气体绝缘变电站（GIS）接地网降阻方法与应用

　　摘要：气体绝缘变电站，即采用全封闭组合电器的变电站，简称为GIS。GIS变电站同常规变电站相比，所需场地面积仅为常规变电站占地面积的10%～25%，因此只采用常规变电站的接地方法是难以满足接地要求的。本文对各种降低接地电阻方法进行了分析，并结合工程实践，对长垂直接地极降阻法的设计要点及经验进行了论述。
　　
　　关键词：气体绝缘变电站，接地网，接地电阻，长垂直接地极
　　0引言
　　气体绝缘变电站（GasInsulatedSubstation），即采用全封闭组合电器的变电站，简称为GIS，具有占地面积小、可靠性高、检修周期长等突出优点，在城市变电站中的应用普遍。气体绝缘变电站与常规变电站一样，需要承受同样大小的接地故障电流，也要求具有与常规变电站同样低的接地电阻。但一般的GIS所需场地面积仅为常规变电站占地面积的10%～25%。因此只采用常规变电站的接地方法是难以满足接地要求的，GIS接地网必须进行降阻。
　　降低接地系统接地电阻不仅能降低接地系统最大接地电位升，而且能降低最大转移电位。为了降低接地装置的接地电阻，现主要采用的措施有：扩大接地网面积、引外接地、增加接地网的埋设深度、利用自然接地、局部换土、长垂直接地极及深井接地等。各种降阻方法都有其应用的特定条件，针对不同地区、不同条件采用不同的方法才能有效地降低接地电阻；另外各种方法也不是孤立的，在使用过程中必须相互配合，以获得明显的降阻效果。
　　由于GIS变电站一般坐落在城市地区，因此必须考虑到GIS变电站所处区域的特点，才能找到既有效又经济的降阻方法。
　　1降低接地电阻的基本方法
　　1.1扩大变电站接地网的面积
　　变电站的接地电阻可以用下式计算：
　　（1）
　　式中L为接地极的总长度（包括水平与垂直的），m；A为接地网的面积，m2。
　　从式（1）可以看出，变电站接地网的接地电阻与接地网面积的平方根成反比，接地网面积越大，其接地电阻也就越低。无疑增大变电站接地网的面积是降低其接地电阻的一种行之有效的方法。
　　扩大变电站接地网面积来降低接地电阻的方法只能因地而异。对于一些建在山区的变电站无法扩大其接地网面积，另外对于一些建在市区内的变电站，采用扩大变电站接地网面积的方法不但技术经济上不合算，同时也难于找到合适的场地来扩大接地网面积。
　　1.2引外接地
　　引外接地是指将变电站主接地网与主接地网区域以外某一低土壤电阻率区域敷设的辅助接地网相连的方法，以达到降低整个接地系统接地电阻的目的。应当注意，在变电站和远处接地设备之间存在显著的电位差，特别是在雷电等高频冲击作用时电位差将更大。应确保主接地网与引外接地有多根接地导体连接。对于大多建在城区内的GIS变电站，由于变电站周围人员、建筑密集，采用引外接地的方法会将危险的高电位引至公共场所，造成安全隐患，因此该方法一般不会采用。
　　1.3增加接地网的埋设深度
　　埋设深度指水平接地网埋设处到地面的距离。在接地网其他参数不变的情况下增加接地网的埋深会使接地电阻减小，但其降阻效果不是很明显，这在高土壤电阻率地区更是如此。因此工程中一般不采用这种方法。而变电站接地网的埋深一般在0.8m左右。
　　1.4利用自然接地
　　自然接地包括建筑物的钢筋混凝土的钢骨架等。对于这些自然接地，由于它们本身具有较低的接地电阻，因此在设计变电站接地网时应充分考虑利用这些自然接地极与主网相连，以达到降低接地网接地电阻的目的，特别是在水电站，利用自然接地极的降阻效果相当明显，并且不需要增加多少投资。所以充分利用自然接地极来降低接地电阻，不仅在技术上容易实现，而且具有较好的技术经济效益。
　　对于GIS变电站，一般均采用将建筑物内部钢筋及基础钢筋与接地网相连接的方法来进一步降低接地电阻，但其降阻效果无法精确计算，故一般只用于提高接地安全裕度。
　　1.5局部换土
　　土壤电阻率的高低直接影响接地电阻的大小。对于某些位于高土壤电阻率地区的接地装置，如果采用其他方法降阻困难，可以采用局部换土的方法。用土壤电阻率较低的土壤或接地降阻剂来更换接地装置周围的高电阻率土壤，以获得较低的接地电阻。这种方法的使用必须从技术经济上作全面的比较，避免造成经济上的浪费。
　　对大多位于城市的GIS变电站来说，站内的土壤电阻率一般不会较大，且即使换土，由于变电站本身占地面积小，也很难取得较大效果。
