电位如式（3）所示：ur=rEdr=rI2rLdr.（3）换土后接地极半径等效变换过程如图 1所示。图 1中 1、2分别为站址处土壤电阻率和置换土土壤电阻率，rc为实际使用的接地极半径，ra为置换土土壤半径，为换土边界线，re为换土后假定的置换土和原接地极的综合等效半径。设 I为短路时经接地极入地的散流电流，由式（3）可求得等效半径变换前短路时置换土部分的电位差，即图 1中半径为 rc的接地极外边界与置换土外边界 之间的电位差如式（4）所示：U1=rcra2I2rLdr=2I2Llnrarc.（4）等效半径变换（后文简称“等效”）后，等效接地极（等效半径 re）外边界与置换土外边界 之间转移介质取电阻率为 1的站址处原土壤，由式（3）可求得等效后等效接地极（等效半径 re）外边界与置换土外边界 之间的电位差如式（5）所示：U2=rera1I2rLdr=1I2Llnrare.（5）因接地极周围换土对系统短路电流无影响，故等效前后接地极从边界 处散入大地中的电流 I不变。因换土后边界 与无穷远处大地介质无变化，故等效前后边界 与大地无穷远处电位差不变。因等效前后接地极均为等电位接地体，故等效前后接地极电位一致。综上可知，等效前后接地极与换土边界 之间的电位差相等，即 U1=U2。由式（4）、式（5）联立即可求得换土后接地极等效直径 d1如式（6）所示：d1=2re=2rc(rarc)()1-21.（6）1.2接地电阻计算文献 9 给出了以水平接地极为主边缘闭合的复合接地网接地电阻计算式，如式（7）所示，该公式考虑了构成水平接地网的水平接地导体之间的电流屏蔽作用，对于任意复杂的接地网都能得到比较准确的接地电阻值。Rn=1Re.（7）1=()3 lnL0S-0.2SL0.（8）Re=0.213S()1+B+2L()lnS9hd-5B.（9）B=11+4.6hS.（10）图 1换土后等效半径变换示意图Fig.1Equivalent radius after changing the soil158第 2 期许井峰，等：变电站接地极换土法的接地降阻效率研究式中，Rn为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，；1为与地网形状有关的系数；Re为等值（即等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻，；为土壤电阻率，m；S 为接地网总面积，m2；d 为水平接地极的直径或等效直径，m；h为水平接地极的埋设深度，m；L0为接地网的外缘边线总长度，m；L为水平接地极总长度，m。由式（7）式（10）可知，在变电站占地面积及主地网设计方案确定后，、S、h、L0与 L不再随接地极周围换土而改变，接地极周围换土可等效于增加了接地极的直径。因此，只需将接地极周围换土后的等效接地极直径 d1=2re替换原接地极直径 d，即可求出换土后接地网的接地电阻值如式（11）、式（12）所示。Rn1=1Re1.（11）Re1=0.2131S(1+B)+12LlnS18hrc()rarc()1-21-5B.（12）式中，1、B分别可由式（8）、式（10）计算得到，1、2分别为站址处土壤电阻率和置换土土壤电阻率。2 换土法接地降阻效率研究 换土法对主地网接地电阻的主要影响因素为置换土土壤电阻率 2和换土半径 ra。为便于分析，假定一特定接地网面积 S 为 100 m100 m，接地网按 10 m 等间距布置，站址原土壤电阻率取 1=500 m，接地极取常用的808热镀锌扁钢，由文献 9 中式（A.0.1-3）可知水平接地极本体的等效直径 d=0.04 m，地网埋深 h=0.8 m。2.1置换土土壤电阻率 2对接地降阻效率影响分析由式（7）计算可知换土前接地电阻Rn=2.272。取工程中常用的理想换土半径ra=0.5 m，为分析不同置换土土壤电阻率 2对接地降阻效率的影响，变化的置换土土壤电阻率 2取值 10 m500 m，由式（6）求得换土后接地极不同的等效直径 d1，再由式（11）计算可得到与 2对应的接地电阻值 Rn1，如表 1所示。为便于分析，设原土壤电阻率与置换土土壤电阻率之比为1/2，换土后较换土前接地电阻降低百分率按式（13）计算：=Rn-Rn1Rn.（13）依据式（13），由换土后接地电阻不同计算值 Rn1（表 1）及换土前接地电阻计算值 Rn可得到换土后接地电阻降低率 与不同1/2的关系曲线，如图 2所示。由图 2可知，当置换土土壤电阻率 2降低至原土壤电阻率 1的 1/10 后，接地电阻的降低率 不再随置换土土壤电阻率 2的降低而明显增加，接地电阻降低率不超过 5%。2为 1的 1/10时降阻效率达到峰值拐点，若进一步降低 2，不仅对置换土要求更高，而且降阻效率并不会有更多的提高。2.2换土半径ra对接地降阻效率影响分析由式（7）计算可知换土前接地电阻Rn=2.272，取理想的置换土土壤电阻率2=50 m，假定换土半表 1不同置换土电阻率对应接地电阻Tab.1The earthing resistance for different soil resistivity2/（m）Rn1/102.159202.162502.1691002.1802502.2155002.272图 2不同 1/2与降阻率 关系曲线图Fig.2The related curve chart of 1/2 and 159第 38 卷电力学报径ra=0.1 m1 m，由式（11）计算得到换土后换土半径ra对应的接地电阻Rn1，如表 2所示。依据式（13），由换土后接地电阻不同计算值Rn1（表2）及换土前接地电阻计算值Rn可得到换土后接地电阻降低率 与换土半径ra的关系曲线如图 3所示。由图 3 可知，若置换土土壤电阻率2=50 m不变，降阻效率 随换土半径增加而增加。