变电站接地网深井接地的设计计算

变电站接地网深井接地的设计计算
成都艾邦新实科技有限公司夏宏伟
阿古斯光电(南宁)科技有限公司平帅
摘要：目前我国电力行业标准中关于变电站接地网接地电阻的设计计算都是基于单层均匀土壤环境下，针对边缘闭和接地网进行计算的。

然而工程现场的地质情况千变万化，非常复杂，使得设计计算的结果与工程实际施工的结果误差很大。

本文以一种较为简单可行的计算方法，对变电站在两层土壤环境下的深井接地进行了设计计算尝试，并通过对某110KV变电站工程前期设计与施工实测值的比较，验证了该设计方法的可行性。

关键词：变电站深井接地设计计算
1、引言
变电站接地网的接地电阻值对变电站的运行安全非常重要，在我国接地标准中，推荐采用以水平接地体为主且边缘闭合的圆形复合接地装置模型来等效变电站的接地网，进行接地电阻的计算。

计算方式使用内插法，计算公式以圆盘圆环模型接地电阻计算公式内插得出。

但在实际的工程施工中，变电站的接地网一般均埋设于两层土壤环境下，当使用接地深井埋设长垂直接地体时，使得设计计算更为复杂。

通常对于两层土壤环境下接地网的设计计算需使用专门的计算软件进行计算，如何设计一个简单可行的计算方法来进行设计计算，所有从事电力接地技术研究的业内人士都在进行尝试，目前较少有切实可行的计算方法。

本文通过对某110KV变电站工程前期设计与施工实测值的比较，对变电站在两层土壤环境下的深井接地进行了设计计算尝试，提出了一种较为简单的设计计算方法。

2、计算案例
2.1、现场概述
A、变电站面积为88×90m共7920平方米；
B、工程所在地含土层平均厚度约为1.2～1.5米估算；
C、工程为变电站系统接地,设计工频接地电阻为1.0Ω；
D、土壤地质情况主要为沉积岩结构，分层清晰；表层0～1.5米为第四纪粉质红色沙壤土，具有胀缩性；上层1.5～3.5米为老第三纪黄色石灰岩风化土；中层3.5～8.0米为三叠纪红色沙砾类沉积岩；下层8.0～米为三叠纪红色砂岩；表层土壤电阻率实测为973Ω·m，取值：980Ω·m；中层土壤电阻率实测为1426Ω·m，取值：1450Ω·m；下层土壤电阻率约为2200Ω·m，土壤季节变化系数较小；
E、该110kv变电站位于丘陵地带，变电站四周围有1～3米沙石挡土墙，站内为回填土，原接地网水平接地体使用-50×5mm热镀锌扁钢，埋深0.8米；垂直接地体使用L50×50×5mm×2.5m热镀锌角钢，埋深0.8米；现工频接地电阻实测为3.32～3.48Ω；
F、变电站附近区域内稳定地下水位埋深约9.50m～16.50m，地下水主要为基岩裂隙水，中等水量，具有良好的导电性。

变电站东侧地下水位较浅，土壤电阻率较低；
根据电网公司的规定，变电站的接地阻值不宜大于1Ω。

因此，需进一步采取降阻措施以满足接地阻值不大于1Ω要求。

现对如下地网情况做设计整改。

2.1、、设计思路
依据以上现状，本设计拟采用站内及站基边缘打接地深井，埋设20米长垂直接地体，并采用降阻剂压力灌浆工艺进行施工的方法对现有接地网工频接地电阻值进行改善。

本方案设计计算依据DL/T621-1997《交流电气装置的接地》附录A及IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》进行设计计算。

图1接地深井布置图
图2等效的接地网结构图如图1所示，本设计主要内容为：
1、在变电站内距离变电站围墙1m处，沿变电站围墙，依据现场钻机安装难易程度设置8孔Φ150mm×20m接地深井，沿变电站东侧、东南侧，在距离变电站围墙40m位置设置6孔Φ150mm×20m接地深井。

