思居110kV变电站的接地材料选型及降阻研究

【摘要】文章首先说明了接地系统在电力系统中的重要作用，结合常见的三种接地材料：镀锌钢、铜覆钢、紫铜，对其各自的耐腐蚀性、接地体连接方式、导电性能、机械强度、电阻率及热稳定性等方面进行了性能比较，确定了接地体截面选择及其全寿命周期比较;然后通过接地电阻和短路电流的计算，设计了不等距接地网，以及对接触电势及跨步电势进行了校核，最后讨论了降阻措施的两个方案。

【关键词】接地材料;性能比较;接地电阻;降阻措施

1.引言

随着电力系统的发展，对变电所接地设计的要求也越来越高。长期、可靠、稳定、经济的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障，符合国家所提出的可持续发展、变电站全寿命管理的宗旨。接地系统中的主接地网不仅为变电站内的各种电气设备提供一个公共的参考地，而且在电力系统发生故障时，能够将故障电流通过地网迅速散流，限制接地网最大电位的升高，保证人身和设备安全。

重庆合川思居110kV变电站，位于重庆市合川区花滩片区，站址属单斜地质构造单元的丘陵剥蚀地貌，最高海拔高程为276.74m，最低海拔高程为259.28m，相对高差为17.46m，站址经平场处理后均可以满足110kV变电站建设要求。

合川思居110kV变电站建设规模如表1所示。

表1 工程规模一览表

项目名称 本期 远期

主变规模 2×50MVA 3×50MVA

无功补偿 2×（3.6+4.8）MVar 3×（3.6+4.8）MVar

消弧线圈 2×400kVar 2×400kVar

110kV出线回路数 4回 4回

35kV出线回路数 1回 6回

10kV出线回路数 16回 24回

2.接地材料选择

2.1 接地体性能比较

常见接地材料主要分三类：

（1）镀锌钢：最常见且成本最低的接地材料，通常采用热镀锌扁钢水平接地体配合热镀锌角钢垂直接地极构成。

（2）铜覆钢：铜覆钢是一种新型双金属复合材料，它既有钢的高强度，优异的弹性，较大的热阻和高导磁性，又有铜较好的导电性能和优良的抗腐蚀性能。

（3）紫铜：即纯铜接地材料，具有极高的防腐蚀性能，优异的热阻和高导磁性，但造价昂贵，工程实际应用较少。

接地系统长期安全可靠运行的关键在于选择合适的接地材料，下面分别从耐腐蚀性、接地体连接方式、导电性能、机械强度、电阻率及热稳定性等方面比较。

1）耐腐蚀性：接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，多数情况下，这两种腐蚀同时存在。

铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），对内部的铜有很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。钢材是逐层腐蚀，镀锌层具有一定的抗腐蚀性，但是一般只能在前十年起作用，十年以后钢材的将考虑年腐蚀厚度，设备引下线按0.1～0.2mm/年考虑，主接地网按0.05～0.1mm/年考虑。

铜在酸性土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/2，在碱性土壤中腐蚀速度大约是钢材的1/2～1/30，且铜材电气性能和物理性能较钢材更稳定。

钢接地体接头和钢接地体本身在腐蚀的过程中会出现点腐蚀情况，钢材点腐蚀的速度是均匀腐蚀速度的4～60倍，正是由于点腐蚀的存在，所以无法通过增加钢接地截面积的方法来增加其使用年限;铜不存在点蚀情况，寿命较长。

目前我国变电所接地系统均存在不同的腐蚀问题，特别是有些运行十年以上的变电所腐蚀相当严重。尽管在设计时已通过增大接地极截面来考虑30年的防腐问题，在实际运行中也采用部分开挖和测量接地电阻等方法来检测腐蚀问题。但由于实际腐蚀情况更严重，以及钢与铜的腐蚀机理不同，实施效果不太理想。

镀锌钢接地极在中间一部分腐蚀相当严重，但测量接地电阻时，很难发现接地网腐蚀问题。一旦通过大的故障电流，由于截面太小，容易熔断，从而导致故障电流不能通过接地网顺利泄到大地，从而导致地电位升高，而出现“反击”现象，对直流，保护，通信，信号等二次设备和低压系统故障和损坏，甚至损坏变压器等重要设备。