　　1.6长垂直接地极及接地井
　　如果接地系统所处土壤存在下层低电阻率层，则可采用垂直接地极或接地井。接地井是指导体尺寸很大的一种长垂直接地极。
　　土壤的电阻率通常沿纵深和横向分布都是不均匀的，就纵深来说，不同深度土壤的电阻率是不同的。一般接近地面几米以内的电阻率相对要高些，并且不稳定，随季节气候的变化而变化，土壤越深越稳定。特别是在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接地装置的地区，采用长垂直接地极或深井接地与主接地网相连是一种有效降低接地电阻的方法。在有地下含水层的地方，接地极可能深入穿透水层，这时降阻效果将更好。深井接地不受气候、季节条件的影响；深井接地除了降阻以外，还可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有效的方法。接地井直径在7.5cm以上，深度则取决于所采用的钻孔设备。接地井由于增加接地极的直径（接地棒加上回填低电阻率材料）而能明显降低总体接地电阻。如果接地井与地下水层相连，则将降低接地电阻的季节变化，同时增加电极的通流，而不导致电极过热或使接地井中的回填材料变干。深井接地必须配合使用低电阻率材料才能取得较低的接地电阻。回填材料可以采用高导电率的黏土（如膨润土）和水组成的泥浆。由于回填材料能从周围环境中吸收湿气，接地井不需要任何维护也不会变干。另外，也可以采用深孔爆破制裂—压力灌降阻剂法来形成一个巨大的低电阻率区域，以达到降阻的目的。
　　长垂直接地极及接地井的降阻方法对位于城市、占地面积较小的GIS变电站十分有利。降阻效果好，持续时间长，且对周边环境无不良影响。
　　2采用长垂直接地极降低接地系统接地电阻
　　在高土壤电阻率地区，设计变电站接地装置时，其接地电阻很难满足要求，特别是面积比较小的气体绝缘变电站（GIS），采用长垂直接地极来降低其接地电阻已被越来越多的工程设计人员所采用。如前所述，接地系统采用长垂直接地极能有效利用地下低电阻率层，维持接地电阻的稳定性。
　　2.1长垂直接地极降阻效果计算
　　以面积为120×120m2、土壤电阻率为1000Ω•m，入地故障电流为10kA，接地导体半径为10mm，接地网埋深h为0.6m的水平接地网为例，进行计算。长垂直接地极布置在接地网外围接地导体上，长垂直接地极的布置有5种方式，即长垂直接地极数N分别为4（布置在四角）、8根（四角4根，每边1根）12根（四角4根，每边2根）、16根（四角4根，每边3根）、20根（四角4根，每边4根），各长垂直接地极为等间距布置，长垂直接地极的长度L分别为10m、30m、50m、70m、90m、110m、130m和150m。接地网的等效半径r为：
　　（2）
　　式中A为接地网面积。定义接地网采用长垂直接地极后接地系统的接地电阻下降率ξ为：
　　（3）
　　式中R为增设长垂直接地极后接地网的接地电阻；R0为无长垂直接地极时接地网的接地电阻。
　　定义N根长垂直接地极的利用系数η为
　　（4）
　　式中RP为N根长垂直接地极接地电阻的并联值；RC为RP和R0的并联值。
　　图1和图2所示分别为增加长垂直接地极后，接地系统的接地电阻的下降率ξ和长垂直接地极的利用系数η随L/r和N的变化曲线。分析图中曲线可以得到如下一些规律：
　　1) 下降率ξ随垂直接地极的长度L与接地网等效半径r的比值L/r的增加而增大。
　　2) 随L/r的增加，垂直接地极的利用系数降低，当L/r＞1后，利用系数η趋于饱和。
　　3) L一定时，随着垂直接地极根数N的增加（相当于垂直接地极的间距减小），利用系数η也相应减少。其原因是增加垂直接地极的间距后，相互之间的屏蔽作用加大。
　　4) L一定时，接地电阻下降率ξ随垂直接地极根数的增加而增加，当N增大到一定值时（从图1可以看出，对应的N值为8），下降率ξ的增加变慢，具有饱和趋势。
　　在以往的接地设计中，垂直接地极的长度大多只有几米到十几米，而且遍布整个水平接地网布置。可实际降阻效果并不明显，其根本原因是由于垂直接地极长度及布置方式选择不当，所采用的垂直接地极的降阻作用大多被水平接地网所屏蔽。对于长垂直接地极，可遵循如下几点设计原则：
　　1) 为了减小水平接地网对垂直接地极和垂直接地极之间的屏蔽效应，以提高垂直接地极的利用系数，垂直接地极宜沿接地网的外围导体布置。如果条件允许的话，尽可能将垂直接地极向站外布置，让垂直接地极间的距离大于或等于垂直接地极的长度。