100 m 100 m按10 m 等间距布置的接地网，假定一定运距的购土和人工费按 50 元/m3考虑，换土半径为 0.5 m 时，接地电阻降低率约 4.53%，换土量约为 1 727 m3，共需费用约 8.635 万元；换土半径增加至 1 m 时，接地电阻降低率约 5.54%，换土量达到 6 908 m3，共需费用约 34.54万元。可知，当换土半径由 0.5 m 增加到 1 m 时，降阻效率仅由 4.53%增加至5.54%，后者的工程量及费用约为前者的 4倍。考虑到有效性和经济性，换土半径ra一般宜取 0.5 m。综上分析，在综合考虑有效性和经济性的基础上，在置换土土壤电阻率 2为原土壤电阻率 1的 1/10，换土半径ra为 0.5 m的理想情况下，其综合降阻效率小于 5%，其降阻效果并不明显。3 结语 1）换土法可等效于增加了接地极直径 d，理想情况下其接地降阻效率接近 5%，降阻效率并不明显。2）当置换土的土壤电阻率 2降低至原土壤电阻率 1的 1/10后，接地电阻的降低率已不再明显增加。随着 2进一步降低，接地电阻降低率最大不超过 5%，故置换土土壤电阻率一般可取站址土壤电阻率的 1/10。3）接地电阻降低率 随换土半径增加而增加。当换土半径ra为 0.5 m 时，接地电阻降低率约 4.25%。若继续增加换土半径，将成倍增加工程量及费用，且降阻率并不再明显增加。故工程中若采用换土法，考虑到经济性和有效性，换土半径ra一般可取 0.5 m。综上，换土法可等效于增加了接地极直径，理想情况下，换土法的接地降阻效率小于 5%，故不建议专门采用该降阻措施。当现场有足够的低电阻率土壤且换土方便时，接地极开挖敷设后可尽量在水平接地网接地沟内回填低电阻率土壤。无足够的低电阻率土壤时，可考虑采用降阻剂或离子接地极等其他接地降阻措施。参考文献：1 钟山，周炜明.高土壤电阻率变电站降阻措施分析及降阻目标选择 J.四川电力技术，2021，44（3）：56-60.ZHONG Shan，ZHOU Weiming.Analysis of Resistance Reduction Measures and Its Target Selection for Substation with High Soil Resistivity J.Sichuan Electric Power Technology，2021，44（3）：56-60.2 张涛.华北某 500 kV变电站接地降阻优化研究 J.电力勘测设计，2020（9）：41-46.ZHANG Tao.Study on Reducing Grounding Resistance of a 500 kV Substation in North China J.Electric Power Survey&Design，2020（9）：41-46.3 严哲.关于高土壤电阻率地区接地设计方案研究 J.电工技术，2021（1）：118-119，122.YAN Zhe.Research on Grounding Design Scheme in High Soil Resistivity Area J.Electric Engineering，2021（1）：118-119，122.4 李东辉.高土壤电阻率地区降低接地电阻的技术措施研究与应用 J.水利科技，2020（3）：52-55.表 2不同换土半径对应接地电阻Tab.2The earthing resistance for different soil radiusra/mRn1/0.12.2200.22.1980.32.1850.52.1690.72.15812.146图 3不同换土半径 ra与降阻率 关系曲线图Fig.3The related curve chart of ra and 160第 2 期许井峰，等：变电站接地极换土法的接地降阻效率研究LI Donghui.Research and Application of Technical Measures to Reduce Grounding Resistance in High Soil Resistivity AreaJ.Hydraulic Science and Technology，2020（3）：52-55.5 柯荷秀.高土壤电阻率变电站的降阻探讨 J.浙江电力，2012，31（11）：14-16.KE Hexiu.Investigation on Resistance-Reduction in Substation with High Earth Resistivity J.Zhejiang Electric Power，2012，31（11）：14-16.6 周洁，李海滨，聂文海，等.高土壤电阻率地区降阻措施研究 J.电气技术，2018，19（6）：46-49.ZHOU Jie，LI Haibin，NIE Wenhai，et al.Research on Decreasing Soil Resistivity in High Soil Resistivity Regions J.Electrical Engineering，2018，19（6）：46-49.7 杨文良，王琰，王振中，等.变电站接地装置降阻技术分析 J.集成电路应用，2021，38（1）：192-194.YANG Wenliang，WANG Yan，WANG Zhenzhong，et al.Analysis on Resistance Reduction Technology of Substation Grounding Device J.Application of IC，2021，38（1）：192-194.8 陆东，诸德律.变电站接地降阻技术的应用分析 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