2）接地体连接方式：只有可靠的、牢固的链接才能保证接地网的运行可靠性。目前，钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。铜接地体的连接方式一般为放热焊接连接法，利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程时间很短，反映所产生的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。

3）导电性能好：铜包钢材料的导电率为20%～40%IACS，在疏导电流相当的情况下，铜包钢的截面积理论上比镀锌扁钢要小。

4）机械强度高：传统镀锌钢导体在打入地下时，镀锌层易脱落。铜包钢导体由于铜层厚度大，铜层结合度高，因此在于土壤的摩擦中不会影响其防腐性能。

5）电阻率小：表层铜材料优良的导电特性，使其自身电阻值远低于常规材料。在一定程度上可降低接地电阻。

6）热稳定性能好：镀铜钢材的熔点为1084℃，短路时最高允许温度为450℃;而钢的熔点为1510℃，短路时最高允许温度为400℃。因此接地体同截面时，铜材热稳定性较好。同等热稳定性能对应镀锌钢材接地体截面是镀铜钢材接地体所需截面的2倍。

2.2 接地体截面选择

按DL/T621-2011《交流电气装置的接地》，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求：

（1）

式中：Sg为接地线的最小截面，mm2;Ig为流过接地线的短路电流稳定值，A，对有效接地系统，为单（两）相接地短路电流;te为短路的等效持续时间，s;C为接地线材料的热稳定系数，钢取70，铜覆圆钢取135（根据《镀铜钢报告》），铜取210。

根据系统部分计算，合川思居110kV变电站在远景规划下的最大接地短路电流为单相接地短路电流，其值为10.41kA，接地系统的使用寿命按40年考虑。

（1）镀锌扁钢截面选择

接地材料若采用热镀锌扁钢，根据式（1）其接地引下线的最小截面为：

由于接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。因此，主地网水平接地体的最小截面为：

由于初设阶段没有提供相应土壤的年腐蚀率数据，本工程暂按照扁钢年平均腐蚀速率0.065mm/年计算，60年后扁钢损失的厚度为60×0.065=3.9mm。若变电站水平接地体的截面积选用50×6mm2的镀锌扁钢，40年后接地体截面为：

能满足热稳定要求。

（2）铜覆钢截面选择

接地材料若采用铜覆钢，其接地引下线的最小截面为：

接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。因此，主地网水平接地体的最小截面为：

根据NBS（美国国家标准局）实验以及UL技术标准No.467规定最小的铜层厚度0.01mil （0.254mm），可以满足60年使用寿命的要求。主地网采用直径Φ14（截面为154mm2）镀铜钢绞线作为水平接地体配合Φ20镀铜圆钢作为垂直接地极，设备接地采用40×4mm2的铜覆扁钢，镀铜层厚度不小于0.8mm，相对导电率不低于20%。

（3）紫铜截面选择

接地材料若采用铜，其接地引下线的最小截面为：

接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。因此，主地网水平接地体的最小截面为：

根据计算主地网采用40×4mm2铜排，接地引下线采用截面为40×4mm2铜排。

2.3 全寿命周期比较

表2 采用镀锌钢接地网材料表

材料名称 型号及规范 单位 数量 备注

热镀锌角钢 L50×50×6 L=2500mm 根 80 垂直接地极

热镀锌扁钢 —50×6 米 2000 水平接地体

焊接点 个 200 普通焊接

镀锌钢接地方案的材料统计结果如表2，纯铜接地方案的材料统计入下表3，铜覆钢接地方案的材料统计入下表4。

采用镀锌扁钢、铜覆钢及铜的经济性分析分别如表5所示。

采用镀锌扁钢、铜覆钢及铜的经济性分析分别如表5所示。

变电站接地装置的全寿命周期按60年考虑。将铜覆钢与热镀锌钢及铜的全寿命周期经济性作对比分析，其中热镀锌钢一次性寿命按15年计，铜覆钢和铜按60年计。

根据国网公司关于提高输变电工程的使用寿命的指导文件，新设计建设的输变电工程变电主要一次设备按使用寿命60年设计选型，与其配套的辅助设备，按照与主设备寿命匹配的原则进行设计。要求处理好寿命和成本的关系，充分考虑不同类型工程的投资水平，细化寿命需求，实现寿命与成本的合理匹配。