　　2) 垂直接地极的根数及实际长度的选择可根据水平接地网接地电阻的大小和实际的降阻要求以及地质结构来确定，其基本原则是在地中无低电阻率层时，垂直接地极的长度一般不得小于水平接地网的等效半径，垂直接地极的根数一般应在4根以上。但应考虑到如下两点：一是垂直接地极根数增加到一定值时降阻率趋于饱和；二是长垂直接地极的施工费用比较高。
　　3) 在高土壤电阻率地区，为了保证明显的降阻效果，埋设垂直接地极的深井中宜灌注低电阻率降阻材料，考虑到深井的深度，最好采用压力机灌注浆状低电阻率材料。如果变电站处于岩石较多的地区，可采用下面介绍的爆破接地技术，将深井周围的岩石爆裂，使低电阻率材料渗透到裂缝中，进一步增加降阻效果。
　　4) 考虑到节省材料和灌注低电阻率材料的施工要求，垂直接地极可选择直径为50mm，壁厚3.5mm的镀锌钢管，深井的孔径一般在100~150mm之间。
　　在根据以上原则设计接地系统时，应注意如下几个方面：
　　1) 采用深井接地应进行技术经济比较。
　　2) 应全面调查站区及附近的土壤特性，确定土壤结构。如果存在低电阻率层，则适合采用深井接地，如果地中深处的电阻率比表层高，则采用深井接地就意义不大。
　　3) 变电站接地网面积减小，深井接地的实际降阻效果就越明显，反之，面积越大，实际降阻效果就越差。因此深井接地适合于接地网面积比较小的变电站。对于面积比较大的变电站，如果接地电阻达不到要求，且降低接地电阻费用又较高，应以均衡地面电位分布和高电位引出及低电位引入的隔离为主。
　　
　　3长垂直接地极法在商丘宋城110kV变电站地网设计中的应用
　　宋城110kV变电站是作者所设计的一座位于河南商丘市市区内的气体绝缘变电站（GIS）。该站为半户内型设计，除主变外的所有电气设备均置于综合楼内，占地面积为73×31m2。该站水平地网的基本情况如下：
　　站区内水平接地网面积为72×30m2，由5长6短共11根长接地体构成；站内土壤为粉质粘土，其电阻率为54.6Ω•m；站内地面硬化后的地表电阻率为2500Ω•m；入地故障电流为6kA，接地导体半径为20mm，接地网埋深h为0.8m，短路电流持续时间1s；接地网阻抗R=0.54Ω。
　　计算结果如下
　　U（t）=748V＞U（t）max=599V（5）
　　U（s）=264V＞U（s）max=212V。（6）
　　
　　式中U（t）为根据地网结构算出的地网的最大接触电位差，单位V
　　U（t）max是为保证人身安全，地网允许的最大接触电位差，单位V
　　U（s）为根据地网结构算出的地网的最大跨步电位差，单位V
　　U（s）max是为保证人身安全，地网允许的最大跨步电位差，单位V
　　由以上计算结果可知，接触及跨步电位差均不能满足安全要求，必须采用其他措施进行改进。从第二节的分析可知，对于该站采用长垂直接地极方法对接地网进行降阻是比较合适的。设计中采用每边2根共8根等间距布置的25m深的长垂直接地极进行降阻。
　　接地网的等效半径r为：
　　（7）
　　（8）
　　根据图1经查询可得采用长垂直接地极后接地系统的接地电阻下降率β=0.2。故新的接地网阻抗R1计算结果如下：
　　（9）
　　根据新的接地阻抗R1计算得跨步及接触电压结果如下：
　　U（t）1=598V＜U（t）max=599V（10）
　　U（s）1=211V＜U（s）max=212V。（11）
　　本站接地网可满足安全运行的要求。
　　现110kV宋城变电站的地网施工已经完成，经实际测量，接地电阻为0.41Ω，与理论计算值相近。
　　4结语
　　从以上的理论分析及实际应用中可得出如下结论：
　　对于建设在城市中，占地面积较小的气体绝缘变电站，仅采用常规的水平接地网是难以满足接地要求的。而无论采用扩大接地网面积法、引外接地法、增加接地网的埋设深度法、利用自然接地法还是局部换土等方法都由于各方面客观环境的限值，而无法采用或效果有限。
　　采用长垂直接地极法具有施工简便，对站外环境影响小，降阻效果明显，维持时间长，可精确计算降阻效果等突出的优点。对于城市中的气体绝缘变电站，该方法可作为第一推荐方案。
　　参考文献
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