土壤电阻率对变电站地网的影响

何盛全

广东威恒电力技术开发有限公司广东佛山528000

摘要：电站接地网的接地电阻在不同土壤电阻率地区有很大的不同，这篇文章主要是通过对土壤的结构和电阻率以及接地电阻的定义和影响因素进行分析，讨论高电阻率地区对变电站地网的影响，并相应的提出了降低接地电阻要注意的问题，及土壤电阻率和地网边长相结合对对接地电阻的影响。

关键字：高土壤电阻率；变电站；接地网；接地电阻

变电站接地电网相对于电力系统的可靠运行是十分重要的，因为这直接影响着我们变电站工作人员的人身安全，变电站接地网的其中一项重要的技术指标就是接地电阻，目前我们国家的变电站接地电阻的设计值往往和竣工后的测量中有较大的出入，其中一个主要的原因就是在设计计算的时候采用了均一的土壤电阻率，土壤电阻率对我们的接地阻抗有较大的影响，接地电阻又是用来衡量我们接地网的安全性、有效性和检测我们接地系统是否达标的重要参数，所以进一步研究土壤电阻率对电站地网的影响十分有必要。我们国家最近几年电网容量扩大迅速，并且随着我们国家土地政策改革和设备水平的提高，变电站越来越多的建立在高电阻率的地方。这要求我们搞清楚高土壤电阻率对变电站地网的影响。这对我们保障变电站的安全可靠有十分重要的意义。

一、土壤的结构和导电机理

作为一种特殊的物体结构形式的多孔介质,其是由构成物体外形的骨架、填充于孔隙内部的流体以及固体骨架内的空隙共同组成的。土壤就是一种特别典型的多孔介质，如图1，我们可以看见由矿物质以及腐殖质等固体物质共同构成的土壤骨架，其中就有许多大小不一的充满水和空气的孔隙。

所以，土壤的导电可以通过固体的骨架进行，也可以通过孔隙内的流体进行。土壤中的矿物质是这个骨架组织的主要组成部分，但是经过雨水的淋失作用，土壤的表层中一些易溶解的盐类成分大大减少，并且表层土壤暴露在空气之中，其中的金属已经被氧化为难溶的氧化物，如此一来，表层就是一种不良的导体。

图1

二、土壤电阻率的测量方法

1．等距Wenner四极法，原理如图

C是电流极、p是电压极、ES是辅助极，a是电极之间的距离。E和C之间流过的电流为I，测出P（s）和ES之间的电压V。

计算公式：ρ=2πaR

注意：为了计算方便要求a远大于埋设的深度h，一般来说a>20h

2.模拟法

模拟法又名三极法，如图

被测接地装置G，测量用的电压极P和电流极C就是其中的三极，

计算公式：

3.实际应用

等距Wenner四极法所需仪器设备少，操作简单，其准确性完全能满足一般工程的需要，是土壤电阻率测试中常用的方法之一。测试布极时，将四个测试接地极在一条直线上以相同的间距打入地下，接地极打入深度应不大于电极间距的5%。

下表是对某变电站站址土壤电阻率的测试结果。

等距Wenner四极法极间距a（m）视在电阻率ρ（Ω·m）0.5100.670.779.43141.14235.98537.08727.281028.912011.063010.18

根据以上数据，利用CDEGS软件仿真计算得到其土壤的分层结构见下表

层数等距Wenner四极法厚度（m）土壤电阻率（Ω·m）10.34150.8427.6635.443infinite7.91

由此可见，此变电站土壤的结构大致分成3层，其中表层的土壤电阻率是最大的，符合多孔介质模型。

三、土壤电阻率对接地阻抗的影响

利用CDEGS软件仿真计算，建立正方形的接地网，接地网导体之间的间隔是十米。分析地网边长一定时电阻率不同的情况以及土壤电阻率一定时地网边长变化的情况。取埋深为0.6米的地网，选取的导体半径是0.01米，相对磁导率是636，用50赫兹的频率。表一显示的是地网边长和电阻率变化时共同对接地阻抗的影响。