基于此要求，结合以往工程经验，若采用镀锌扁钢，即使已考虑了足够大的截面，往往还可能发生接地网严重腐蚀的后果，在60年全寿命周期内还需对其进行检测及维护，甚至发生更换主接地网的情况，因此不推荐镀锌扁钢作为本工程接地材料。

铜与铜覆钢作为接地材料在国内外均有大量的应用实例，运行经验丰富，安全可靠。用铜层达到一定厚度的铜覆钢材料做主接地网其寿命可达到60年，并且在同等规模条件下，铜覆钢比铜更加节省工程投资，在全寿命周期里可以最大地节约成本。因此，本工程建议采用铜覆钢作为接地网材料，铜覆钢材料的铜层厚度可根据当地土壤腐蚀性实验结果选择。

3.接地电阻计算

3.1 不等距接地网设计

普通接地网一般采用等间距不知，即接地导体之间的间距基本相等。而不等距布置接地网的原理是考虑到接地网对中间部分导体的屏蔽性，接地导体的布置应是中间稀疏，往接地网四周则应布置得比中间部分密集，使所有接地导体得到充分利用。

等间距布置的接地网中每段导体的泄露电流密度数值相差很大，边缘导体的泄露电流密度大约是中间导体的四倍左右，而不等距布置的接地网中，增大了中间导体的泄露电流密度分布，使每段导体的泄露电流密度分布比较均匀，边缘导体的泄露电流密度密度与中间导体数值相差不大。因此，采用不等间距布置后，各导体的电流分布均匀，能有效改善点位分布，降低接触电势和跨步电势。

使导体间距按指数规律分布，则距离中心网孔为n级的网孔间距为：

（2）

式中，C为压缩比，dmax为中间网孔的边长，也是按指数规律布置接地导体时最大的网孔边长，如图1所示：

图1 按指数规律布置的地网示意图

在长度为L的水平导体上不等间距排列N根导体时，可得到中心网孔间距为：

（3）

N为偶数;

（4）

N为奇数。

根据以上定义可知，当给定地网边长L和导体根数N时，只要确定压缩比C便可得到地网的布置方案。因此接地系统优化设计工作的目标就是寻找最优压缩比，使接地电阻、最大接触电位差和最大跨步电位差达到最小值。本站C取值0.7。

横向d值取值如下：

纵向d值取值如下：

3.2 入地短路电流计算

入地短路电流是指系统发生接地短路时经地网向地中流散并引起接地网电位升高的那部分电流。所以，正确地考虑和计算各部分短路电流值，对合理地设计地网有着很大的影响。

按DL/T621-2011《交流电气装置的接地》，厂或所内和厂或所外发生接地短路时，流经接地装置的电流可分别按下式计算：

（5）

（6）

式中：I为入地短路电流，A;Imax为接地短路时的最大接地短路电流，A;In为发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流，A;Ke1、Ke2分别为厂或所内和厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用的入地短路电流取上两式中较大的I值。

站内、外短路的分流系数暂按经验分别取值为0.5与0.1，考虑短路电流非周期分量影响后，合川思居变电站最大入地短路电流约为10.41kA。

根据《交流电气装置的接地》（DL/T 621—1997）规程的要求：

有效接地和低电阻系统中变电所电气装置保护接地的电阻应符合下式：

（7）

式中，R考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω;Ig为计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。

本站接地电阻应满足：

R≤2000/10410=0.192（Ω）

3.3 复合接地网的接地电阻计算

为简化计算本计算暂忽略为设备接地而设立的接地体，如避雷器、变压器中性点、避雷针等设备的集中接地装置，因为这些接地体均布置在接地网内部，它们对整个地网的安全影响较小，可以忽略。思居站复合接地体的接地电阻为：

=2.75（8）

R=2.75Ω，大于变电站电气装置保护接地的电阻值。

本站的二次电缆没有引出，所有电缆均敷设在站内，发生接地短路故障时，施加于电缆和二次设备上的电位不会是地电位升，其最大值不会超过所连两端的地电位差。由于电缆所连两点均位于站内，其电位差应当小于地电位升，其电位差最多为电流注入点的电位与变电站内最小电位升的差，即站内两点之间的最大电位差。因此要求站的地电位升小于2000V过于苛刻，会付出巨大的不必要的代价。