接地深井内埋设Φ50×5mm×20m热镀锌钢管做垂直接地体，垂直接地体埋深0.8m。

接地深井内采用压力灌浆工艺灌注2500kg长效稀土降阻剂。

2、使用50×5mm热镀锌扁钢做接地连接导体，将垂直接地体与原接地网水平接地体焊接，并在焊接部位做防腐处理。

接地连接导体埋深1.0m，每米添加25kg长效稀土降阻剂。

本设计的优点为：
1、因变电站东侧为非耕种沙土荒地，因此不存在青苗补偿费用，征地费用，以及土地建设对变电站接地网的破坏等问题。

2、本设计充分考虑了地下水层的分布和深度对接地网工频接地电阻的影响，接地深井设计深度为20m，较易施工，并可穿透地下潜水层，有效降低接地网工频接地电阻。

3、本设计接地深井的布置间距均大于两倍深井长度，垂直接地体间的屏蔽作用很小，可最大限度利用现有地形，充分提高垂直接地体的降阻效果。

4、本设计所有工程计算均符合DL/T621-1997《交流电气装置的接地》标准及IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》的规定，设计误差较小，所使用的设计计算方法在国内众多变电站的接地网设计中得到证实。

5、本设计使用常规接地材料，符合DL/T621-1997《交流电气装置的接地》标准及IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》的规定，工程造价较低，性价比较好。

所建接地网的设计寿命大于30年。

2.3、设计计算
1）、水平复合接地网的工频接地电阻
水平复合接地网采用主边缘闭合的－50×5热镀锌扁钢；
接地网总面积：S=7920m 2； 水平接地极总长度：L=2200m ； 水平接地极埋深：h=0.8m ； 水平接地极：d=0.025m ； 地网主边缘长度：L 0=356m ；
5m 深度的土壤电阻率：取ρ=980Ω·m ；
根据测量时天气和土壤情况，取季节系数1.4，ρ=1372Ω·m ； 则：=+=
+=
7920
8.06
.4116
.411s h B 0.9606
()()Ω
=+=⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯-⨯⨯⨯+
+=⎪⎭
⎫
⎝⎛-+
+=7.0230.585.43869606.05025.08.097920ln
2200213729606.017920
1372
213
.059ln
21213.0R e ππρρ
B hd S L B S 0.99
35679202.07920356
ln 32.0ln 30
01=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L S S L a
R h =1a ×R e =0.99×7.023=6.953Ω
添加45T 长效物理降阻剂后：R hx =η×R h =0.5×6.953=3.48Ω
该接地网内添加45T 长效物理降阻剂后，接地网工频接地电阻降为3.3Ω。

未达到要求，因此交于我公司进行接地网改造。

2）、垂直方向的平均土壤电阻率
根据110kV 变电站岩土报告，变电站场区及附近表层0～3.5m 土壤电阻率分布为850～1050Ω·m ；中层3.5～8m 土壤电阻率分布为1350～1550Ω·m ；下层8m ～土
壤电阻率约分布为2200～2300Ω·m ；
第一层理区深度：1h =8m ； 平均土壤电阻率：1ρ=
12004
)
15501050()1350850(=+++Ω·m
取季节系数为1.4时：1ρ=1.4×1200=1680Ω·m 第二层理区深度：2h =12m ； 平均土壤电阻率：2ρ=
18504
)
23001550()22001350(=+++Ω·m
取季节系数为1.4时：2ρ=1.4×1850=2590Ω·m 层理方向的土壤电阻率：
21302590
/121680/812
8//221121=++=++=
ρρρh h h h t Ω·m
垂直层理方向的土壤电阻率：
222612
82590
1216808212211=+⨯+⨯=++=
h h h h n ρρρΩ·m
该层状结构岩土的非各向同性系数λ和平均电阻率m ρ为：
022.12130
2226===
t n ρρλ； 5.217721302226=⨯==t n m ρρρΩ·m
3）依据土壤电阻率分布添加降阻剂水平复合接地网
当在接地网内依据土壤电阻率的分布特性平均添加降阻剂后，视接地网内各区域土壤电阻率趋于均衡，其降阻剂的降阻效率应依据接地网埋深位置的平均土壤电阻率确定。

按图1方式进行接地网改造后，新增加接地网面积6600 m 2；新增接地网主边缘长度160m ；
当使用降阻剂后，取ρ=1372Ω·m 时，按照降阻剂的降阻效率曲线其降阻效率为0.6，则此时的视在土壤电阻率x ρ=(1-0.6)×1372=548.8Ω·m 。

