浅谈变电站降低接地电阻的措施

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  一、前言
  随着电力系统的发展,接地短路电流越来越大,接地装置对设备和人身安全的影响也越来越大。在山区、高土壤电阻率地区如何有效地降低接地装置的接地电阻,如何用较少的投资获得较大的降阻效果,目前仍然是電力系统中广大工程技术人员面对的主要技术难题。因而有必要对每种降阻措施的作用、适用场所和应注意的问题进行深入的分析和研究, 采用技术经济分析的方法,具体工程,具体对待,在保证设备和人身安全的前提下,结合具体的工程情况和现场实际,特别是现场的地质、地势情况,土壤电阻率分布以及具体的工程要求,找出最佳的降阻措施,找出正确合理的降阻方法达到有效降低接地装置接地电阻的目的。
  二、接地电阻的构成及降低接地电阻的措施
  改善接地的设计是一个十分复杂,要求又非常严格,并涉及地质学,电磁理论,电磁屏蔽,地中电流,电气测量,应用化学、应用地球物理及地质钻探技术等多领域,已成为综合性极强的边缘学科。分析接地网体系结构,就其接地电阻的构成,与诸多因素相关:接地体的布置,连接,接地体的材质,埋设接地装置区域的地质及气候和化学降阻剂的应用等。从理论分析及在工程实践中去探讨降低接装置电阻的措施,是保证系统安全稳定运行的必要措施。有关规程规范中严格规定电力系统各种接地装置的电阻值,接地网的设计就是以此为目标值。了解接地网电阻构成,在设计中可以在主要影响接地网电阻的环节采取相应的措施,以降低接地网的电阻值。接地网的电阻由以下几个部分构成:
  (1)接地引线电阻,是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻,其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。
  (2)接地体本身的电阻,其电阻值与接地体的几何尺寸和材质有关。
  (3)接地体表面与土壤的接触电阻,其阻值还与土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。
  (4)从接地体开始向远处扩散电流所经过的路径土壤电阻,即散流电阻。决定散流电阻的主要因素是土壤的电阻率。
  接地电阻虽由四部分构成,但前两项所占接地电阻值的比例甚微,起决定作用的是接触电阻及散流电阻。因此改善接地网的接地电阻的办法不外乎以下几种:
  1、外延(扩大)水平接地网
  该方案实质是扩大接地网的面积,从而达到直接降低接地网接地电阻之目的。我们知道,在土壤电阻率一定的条件下,接地电阻与接地网面积的平方根成反比,接地网面积增大,则接地电阻减小,因此,利用扩大接地网面积来降低接地电阻是可以预见的有效降阻措施。但是具有这种条件的工程是不多的。这种条件包括地理条件及地质条件。
  2、使用降阻剂
  该方案实质是减小接地网与地层土壤的接触电阻,从而达到间接降低接地网接地电阻之目的。接地网的接地电阻主要取决于接地网面积的大小与地层电阻率,在接地网内敷设化学降阻剂对降低接地电阻不起决定性作用。而且化学降阻剂易于流失,受外界气候、温度等因素影响较大,且不利于环保。多座变电站或发电厂的接地网的开挖及分析表明,化学降阻剂对接地体的腐蚀有两种情况:一种是早期生产的降阻剂本身对接地体的腐蚀,这种腐蚀很严重;另一种是现在生产的降阻剂,即使其本身对接地体无腐蚀作用或腐蚀很缓慢,但在有、无降阻剂的交界处由于电化学的作用而使接地体的腐蚀速度高于无降阻剂情况下的腐蚀速度。后一种情况不可避免,且难于解决。
  3、引外接地
