土壤电阻率

国网冀北电力有限公司经济技术研究院、江苏省电力设计院的研究人员周洁、李海滨等，在2018年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，位于高土壤电阻率地区的变电站接地网接地电阻较高，且变电站征地困难和费用较高等常规降阻方案难以达到预期效果。

本文针对此提出了3种适用的降阻措施。双层地网系统，适用于底层土壤电阻率较低的情况；离子接地极深井系统，适用于土壤电阻率高的情况；斜长接地系统，适用于土壤电阻率不是很高且底层土壤电阻率不降低的情况。本文对这3种降阻措施分别进行了详细研究，具有实际参考意义。随着城市用地的紧张，变电站布置越来越紧凑，占地面积越来越小，但同时随着智能变电站的推行生产运维部门对接地系统的要求越来越高，接地网的设计难度较大[1-3]。特别是在高土壤电阻率地区，接地电阻一般很难达到要求。因此，需要采取各种措施以降低接地电阻。现在电网工程征地成本高昂，在不增加征地的条件下，本文提出了适用于不同类型高土壤电阻率地区的降阻措施，并对各种措施进行了详细分析研究，使得变电站接地电阻能达到设计要求值。

本文以将接地电阻降低到0.5以下为目标，研究各降阻措施所需的条件及采取的措施，实际工程中当接地电阻无法满足要求或为达到目标降阻费用过大时，目标接地电阻可根据相关规程和实际条件适当地放宽要求，但是应做好相关措施，保证人身安全和设备的可靠运行。

1 接地网降阻的基本原理

根据我国相关接地标准中接地网接地电阻值的计算方法如下[4]。

接地网简化计算法为

（1）

式中，为土壤电阻率；S为接地网系统的总面积；L为水平接地体的总长。

由式（1）可知，接地电阻大小主要与接地网面积S、接地极总长度L、土壤电阻率密切相关，降阻措施应从增大接地网面积、增加接地极总长度、减小土壤电阻率大小这3个方面入手。

加密水平接地网能够增加接地极长度为L，降低接地电阻，但是当L增加到一定大小继续增加对接地电阻的影响较小，且其经济性较差；外引接地是在水平方向增大接地网面积，双层接地网和接地井实在垂直方向增加接地网面积，斜长接地极相当于增大了接地网的面积且不需征地；换土、添加降阻剂、离子接地极是人为的减小土壤电阻率[5-6]。

在各种降阻措施中，外引扩网和水平接地体外延需额外征地，水平接地网均压带加密对于高土壤电阻地区降阻效果微乎其微，因而本文重点讨论双层地网系统、离子接地极接地深井系统和斜长接地极系统这3种降阻措施。

2 双层接地网系统论

1）双层地网降阻原理

双层接地网是利用下层低土壤电阻率区域以达到降低接地电阻目的的，可以考虑将接地网部分埋于深层土壤，部分埋于表层土壤，该方案能有效降低接地电阻，相关研究表明下层接地网格大小不同，对接地电阻影响不大，因此从经济角度考虑可采用下层接地网为单一外框的形式[8-9]。双层地网主要靠底层低土壤电阻率区域实现降阻，因而本文着重研究底层土壤电阻率相对降阻效果的影响。

2）算例分析

假设某变电站接地网面积为114m×87m，导体间距为10m，接地导体为60×8热镀锌扁钢，最大入地电流为15kA；该站址所处地区为双层土壤，表层土壤电阻率为400·m，分层厚度为2m。底层土壤电阻率值选取见表1。

表1 底层土壤电阻率不同对降阻效果的影响

上层接地网埋深0.8m，网格大小10m×10m，下层接地网埋深2.5m，且为减小施难度只保留水平接地网外框。该方案只需在变电所周围一圈挖深2.5m，所内只需挖深0.8m。敷设示意图如图1所示。

图1 双层接地网敷设示意图

经CDEGS计算得到分别辐射单层地网和双层地网的接地电阻结果如下。通过计算结果可以看到，当底层土壤电阻率为95时，采用双层接地网方式可以将土壤电阻率降低到0.5以下；通过对比接地电阻降低百分比可以看到，底层土壤电阻率越小，双层接地网降阻效果越明显。

3 离子接地极接地深井系统

当土壤电阻率很高时，此时采用双层接地网或斜长接地极方案获得降阻效果一般时，考虑到征地费用、民事赔偿等问题，可以适当利用深井接地系统、离子接地装置和一些辅助降阻材料联合降阻。

1）离子接地极降阻原理

离子接地极降阻技术是将电解离子化合物装入铜管中制成电解地极，铜管上设有大量呼吸孔，电解离子化合物通过呼吸孔与周围土壤中的水分发生潮解反应，释放电解离子，降低周围土壤电阻率[11]。

