离子接地技术的分析和应用

陈建丰杨雁

陈建丰杨雁春（大同供电设计院山西大同037008）

关键词：接地电阻;离子接地体;电位

1、引言土壤电阻率高的直接原因是由于土壤内缺乏电子和自由离子造成的。传统的扁钢设计接地网在高土壤电阻率地区很难满足接地电阻要求，从而造成地电位升高的问题。

大同灵丘武灵变电站位于大同市灵丘县中部地区，站区土壤地质条件较差，表层只有1米为耕植土，下层为岩石层，再往下深层为基岩结构。全站设计接地网总面积为4241m2。土壤电阻率按照分层土壤计算，站内2/3为较好的粉质粘土，1/3为岩石结构，接地电阻远远不能满足要求，考虑采用新型的离子接地体来进行降阻。

2、离子接地系统的原理及组成2.1离子接地系统的组成离子接地系统由先进的由缓释接地极（内含可逆性缓释填充剂）、引发剂和增效电解离子填充剂组成。电极外表是紫铜合金或不锈钢材质，以确保最高导电性能及较长使用寿命，并配以内外两大种类填充剂。填充剂为无毒化合物，对环境无污染。接地导体外部的填充剂是以具有强吸水力，强吸附力和阳离子交换性能高的材料为主体，配以长效、降阻、防腐功能强、膨胀系数高不受温度变化影响、耐高电压冲击的多种化学材料为辅料，主要用于解决接地导体周围的湿度、离子生成含量、防腐保护等问题，使导体与大地紧密结合，从而降低了电极与土壤的接触电阻，改善了周边土壤的电阻率，有效地增强了雷电导通释放能力。导体内部填充材料含有特制的电离子化合物，能充分吸收空气中的水分。通过潮解作用，将活性电离子有效释放到土壤中，与土壤及空气中的水分作用，更加促进导体外部缓释降阻，且保持阻值长期稳定。导体内部的化合物，随时间的延长逐步化合成胶质透明状态。利用胶质化合物的导电性能，使整个系统能够长期处于离子交换的状态中，从而构成了理想的电解离子接地系统。工程附加费用小，使用寿命长，导体内的缓释填充剂埋设后，接地电阻会逐渐下降，半年至一年内达到稳定值，埋设缓释过程可以长达30年。产品完全符合UL、NEC、ANS、IEC、BS等国际标准对接地设备保护的要求。

2.2缓释（离子）接地极的工作原理土壤中活性离子的含量是影响接地电阻的因素之一，许多土壤中含有活性电解离子的化合物较为稀少，单纯的接地体不会达到接地要求。经过实验比较，在接地极中加入可逆性缓释填充剂。这种填充剂具有吸水、放水、可逆的特点。这种可逆的反应，有效的保证了壳层内环境的有效温度，保证了接地电阻的稳定。该填充剂无毒副作用，在与金属电极长期配合作用中，在离子生成及对铜合金防止腐蚀两方面都达到了较好的效果。通过这种方式产生的离子吸收大地水分后，可以通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围的土壤中，使接地极成为一个离子发生装置，从而改善周边土质使之达到接地要求。

3、离子接地系统在变电站的应用大同灵丘武灵变电站是大同2013年完工的一座110千伏变电站，站址位于灵丘县东驼水村北月0.5Km处，场地地形南高北低，高程约为995米。本站主变容量2X50MVA，变比为110/35/10千伏，110千伏采用户外普通中型布置，进出线4回，本期2回；35KV采用户外半高型布置，出线6回，本期3回；10千伏采用户内开关柜双列布置，出线20回，本期3回。

3.1地勘结果本次勘察钻孔最大深度8.0m。岩性和物理力学性质自上而下分为3层，分述如下：①耕植土（Q4ml）：褐黄色，中密，稍湿，主要由粉土组成，含碎石及植物根系。

②碎石（Q3al+pl）：褐黄色，密实，稍湿，局部相变为角砾，夹粉土薄层。碎石含量70%，粒径2-8cm，偶见漂石。

③全风化片麻岩（Ar）：灰褐色，结构构造基本破坏，但尚可辨认，有残余结构构造，干钻钻进困难。

2.传统方案的接地电阻计算根据系统专业计算结果，武灵110千伏变电站单相短路电流约为6KA，流经接地装置的入地电流为3KA，所以工频接地电阻允许值为：R≤2000/I根据设计手册，若I>4000A，则取R=0.5Ω。本站入地电流I=3KA，工频接地电阻允许值R取0.66即可。

如果在高电阻率地区，当不能满足R≤0.5Ω时，可根据现场情况适当放宽，但不得大于5Ω。

站内总占地面积为4241m2，土壤电阻率综合取值按照分层土壤计算，变电站按照土壤水平方向分布的平均综合电阻为800Ω·m。

水平地网的接地电阻R计算如下：

由以上计算可以看出，在现有土壤条件下，变电站主接地网铺设后的接地电阻远大于要求的0.67Ω。如果要将接地电阻降到0.67欧姆以下，按照公式，接地网的面积必须扩大84倍，这显然是不可能的。

3.2接地设计及降阻方案3.2.1主地网设计方案大同灵丘武灵站接地网采用扁钢接地网，水平敷设-60X8镀锌扁钢，垂直接地极敷设<50X50X5角钢，站内架构、基础、设备壳体及电缆沟支架用-60X6扁钢与主地网做可靠连接，主控室电缆沟敷设专门铜地网。

3.2.2降阻方案3.2.3换土措施首先采取换土措施，场地开挖后，将站区内基础以上部分土质全部更换为粘性土，换土深度大约为2.5米。通过改变上层土壤性质，整个变电站基础以上部分位于土壤电阻率较低的粘土，2.5米以下仍为碎石和全风化片麻岩，其土质土壤电阻率大约为5000Ω·m，全站土壤电阻率综合取值为800Ω·m左右，经过理论计算，接地电阻R=6.14Ω，还达不到要求的0.67Ω。

3.2.4布置离子接地系统主地网外围布置20套离子接地系统，离子接地极敷设离子缓释剂，起到吸水保湿的作用，以使接地体与土壤或岩石裂缝中的沉积物良好接触，获得“树枝效应”，改善入地电流所经过的路径，扩大接地体占有的面积，这样更有利于降低接地电阻值。

理论计算结果，在土壤电阻率计算值为1.68Ω的情况下，全站跨步电压和接触电势满足要求。

3.3.5施工结果实测施工结束后实测，土壤电阻率为0.4Ω，比理论计算值要很很多。

分析原因，可能有两个主要因素，一个是经过全站换土后的土壤综合电阻率比预测值800Ω要低，另一个原因是离子接地体的效果比理论计算要好。这两个因素决定了最终站区达到了0.4Ω的实际效果，最终接地设计及施工是成功的。

参考文献：【1】DLT621-1997交流电气装置的接地【2】GB50169-2006电气装置安装工程接地装置施工及验收规范作者简介陈建丰，男，本科，电力系统及其自动化专业，高级工程师，主要从事电气一次设计，现在大同供电设计院工作杨雁春，女，本科，电力系统及其自动化专业，工程师，主要从事电气一次设计，现在大同供电设计院工作