  当接地网附近2000米内(一般不超过1000米)有低土壤电阻率(水塘、水田、水洼地、裂隙发育且有低阻充填物、地下水丰富且有断层构造等),可以敷设辅助接地网与主接地网连接,这种方式叫引外接地。这也是降低接地电阻的有效措施。该方法的实质是通过外设辅助接地网与主接地网并联,从而达到降低接地网接地电阻之目的。引外接地需注意:距离不能太远,接地体要深埋,要作好安全保护措施,防止因跨步电位差引起人员和牲畜的触电事故发生,必须保证引外接地的安全性。
  4、局部换土
  该方案实质是利用电阻率非常低的土壤(一般ρs<50Ω.m)来置换接地网处原有的高电阻率土壤,通过减小接地网与地层土壤的接触电阻,从而达到间接降低接地网接地电阻之目的。用换土的方法来降低高土壤电阻率地区接地网接地电阻,这是大家公认的有效措施之一。通常采用的局部换土,只对水平接地带和垂直接地极的全部或部分实施换土,但在接地网内局部范围采用置换(换土)或化学方法(降阻剂)改善接地体附近高电阻率土壤,除对消除接触电阻有显著效果外,对减小接地电阻的作用不大。而且对所需要的换土的要求非常高。有资料数据表明,即使接地网达到半球形接地体,也只能使接地电阻减小36.4%。
  5。、深井接地
  采用深井或超深井接地来降低接地电阻,该方法实质是利用下伏(或者深部)的厚度较大的稳定的低电阻率层,通过立体网与水平接地网的并联,从而达到降低接地网接地电阻之目的。因该方法利用的是深部的低电阻率地层,故不受气候、温度等外界因素的影响,改善结果非常稳定,而且深井施工可在站内进行,不与周围居民发生关系,排除了一定的人为干扰,使得施工有了顺利进行的先决条件,因而受到电力系统的偏爱。
  6、利用地下水或地下含水层
  该方法的实质就是利用水的低电阻率来到达降阻之目的。其实质属于深水井接地范畴。
  7、利用接地模块
  该方法的实质就是利用接地模块的主体材料与土壤的物理结构相似,能与土壤结合为一体,使接地体与土壤的有效接触面积比金属接地体大许多倍,增大了接地体的有效散流面积,极大降低接地体与土壤的接触电阻,因此能显著提高接地效率,减少地网占用土地面积。该方法利用的是1米左右的地表电阻率,易受气候、温度等外部条件的影响。有些接地模块由于加入某些吸水、保水材料的作用还具有一定的吸水、保水作用。但接地模块同导电水泥和固体降阻剂一样由于不具有渗透和扩散作用,不能改善周围土壤的土壤电阻率,其降阻作用受到一定的局限。因而只能结合其它降阻方法作为辅助的降阻措施。   上述几种方法中最有效、且不与当地居民发生关系,又能免维护的只有使用降阻剂和深井接地
  三、降阻剂的种类
  我国的降阻剂研制始于20 世纪70 年代, 有关部门组织电力部、化工部下属的10 余个单位成立了降阻剂研制课题组, 1983 年前后列入“七五”重点攻关项目。1997 年以后一种新型的物理降阻剂问世, 从而使降阻剂明显地分成了化学降阻剂和物理降阻剂两大类型。
  1、化学降阻剂
  目前降阻剂品种繁多,但大都属于化学降阻剂模式。从物态可分为液态和固态降阻剂;从物类则可分为有机和无机降阻剂。 化学降阻剂的共同特点主要是电解质盐类为导电物,胶凝物对金属有较强的亲和力,紧固后紧密附着在金属表面,形成多相立体结构。对储存电解质,减少初期流失有一定的效果。这种低电阻结构比土壤致密度高,只有在有水时电解质电离出带电离子才能成为导电主体,电解质浓度越高或电离度越大,电阻越低,降阻剂性能越好,但这时阴离子对金属的腐蚀更加严重。季节性地下水位的起落,使得电解质流失,尤其当无水时电解质结晶或低温结冰,电阻率就会升高而失去降阻能力。
  2、物理降阻剂
  物理降阻剂是以强碱弱酸盐为胶凝物,去掉了电解质的离子导电物,以非电解质的固体粉末为导电材料,主要是以炭素自由电子材料和防腐剂组成。其特性为耐酸碱盐,在干旱的沙漠应用具有明显优越性。
  降阻剂的降阻效果是不可置疑的,因为降阻剂已在实际的接地工程中得到大量的,长期的应用,并被写进国家标准和相关行业标准,降阻剂的降阻机理主要体现在以下几方面:
