摘要：氣體絕緣變電站，即采用全封閉組合電器的變電站，簡稱為GIS。GIS變電站同常規變電站相比，所需場地面積僅為常規變電站占地面積的10%～25%，因此只采用常規變電站的接地方法是難以滿足接地要求的。本文對各種降低接地電阻方法進行了分析，并結合工程實踐，對長垂直接地極降阻法的設計要點及經驗進行了論述。
　　
　　關鍵詞：氣體絕緣變電站，接地網，接地電阻，長垂直接地極
　　0引言
　　氣體絕緣變電站（GasInsulatedSubstation），即采用全封閉組合電器的變電站，簡稱為GIS，具有占地面積小、可靠性高、檢修周期長等突出優點，在城市變電站中的應用普遍。氣體絕緣變電站與常規變電站一樣，需要承受同樣大小的接地故障電流，也要求具有與常規變電站同樣低的接地電阻。但一般的GIS所需場地面積僅為常規變電站占地面積的10%～25%。因此只采用常規變電站的接地方法是難以滿足接地要求的，GIS接地網必須進行降阻。
　　降低接地系統接地電阻不僅能降低接地系統最大接地電位升，而且能降低最大轉移電位。為了降低接地裝置的接地電阻，現主要采用的措施有：擴大接地網面積、引外接地、增加接地網的埋設深度、利用自然接地、局部換土、長垂直接地極及深井接地等。各種降阻方法都有其應用的特定條件，針對不同地區、不同條件采用不同的方法才能有效地降低接地電阻；另外各種方法也不是孤立的，在使用過程中必須相互配合，以獲得明顯的降阻效果。
　　由于GIS變電站一般坐落在城市地區，因此必須考慮到GIS變電站所處區域的特點，才能找到既有效又經濟的降阻方法。
　　1降低接地電阻的基本方法
　　1.1擴大變電站接地網的面積
　　變電站的接地電阻可以用下式計算：
　　（1）
　　式中L為接地極的總長度（包括水平與垂直的），m；A為接地網的面積，m2。
　　從式（1）可以看出，變電站接地網的接地電阻與接地網面積的平方根成反比，接地網面積越大，其接地電阻也就越低。無疑增大變電站接地網的面積是降低其接地電阻的一種行之有效的方法。
　　擴大變電站接地網面積來降低接地電阻的方法只能因地而異。對于一些建在山區的變電站無法擴大其接地網面積，另外對于一些建在市區內的變電站，采用擴大變電站接地網面積的方法不但技術經濟上不合算，同時也難于找到合適的場地來擴大接地網面積。
　　1.2引外接地
　　引外接地是指將變電站主接地網與主接地網區域以外某一低土壤電阻率區域敷設的輔助接地網相連的方法，以達到降低整個接地系統接地電阻的目的。應當注意，在變電站和遠處接地設備之間存在顯著的電位差，特別是在雷電等高頻沖擊作用時電位差將更大。應確保主接地網與引外接地有多根接地導體連接。對于大多建在城區內的GIS變電站，由于變電站周圍人員、建筑密集，采用引外接地的方法會將危險的高電位引至公共場所，造成安全隱患，因此該方法一般不會采用。
　　1.3增加接地網的埋設深度
　　埋設深度指水平接地網埋設處到地面的距離。在接地網其他參數不變的情況下增加接地網的埋深會使接地電阻減小，但其降阻效果不是很明顯，這在高土壤電阻率地區更是如此。因此工程中一般不采用這種方法。而變電站接地網的埋深一般在0.8m左右。
　　1.4利用自然接地
　　自然接地包括建筑物的鋼筋混凝土的鋼骨架等。對于這些自然接地，由于它們本身具有較低的接地電阻，因此在設計變電站接地網時應充分考慮利用這些自然接地極與主網相連，以達到降低接地網接地電阻的目的，特別是在水電站，利用自然接地極的降阻效果相當明顯，并且不需要增加多少投資。所以充分利用自然接地極來降低接地電阻，不僅在技術上容易實現，而且具有較好的技術經濟效益。
　　對于GIS變電站，一般均采用將建筑物內部鋼筋及基礎鋼筋與接地網相連接的方法來進一步降低接地電阻，但其降阻效果無法精確計算，故一般只用于提高接地安全裕度。
　　1.5局部換土
　　土壤電阻率的高低直接影響接地電阻的大小。對于某些位于高土壤電阻率地區的接地裝置，如果采用其他方法降阻困難，可以采用局部換土的方法。用土壤電阻率較低的土壤或接地降阻劑來更換接地裝置周圍的高電阻率土壤，以獲得較低的接地電阻。這種方法的使用必須從技術經濟上作全面的比較，避免造成經濟上的浪費。
　　對大多位于城市的GIS變電站來說，站內的土壤電阻率一般不會較大，且即使換土，由于變電站本身占地面積小，也很難取得較大效果。