地网边长/m电阻率/Ω•m1020502005002000接地阻抗/Ω接地阻抗/Ω接地阻抗/Ω接地阻抗/Ω接地阻抗/Ω接地阻抗/Ω200.2580.5011.232.4464.87912.177500.1480.2540.5771.1182.25.451000.1380.1980.3680.6561.2352.9772000.1360.1790.2640.3920.6521.4465000.1390.1860.2590.3270.4250.705

我们从表一中可以看出，当地网边长小于200米并且土壤电阻率小于一百欧米的时候，接地阻抗大致是随着土壤电阻率的增加而增加的。但是当电阻率大于一百欧米的时候，其中接地阻抗的数值增加的很快，并且是随着土壤电阻率的增加而非线性的增加的。

另外在土壤电阻率一定的时候，如果电网的边长持续的增加，那么接地阻抗值就会不断的减小。从减小的幅度来看，接地阻抗值在地网边长小于200米的时候减小的幅度会比电网边长大于200米的时候大一些。并且进一步来看，土壤的电阻率越大那么其减小的幅度也就越大。这其中主要是因为由接地网拥有的有效面积大小不同所所导致的。

四、对于高电阻率的接地网改进方案

高土壤电阻率地区变电站接地系统接地的电阻总是很难达到规程的要求，接下来介绍相应的解决方案。

如果要在不改变现有变电站设计面积的情况下提供相应的改进方案，可以考虑加设垂直接地极的措施来降低接地的电阻，可以采用等值半径为0.025米，长度50米的镀锌圆钢。还要考虑减小水平地网对垂直接地极屏蔽，宜将垂直接地极布置在水平地网的外围地区，和外围接地的导体相互连接。除此以外，因为土壤电阻率表层比深层大了很多。改进的方案都采用均匀的间距地网。同时加大垂直接地极的半径可以更有效的降低接地系统接地的电阻。

在接地设计时，如果跨步电压和接触电压不满足安全值要求，应采取措施对地面进行绝缘处理，可以在地面上采用高阻瓷砖加强绝缘。可以看出，如果增设了垂直接地极，那么对于降低地面的最大的接触电压和跨步电压将会有较大的影响。其中的主要原因有二：首先是垂直接地极的加入降低了地电位升，其中跨步电压和接触电压均与地电位升有直接的关系。其次是由于增加了垂直接地极，大多数的故障电流通过地极流入大地，水平导体的的散流量相应的减少了。所以地面的水平方向的电流密度大大的减小，水平方向电场的强度也随之降低。若是在土壤不均匀的时候，尤其是下层土壤电阻率远小于上层土壤电阻率的时候这一趋势更加的明显。

除此之外，我们可以用扩大接地网的面积这一有效降低电阻的方法来处理电阻率过高的问题，我们还可以设置水下接地网的方法，比如变电场周围要是有池塘、水库、小溪等水源，我们就可以在水下或者岸边建立接地网，以达到降低接地电阻的目的。

结论：经过分析土壤电阻率和变电站地网之间的关系以及提出相应的解决方案我们可以得出以下结论：首先在增设我们的垂直接地极时，应该事先调查附近的土壤的特性，特别要注意的是土壤中电阻率的变化情况。如果有底土壤电阻率层我们应该增设垂直接地极，因为这样会有更好的降阻效果。其次在高土壤电阻率的地区，如果变电站的地网面积越小那么增设垂直接地级的实际降阻效果就更明显。最后在多土壤结构中，垂直接地体的降低接地电阻的效果会因为土壤结构的变化而表现不同。在上层电阻率较低但是下层较高的土壤结构中，应该相应的采用多极浅钻的方式，而对于相反的电阻率结构的土壤就应该采用少极深钻的方式，这样才能在高电阻率的土壤中获得最大的降阻效果。

参考文献：

[1]张建刚,魏绍东,常安,夏长征,祁玉龙,周文俊,喻剑辉.分层土壤中接地体冲击特性的仿真研究[J].武汉大学学报(工学版).2014(04)

[2]李谦,文习山,肖磊石.土壤特性对变电站接地网特性参数影响的数值分析[J].高电压技术.2013(11)

[3]张波,薛惠中,金祖山,余绍峰,吴锦鹏.遭受雷击时输电杆塔及其接地装置的暂态电位分布[J].高电压技术.2013(02)