  (1)由于降阻剂的扩散和渗透作用,降低接地体周围的土壤电阻率。关于扩散和渗透作用,一般化学降阻剂强于其他型式的降阻剂,膨润土类的降阻剂扩散和渗透作用较差,但降阻剂的稳定性和长效性与扩散和渗透作用是矛盾的。扩散和渗透好的降阻剂其稳定性和长效性都比较差,因为扩散和渗透性强的降阻剂容易随雨水的流失而流失。
  (2)接地体周围施加降阻剂后,相当于扩大了接地体的有效截面,这对固体降阻剂和膨润土类降阻剂最为明显,而化学降阻剂和树枝状的降阻剂随着时间的流失有效截面的增大则不太明显,会越来越小。
  (3)消除接触电阻,接地体的接地电阻可以分为两部分,一是接地体与周围的大地所呈现的电阻Rd;二是接地体与周圍土壤的接触电阻Rj, Rj的大小与接地极周围的土壤有关,一般土质越密实,接触电阻越小,土壤越松散,接触电阻越大;接触电阻还与电极表面状况有关,接地极表面越光滑,接触电阻越小,接地极表面越粗糙,接触电阻越大。接地极生锈后,接触电阻会逐渐增大。接地体施加降阻剂后,会减少或消除接触电阻,但只有某些物理降阻剂和膨润土类降阻剂才具有这方面的功能,而化学降阻剂和流质降阻剂则不具有这方面的功能,有些降阻剂由于腐蚀还会使接触电阻变大。
  (4)降阻剂的吸水性和保水性改善并保持土壤导电性能,土壤的导电性能除了与土壤所含金属导电离子的浓度有关外,还与土壤的含水量有关。某些降阻剂具有较强的吸水性和保水性,如膨润土类降阻剂,具有较强的吸水性,吸水后体积膨胀并能长期保持水分成为浆糊状,使接地电阻一直保持稳定不受气候的影响。
  但是降阻剂在实际的工程应用中确实也存在一系列的问题,比如降阻剂的腐蚀性问题,降阻效果问题,降阻稳定性问题,以及对地下水资源的污染问题。这主要是前一个时期降阻剂市场混乱,缺乏监督,一些厂家片面追求短期的降阻效果而忽略了降阻稳定性,长效性和对钢接地体的腐蚀,有的还对环境构成了污染,降阻效果也随着时间的推移迅速下降,接地电阻反弹,接地体受到严重的腐蚀,形成了很大的负面影响,造成一些用户对降阻剂产生了抵触情绪,有些单位甚至下文规定不准使用降阻剂。
  在使用降阻剂时,必须满足下列条件:
  (1)降阻剂的电阻率。要想获得理想的降阻效果,首先降阻剂本身的电阻率ρ值要小。在选择降阻剂时首先要考虑的就是降阻剂自身的标称电阻率,一般情况下,降阻剂自身的标称电阻率越小越好。
  (2)降阻剂对钢接地体的腐蚀率。降阻剂对钢接地体的腐蚀率要低,一些降阻剂对钢接地体有腐蚀作用,但也有一些降阻剂对钢接地体有防腐保护作用。降阻剂是否具有防腐作用,一般要看其对钢接地体的平均年腐蚀率是否低于当地土壤对钢接地体的腐蚀率。如果降阻剂对钢接地体的腐蚀率低于当地土壤对钢接地体的腐蚀率就认为降阻剂对钢接地体具有防腐作用;否则就认为具有腐蚀作用。
  (3)降阻剂的稳定性和长效性。我们希望接地装置的接地电阻一直稳定在某个值以下,不希望其经常变化,而某些降阻剂的降阻效果会随土壤干湿度的变化而变化,特别是一些无机降阻剂,离子类降阻剂,一旦缺水就会析出颗粒状的晶体,失去导电特性,还有一些靠非电解质导电粉末的降阻剂,或固体降阻剂,导电水泥等,其降阻效果受土壤干湿度的影响也较大。另外,有些降阻剂虽然具有较强的渗透性、护散性,在短期内降阻效果好,但容易随水分而流失,随着时间的推移逐渐失去其降阻效果,甚至失效,使接地电阻回升,这是我们特别应该注意的。
  (4)对环境有无污染,选择降阻剂时一定要选无污染,无毒性,使用安全的降阻剂,对降阻剂要看其组分,要查有无环保部门的检测报告。