　　1.6長垂直接地極及接地井
　　如果接地系統所處土壤存在下層低電阻率層，則可采用垂直接地極或接地井。接地井是指導體尺寸很大的一種長垂直接地極。
　　土壤的電阻率通常沿縱深和橫向分布都是不均勻的，就縱深來說，不同深度土壤的電阻率是不同的。一般接近地面幾米以內的電阻率相對要高些，并且不穩定，隨季節氣候的變化而變化，土壤越深越穩定。特別是在高土壤電阻率及不能用常規方法埋設接地裝置的地區，采用長垂直接地極或深井接地與主接地網相連是一種有效降低接地電阻的方法。在有地下含水層的地方，接地極可能深入穿透水層，這時降阻效果將更好。深井接地不受氣候、季節條件的影響；深井接地除了降阻以外，還可以克服場地窄小的缺點，這在城市和山區是一種行之有效的方法。接地井直徑在7.5cm以上，深度則取決于所采用的鉆孔設備。接地井由于增加接地極的直徑（接地棒加上回填低電阻率材料）而能明顯降低總體接地電阻。如果接地井與地下水層相連，則將降低接地電阻的季節變化，同時增加電極的通流，而不導致電極過熱或使接地井中的回填材料變干。深井接地必須配合使用低電阻率材料才能取得較低的接地電阻。回填材料可以采用高導電率的黏土（如膨潤土）和水組成的泥漿。由于回填材料能從周圍環境中吸收濕氣，接地井不需要任何維護也不會變干。另外，也可以采用深孔爆破制裂—壓力灌降阻劑法來形成一個巨大的低電阻率區域，以達到降阻的目的。
　　長垂直接地極及接地井的降阻方法對位于城市、占地面積較小的GIS變電站十分有利。降阻效果好，持續時間長，且對周邊環境無不良影響。
　　2采用長垂直接地極降低接地系統接地電阻
　　在高土壤電阻率地區，設計變電站接地裝置時，其接地電阻很難滿足要求，特別是面積比較小的氣體絕緣變電站（GIS），采用長垂直接地極來降低其接地電阻已被越來越多的工程設計人員所采用。如前所述，接地系統采用長垂直接地極能有效利用地下低電阻率層，維持接地電阻的穩定性。
　　2.1長垂直接地極降阻效果計算
　　以面積為120×120m2、土壤電阻率為1000Ω•m，入地故障電流為10kA，接地導體半徑為10mm，接地網埋深h為0.6m的水平接地網為例，進行計算。長垂直接地極布置在接地網外圍接地導體上，長垂直接地極的布置有5種方式，即長垂直接地極數N分別為4（布置在四角）、8根（四角4根，每邊1根）12根（四角4根，每邊2根）、16根（四角4根，每邊3根）、20根（四角4根，每邊4根），各長垂直接地極為等間距布置，長垂直接地極的長度L分別為10m、30m、50m、70m、90m、110m、130m和150m。接地網的等效半徑r為：
　　（2）
　　式中A為接地網面積。定義接地網采用長垂直接地極后接地系統的接地電阻下降率ξ為：
　　（3）
　　式中R為增設長垂直接地極后接地網的接地電阻；R0為無長垂直接地極時接地網的接地電阻。
　　定義N根長垂直接地極的利用系數η為
　　（4）
　　式中RP為N根長垂直接地極接地電阻的并聯值；RC為RP和R0的并聯值。
　　圖1和圖2所示分別為增加長垂直接地極后，接地系統的接地電阻的下降率ξ和長垂直接地極的利用系數η隨L/r和N的變化曲線。分析圖中曲線可以得到如下一些規律：
　　1) 下降率ξ隨垂直接地極的長度L與接地網等效半徑r的比值L/r的增加而增大。
　　2) 隨L/r的增加，垂直接地極的利用系數降低，當L/r＞1后，利用系數η趨于飽和。
　　3) L一定時，隨著垂直接地極根數N的增加（相當于垂直接地極的間距減小），利用系數η也相應減少。其原因是增加垂直接地極的間距后，相互之間的屏蔽作用加大。
　　4) L一定時，接地電阻下降率ξ隨垂直接地極根數的增加而增加，當N增大到一定值時（從圖1可以看出，對應的N值為8），下降率ξ的增加變慢，具有飽和趨勢。
　　在以往的接地設計中，垂直接地極的長度大多只有幾米到十幾米，而且遍布整個水平接地網布置。可實際降阻效果并不明顯，其根本原因是由于垂直接地極長度及布置方式選擇不當，所采用的垂直接地極的降阻作用大多被水平接地網所屏蔽。對于長垂直接地極，可遵循如下幾點設計原則：
　　1) 為了減小水平接地網對垂直接地極和垂直接地極之間的屏蔽效應，以提高垂直接地極的利用系數，垂直接地極宜沿接地網的外圍導體布置。如果條件允許的話，盡可能將垂直接地極向站外布置，讓垂直接地極間的距離大于或等于垂直接地極的長度。