离子接地极降阻法具有占地面积小、安装过程规范性，施工简单的优点，而且对周围的土壤环境要求较低，应用面较广。

离子接地极结合深井系统，同时向井内灌注低电阻率材料，改善接地体与土壤或岩石裂缝中的沉积物，通过树枝反应，改变电流流过路径，增加接地体占有的面积，有效降低接地电阻。离子接地极的降阻效果示意图如图2所示。

2）算例分析

以某变电站为例，该变电站水平地网面积为3813m2，土壤电阻率取值430·m，水平地网的接地电阻R计算如下：

图2 离子接地极降阻效果图

（2）

式中，R1为水平地网的接地电阻；为变电站的土壤电阻率；S为地网面积。

在主地网外围均匀布置6口50m的深井，每口深井内布置6m长的离子接地极1套，用95mm2铜绞线引出井外与主地网相连，并向井内灌注低电阻率的离子缓释填料以辅助降阻，每米用量25kg，合计约7.5t。

单口深井接地系统的接地电阻为

（3）

式中，R2为单口深井接地系统的接地电阻；为变电站的土壤电阻率；l1为单口深井接地极的长度；d为深井接地体的等效直径；W为离子缓释填料利用系数。则多组深井接地系统与水平地网并联后的综合电阻为

（4）

式中，R3为水平地网与深井接地系统并联后的综合接地电阻；R1为水平地网的接地电阻；R2为单组深井接地系统的接地电阻；n1为深井数量；为深井与水平地网之间的屏蔽系数。接地电阻仍不能满足要求。

在主地网外围布置20口6m深的浅井，配置6m长的离子接地极1套，浅井内每组配合使用80kg离子缓释填料以辅助降阻。

20套离子接地极的接地电阻为

（5）

式中，R4为20套离子接地极的接地电阻；为离子接地极降阻系数；为土壤电阻率；l2为单套离子接地极的长度；n2为离子接地极的数量；为离子接地极之间的屏蔽系数。

20套离子接地极与水平综合地网、深井接地系统并联后的综合电阻为

（6）

式中，R5为水平地网、深井接地系统、离子接地极并联后的总接地电阻；R4为20套离子接地极的接地电阻；R3为水平地网与深井接地系统并联后的综合接地电阻。

4 斜长接地极系统

1）斜接地极降阻原理

斜接地极降阻原理与垂直接地极相似，但由于其与地面垂直方向存在一定的角度，能够在不额外征地的情况下增加接地网面积，从而降低接地电阻。

实际工程中可根据地下土壤分层情况、地下设施的布置情况调整斜井接地极与地面的夹角，达到预期的降阻效果[5-13]。本文针对均匀土壤模型，主要从斜接地极长度方面研究接地极的降阻效果。斜长接地极方案如图3所示。

图3 斜长接地方案示意图

2）算例分析

假设土壤模型为均匀土壤，土壤电阻率为150·m。该变电所水平接地网面积为114m×87m，导体间距为10m，接地导体采用60×8热镀锌管扁钢，最大入地电流为15kA。在0.8m深处埋设网格为10m的上层水平接地网，在接地网基础上，增加斜长接地极，沿主接地网边缘设置8根斜长接地极，与水平面夹角为20°，长度分别见表2。

通过计算结果可以看到，采用斜长接地极可以获得一定的降阻效果，斜长接地极越长，降阻效果越好。以本节模型为例，接地电阻想要降低到0.5以下，需采用60m长的斜长接地极。斜长接地极方案在不增加征地面积的情况下，通过线性延伸地网扩大地网面积，从而获得了不错的降阻效果。

表2 斜接地极长度对降阻效果的影响

5 结论

本文针对高土壤电阻率地区的变电站，提出了双层接地网、离子接地极接地深井系统和斜长接地极系统3种降阻方案。

1）双层地网系统适用于底层存在低阻层的区域，底层土壤电阻率越低其降阻效果越好。

2）离子接地极深井系统适用于土壤电阻率很高的地区，通过离子接地极和深井的结合，获得较好的降阻效果。

3）在土壤电阻较高且底层土壤电阻率不降低的情况下，可以采用斜长接地极系统以降低接地电阻。

在实际工程接地设计中要综合考虑站址地形地貌、土壤分层情况、地下水分布情况等，并经过经济技术比较选择合适的降阻方案。当单一降阻方案无法达到预期效果时，可以采取几种降阻的组合方案。

（1）在电力设备附近有电阻率较低的土壤，可敷设外引接地体。经过公路的外引线，埋设深度不应小于0.8m.

（2）如地下较深处土壤电阻率较低，可采用井式或深钻式接地体。

（3）填充电阻率较低物质，换土或用降阻剂处理。但采用的降阻剂，应对地下水和土壤无污染，以符合环保要求。

（4）敷设水下接地网。