将S=14520m 2；x ρ=548.8
Ω·m 代入公式有：
=+=+=
14520
8.06
.4116
.411s h B 0.9699
()()Ω
=+=⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯-⨯⨯⨯+
+=⎪⎭
⎫
⎝⎛-+
+=2.1750.2561.91899699.05025.08.0914520ln
220028.5489699.0114520
8
.548213
.059ln
21213.0R e ππρρ
B hd S L B S 0.97
516145202.014520516
ln 32.0ln 30
01=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L S S L a
R h =1a ×R e =0.97×2.175=2.11Ω
该地网均匀添加长效物理降阻剂，并新增加接地网面积6600 m 2后其接地电阻为2.11Ω，不能达到≤1Ω的设计要求，因此我公司建议采用深井接地的方式对其进行改造。

4）、增设长垂直接地体后接地网的工频接地电阻
依据IEEE Std 80-2000中含长垂直接地体两层土壤环境下的简化结算公式，在不考虑土壤的均匀系数和上下层土壤之间的反射系数的情况下，按图1方式增设14孔Φ150mm ×20m 接地深井后的接地网工频接地电阻计算如下：
3
3
3
11
1⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=
t S
R R R
式中 R s ——水平接地网的接地电阻，Ω； R t ——垂直接地棒组的接地电阻，Ω；
A 、水平接地体的接地电阻计算：
()()
01
121ln H H K C R R s +--=πρα；()()1212ρρρρ+-=K ； ()⎪⎭⎫
⎝⎛-+
+=B hd S L B S
R 59ln 21213
.011
1πρρ；002.0ln 3L S S L a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=； s
h B 6
.411+=
；()5
.0/6.015
.0/6.01
{
≤>->≤=S H K K S H K C r
或或；
00)
78.1ln
39.1(L S S
L r -=；()K K K S H -⎪⎭⎫
⎝⎛-=1ln 2120πβ；00)09.5ln 27.6(L S S
L -=β； 3m 深度表层土壤电阻率ρ=1372Ω·m ；添加长效物理降阻剂后1ρ=548.8Ω·m ； 0～20m 垂直方向土壤电阻率m ρ=2177.5Ω·m ；采用压力灌浆工艺灌注长效稀土降阻剂后长垂直接地体的在视土壤电阻率25.6535.2177)7.01(2=⨯-=ρΩ·m ；
则：将1ρ=548.8Ω·m ；2ρ=635.25Ω·m ；K=0.0869；S=14520m 2； 0L =2200m ；B=0.9699；
a =0.97；1R =2.175Ω代入上式；
因：K ≤0.6；则：C=1；算得：72.0=β；55.160=H ； 则有：
()()433
.2323.011.221ln 01
1=+=+--=H H K C R R s πρα
B 、长垂直接地体的接地电阻计算：
()
b
a t R R K R 111184.01
.0++=；
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣
⎡
⎪⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=11/11ln 2222010011q F m K H F g mL R a πρπρ；00222F g mL R b πρ=； ()()h
L L h
L L d L L g 77.231.077.24ln 21210210-+++-+=；h
L L H h L L H H h
L L q ++≤++>++=2121211
{
(
)
()0
6
.02109.012.11
1g K S L L m F ⎥
⎦⎤⎢⎣⎡-+-+
=
L 1、L 2——分别为垂直接地棒在上层土壤和下层土壤的长度，m ；
则：将1ρ=548.8Ω·m ；2ρ=635.25Ω·m ；K=0.0869；S=14520m 2；L 1=8m ；L 2=12m ；h=0.8m ；m=14；0d =0.15m 代入上式； 则有：1=q ；7.00=g ；68.20=F ；
计算得：70.1237.0464.1=+=a R ；13.1=b R ；
()
735.01
11184.01
.0=++=b
a t R R K R
则：Ω=⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=
73.0735.01433.211
1113
3
3
3
3
3
t S
R R R
考虑到工程施工中因施工工艺引起的误差，考虑到15%的施工风险；
即：设计值为工程实际测量值的85%时，R =0.73×85%=0.86Ω≤1Ω；
结论
按本文所列设计方法，需14孔20m 接地深井可达到该接地网工频接地电阻小于1Ω的效果。

充分考虑到工程施工风险后的设计值为0.86Ω，本工程接地电阻实测值为0.81Ω。

因此验证了本文的设计计算方法是可行的。

参考文献：
1、DL/T621-1997《交流电气装置的接地》附录A ；
2、IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》；
3、何金良、曾嵘《电力系统接地技术》；
4、Y .L.chow etal.Resistance Formulas of Grounding System in Two-laye r Earth.IEEE Trans.on Power Delivery ，1996(3):1330。