　　2) 垂直接地極的根數及實際長度的選擇可根據水平接地網接地電阻的大小和實際的降阻要求以及地質結構來確定，其基本原則是在地中無低電阻率層時，垂直接地極的長度一般不得小于水平接地網的等效半徑，垂直接地極的根數一般應在4根以上。但應考慮到如下兩點：一是垂直接地極根數增加到一定值時降阻率趨于飽和；二是長垂直接地極的施工費用比較高。
　　3) 在高土壤電阻率地區，為了保證明顯的降阻效果，埋設垂直接地極的深井中宜灌注低電阻率降阻材料，考慮到深井的深度，最好采用壓力機灌注漿狀低電阻率材料。如果變電站處于巖石較多的地區，可采用下面介紹的爆破接地技術，將深井周圍的巖石爆裂，使低電阻率材料滲透到裂縫中，進一步增加降阻效果。
　　4) 考慮到節省材料和灌注低電阻率材料的施工要求，垂直接地極可選擇直徑為50mm，壁厚3.5mm的鍍鋅鋼管，深井的孔徑一般在100~150mm之間。
　　在根據以上原則設計接地系統時，應注意如下幾個方面：
　　1) 采用深井接地應進行技術經濟比較。
　　2) 應全面調查站區及附近的土壤特性，確定土壤結構。如果存在低電阻率層，則適合采用深井接地，如果地中深處的電阻率比表層高，則采用深井接地就意義不大。
　　3) 變電站接地網面積減小，深井接地的實際降阻效果就越明顯，反之，面積越大，實際降阻效果就越差。因此深井接地適合于接地網面積比較小的變電站。對于面積比較大的變電站，如果接地電阻達不到要求，且降低接地電阻費用又較高，應以均衡地面電位分布和高電位引出及低電位引入的隔離為主。
　　
　　3長垂直接地極法在商丘宋城110kV變電站地網設計中的應用
　　宋城110kV變電站是作者所設計的一座位于河南商丘市市區內的氣體絕緣變電站（GIS）。該站為半戶內型設計，除主變外的所有電氣設備均置于綜合樓內，占地面積為73×31m2。該站水平地網的基本情況如下：
　　站區內水平接地網面積為72×30m2，由5長6短共11根長接地體構成；站內土壤為粉質粘土，其電阻率為54.6Ω•m；站內地面硬化后的地表電阻率為2500Ω•m；入地故障電流為6kA，接地導體半徑為20mm，接地網埋深h為0.8m，短路電流持續時間1s；接地網阻抗R=0.54Ω。
　　計算結果如下
　　U（t）=748V＞U（t）max=599V（5）
　　U（s）=264V＞U（s）max=212V。（6）
　　
　　式中U（t）為根據地網結構算出的地網的最大接觸電位差，單位V
　　U（t）max是為保證人身安全，地網允許的最大接觸電位差，單位V
　　U（s）為根據地網結構算出的地網的最大跨步電位差，單位V
　　U（s）max是為保證人身安全，地網允許的最大跨步電位差，單位V
　　由以上計算結果可知，接觸及跨步電位差均不能滿足安全要求，必須采用其他措施進行改進。從第二節的分析可知，對于該站采用長垂直接地極方法對接地網進行降阻是比較合適的。設計中采用每邊2根共8根等間距布置的25m深的長垂直接地極進行降阻。
　　接地網的等效半徑r為：
　　（7）
　　（8）
　　根據圖1經查詢可得采用長垂直接地極后接地系統的接地電阻下降率β=0.2。故新的接地網阻抗R1計算結果如下：
　　（9）
　　根據新的接地阻抗R1計算得跨步及接觸電壓結果如下：
　　U（t）1=598V＜U（t）max=599V（10）
　　U（s）1=211V＜U（s）max=212V。（11）
　　本站接地網可滿足安全運行的要求。
　　現110kV宋城變電站的地網施工已經完成，經實際測量，接地電阻為0.41Ω，與理論計算值相近。
　　4結語
　　從以上的理論分析及實際應用中可得出如下結論：
　　對于建設在城市中，占地面積較小的氣體絕緣變電站，僅采用常規的水平接地網是難以滿足接地要求的。而無論采用擴大接地網面積法、引外接地法、增加接地網的埋設深度法、利用自然接地法還是局部換土等方法都由于各方面客觀環境的限值，而無法采用或效果有限。
　　采用長垂直接地極法具有施工簡便，對站外環境影響小，降阻效果明顯，維持時間長，可精確計算降阻效果等突出的優點。對于城市中的氣體絕緣變電站，該方法可作為第一推薦方案。
　　參考文獻
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