另外，电力系统反事故的主要措施中有一条，即在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜接地带，铜接地带与地网连接，二次电缆与铜接地带可靠连接，这样短路故障时，由于铜接地带的阻抗比二次电缆屏蔽层的阻抗小得多，因此故障电流主要从铜接地带中流过，而流过二次电缆的屏蔽层的电流较小，可以克服双端接地时可能烧毁二次电缆的问题。

综上所述，在合川思居110kV变电站接地设计中只需保证接触电势差和跨势差满足要求即可。

3.4 接触电势及跨步电势校核

根据我国电力行业标准DL/T621-2011《交流电气装置的接地》中推荐110kV及以上有效接地系统发生单相接地或同点两相接地时，接地装置的接触电势Ut和跨步电势Us不应超过下列数值：

（9）

（10）

式中：为人脚站立处地表面的土壤电阻率;t为接地短路电流持续时间。本站t取0.2s。

按照（9）及（10）公式，变电站内接触电势以及跨步电势不应超过下列数值：

由式：

（11）

（12）

（13）

可得：

取R1、R2中较大者，如此便可确定接地电阻最大允许值。

按预设接地网布置d=0.014m、n=10、h=0.8m、L=1850m、L1=202m、S=2440m2，计算Ktmax和Ksmax：

R1=504/0.177/10410=0.273

R2=859/0.056/10410=1.473

然而复合接地体的接地电阻为2.75。因此本站必须采取降阻措施降低接地电阻值。

3.5 降阻措施

方案一：换填土

即在接地网埋设沟内采取低电阻率粘土换填。由于置换土深度一般不超过1.5米，故置换土只能改善水平接地电阻。

（14）

式中为换土后接地电阻，Ω;为置换材料的电阻率，20Ω·m;为原土壤的电阻率，300Ω·m;L为水平接地体长度（地网周长），202m;d为接地体等效直径，0.014m;d1为接地沟底部内切圆直径，0.8m。

因此，单纯采用换填土无法达到接地电阻要求值。

方案二：增加深井接地极

常规的深井接地极是一种最简单的长垂直接地极。根据深埋接地体的接地电阻估算公式：

（15）

（16）

式中：RV为深埋接地体的接地电阻;ρ为深埋接地体的土壤等值电阻率;l为垂直接地极的长度;d为接地极的等效直径。

孔数n=4个，单孔孔深H=50m、等效电阻率ρ等效=37.5Ω.m，R单孔=0.907Ω，取影响系数η0=1.30。则深井接地极接地电阻：

（17）

深井接地电极与变电站接地内网（R内=2.75Ω）并网后，整个地网接地电阻为：

（18）

满足接地电阻不大于0.273Ω的要求。

4.结论

1）通过对镀锌扁钢、铜覆钢及铜技术及经济性方面的综合比较，并结合工程实际情况，推荐具有良好防腐性能且近几年推广采用的铜覆钢作为合川思居110kV变电站的接地材料。2）合川思居110kV变电站短路入地电流约为10.41kA，最大允许接触电势及跨步电势分别为504V和859V。在满足接触电势及跨步电势要求的前提下，通过计算确定接地网的最大允许接地电阻为0.273Ω。3）全站主接地网采用不均匀网格布置，水平接地体采用直径为Φ14的铜覆圆钢，辅以直径为Φ14mm的铜覆圆钢垂直接地极，设备接地采用40×4mm2的铜覆扁钢。4）为降低接地电阻，通过在本站四周打四口50m深井，用Φ100镀铜钢管埋入，并打入物理降阻剂，以达到降阻目的。5）接地材料选择铜覆钢材料，其寿命长、成本又相对较低，并根据远景规划下的短路电流计算结果选择截面;采用非均匀布置方案优化接地网;以满足接触电势和跨步电势为降阻目标，在满足人身和设备安全的要求下节约成本，符合国网公司提出的全寿命周期的理念。

参考文献

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[4]杨小光.变电站接地系统降阻方案及接地材料选择[D].硕士学位论文：华北电力大学，2011.

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