  一般来说,小面积地网如35Kv以下变电所接地、输电线路杆塔接地、避雷针接地、微波通信站接地等采用降阻剂降阻的工程实例较多,而变电站(所)采用的相对较少,一般降阻剂的性能难以达到理想化程度。对降阻剂的使用褒贬不一,仁者见仁,智者见智,但比较一致的意见是由于相互屏蔽作用,降阻剂对大中型接地网的降阻效果很小,建议大中型接地网不宜使用降阻剂来作为主要的降阻措施。这一点在《水利发电厂接地设计技术导则》有明确说明。P79页原文如下:人工降阻(P16页指出人工降阻包括使用降阻剂和低电阻材料置换)成本高,仅对单个或集中接地体的工频接地电阻具有显著效果,对小地网也有一定效果,对大、中型地网没有任何作用。   四、深井接地的种类
  在电力系统中,输电线路和电气设备需要可靠接地。为降低接地电阻值,往往要采取深井接地方式。深井接地方式分为以下三种:
  (1)常规的深井接地。采用一种简单的长垂直接地极,可说成是短垂直接地极在长度上的延伸。常规深井接地极主要利用下列措施来降低接地电阻:增加接地极的长度L;利用电阻率较低的深层土壤,降低土壤的平均视在电阻率ρ。该方法在地层电阻率纵向上表现为上高下低,在电测深曲线类型为K或D时常为首选降阻措施。
  (2)深井爆破接地。爆破接地技术是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术,通过爆破制裂,再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中,从而起到改善很大范围的土壤导电性能的目的。其基本原理是采用钻孔机在地层中垂直钻一定直径、深度的孔,在钻孔中插入接地电极,用清水把孔灌满,然后沿孔的
  整个深度,隔一定的距离,放置定量的炸药,实施爆破,将岩石爆裂、爆松,然后将调成浆状的低电阻材料,用压力机压入深孔中和爆破制裂产生的缝隙中,通过低电阻率材料将地下大范围的岩石内部构通,加强接地极与岩土的接触,从而达到较大幅度降低接地电阻的目的。
  (3)深水井接地 。深水井接地是利用自身的结构形成汇集地下水的空间和地下水流动通道,从而改变接地极周围土壤的地下水分布,人为增加接地极周围土壤湿度,降低这部分土壤的电阻率。深水井接地的降阻作用主要在于充分利用土壤中的地下水,在深水井接地极周围形成一个由远到近、土壤的湿度逐渐增大、土壤电阻率逐渐降低的区域(降低幅度取决于土壤和地下水的条件);地下水使接地极导体与周围土壤之間的空隙可以得到很好填充,从而降低接地极与土壤的接触电阻。
  常规深井接地对土壤的类型、地下水含量没有特殊要求。它适用于土壤均匀的地区,或上层土壤厚度小、下层土壤电阻率很低的土壤结构分层的地区,不适用于上层土壤厚度小于接地极长度、下层土壤电阻率较高的地区。
  深井爆破接地适用于裂隙较多、土壤干燥或岩石地区,如固结坚硬的沉积岩、岩浆岩、变质岩地区,硬度稍差的各种砂岩、片岩地区,特别是在地下水奇缺、土壤电阻率极高的岩石地区使用有无可比拟的优点。
  深水井接地适用于有一定地下水含量、透水能力强、空隙度大的土壤,更适用于土壤分层结构、在各层土壤中有一层是明显的含水层或隔水层的地区。
  常规深井接地适用于中、低电阻率土壤,深井爆破接地适用于高电阻率土壤,深水井接地适用于中、高电阻率土壤,三种深井接地方式有很强的互补性。
  五、结束语
  对于一个接地工程往往需要多种降阻措施进行降阻,表现形式为以某种方法为主,某种方法为辅。如采用外延接地加降阻剂法;深井接地加降阻剂法;或置换、引外。但使用某种方法时,必须具备该方法实施的一系列前提条件。笔者认为到目前为止,常规深井接地对土壤的类型、地下水含量没有特殊要求,它适用于土壤均匀的地区,或上层土壤厚度小、下层土壤电阻率很低的土壤结构分层的地区,采用深井接地技术,通过增加接地极的长度,充分利用电阻率较低的深层土壤,降低土壤的平均视在电阻率来改善整个地网的接地是行之有效的一种手段。
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