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高土壤電阻率地區(qū)降阻措施研究

文檔作者：周潔1 李海濱1 聶文海1 陳斌2 文檔來源： 1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 2. 江蘇省電力設(shè)計院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年02月10日
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研究與開發(fā)
46 2018年第6期
高土壤電阻率地區(qū)降阻措施研究
周 潔1 李海濱1 聶文海1 陳 斌2
（1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100038；
2. 江蘇省電力設(shè)計院，南京 211102）
摘要 位于高土壤電阻率地區(qū)的變電站接地網(wǎng)接地電阻較高，且變電站征地困難和費用較高
等常規(guī)降阻方案難以達到預(yù)期效果。本文針對此提出了3 種適用的降阻措施。雙層地網(wǎng)系統(tǒng)，適
用于底層土壤電阻率較低的情況；離子接地極深井系統(tǒng)，適用于土壤電阻率高的情況；斜長接地
系統(tǒng)，適用于土壤電阻率不是很高且底層土壤電阻率不降低的情況。本文對這3 種降阻措施分別
進行了詳細(xì)研究，具有實際參考意義。
關(guān)鍵詞：降阻措施；雙層地網(wǎng)；離子接地極；斜長接地極
Research on decreasing soil resistivity in high soil resistivity regions
Zhou Jie1 Li Haibin1 Nie Wenhai1 Chen Bin2
(1. State Grid Jibei Electric Economic Research Institute, Beijing 100038;
2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102)
Abstract High soil resistance rate in the substation could result in high grounding resistivity.
Conventional method to solve this problem such as enlarging the grounding grid area is hard to
implement due to the high land acquisition cost. Hence, three methods to decrease the soil resistivity
without redundant land are proposed. Double-layer ground grid method is used when the deeper soil
obtains low soil resistivity; ion earthing electrode method is used for the region which has rather high
soil resistivity; inclined electrode methodis suitable for the area with uniformly distributed soil and
intermediate soil resistivity. These methods have been analyzed and proved to be effective in
engineering practice.
Keywords：decreasing soil resistivity; double-layer ground grid; ion earthing electrode; inclined
electrode
隨著城市用地的緊張，變電站布置越來越緊湊，
占地面積越來越小，但同時隨著智能變電站的推行
生產(chǎn)運維部門對接地系統(tǒng)的要求越來越高，接地網(wǎng)
的設(shè)計難度較大[1-3]。特別是在高土壤電阻率地區(qū)，
接地電阻一般很難達到要求。因此，需要采取各種
措施以降低接地電阻。
現(xiàn)在電網(wǎng)工程征地成本高昂，在不增加征地的
條件下，本文提出了適用于不同類型高土壤電阻率
地區(qū)的降阻措施，并對各種措施進行了詳細(xì)分析研
究，使得變電站接地電阻能達到設(shè)計要求值。本文
以將接地電阻降低到0.5Ω以下為目標(biāo)，研究各降阻
措施所需的條件及采取的措施，實際工程中當(dāng)接地
電阻無法滿足要求或為達到目標(biāo)降阻費用過大時，
目標(biāo)接地電阻可根據(jù)相關(guān)規(guī)程和實際條件適當(dāng)?shù)胤?
寬要求，但是應(yīng)做好相關(guān)措施，保證人身安全和設(shè)
備的可靠運行。
1 接地網(wǎng)降阻的基本原理
根據(jù)我國相關(guān)接地標(biāo)準(zhǔn)中接地網(wǎng)接地電阻值的
計算方法如下[4]。
接地網(wǎng)簡化計算法為
0.5 π
n n 4 R R
S S L
ρ ρ ρ
≈ 或 ≈ × + （1）
式中，ρ 為土壤電阻率；S 為接地網(wǎng)系統(tǒng)的總面積；
L 為水平接地體的總長。
由式（1）可知，接地電阻大小主要與接地網(wǎng)面
研究與開發(fā)
2018 年第6 期 47
積S、接地極總長度L、土壤電阻率ρ 密切相關(guān)，降
阻措施應(yīng)從增大接地網(wǎng)面積、增加接地極總長度、
減小土壤電阻率大小這3 個方面入手。
加密水平接地網(wǎng)能夠增加接地極長度為L，降
低接地電阻，但是當(dāng)L 增加到一定大小繼續(xù)增加對
接地電阻的影響較小，且其經(jīng)濟性較差；外引接地
是在水平方向增大接地網(wǎng)面積，雙層接地網(wǎng)和接地
井實在垂直方向增加接地網(wǎng)面積，斜長接地極相當(dāng)
于增大了接地網(wǎng)的面積且不需征地；換土、添加降
阻劑、離子接地極是人為的減小土壤電阻率[5-6]。
在各種降阻措施中，外引擴網(wǎng)和水平接地體外
延需額外征地，水平接地網(wǎng)均壓帶加密對于高土壤
電阻地區(qū)降阻效果微乎其微，因而本文重點討論雙
層地網(wǎng)系統(tǒng)、離子接地極接地深井系統(tǒng)和斜長接地
極系統(tǒng)這3 種降阻措施。
2 雙層接地網(wǎng)系統(tǒng)論
1）雙層地網(wǎng)降阻原理
雙層接地網(wǎng)是利用下層低土壤電阻率區(qū)域以達
到降低接地電阻目的的，可以考慮將接地網(wǎng)部分埋
于深層土壤，部分埋于表層土壤，該方案能有效降
低接地電阻，相關(guān)研究表明下層接地網(wǎng)格大小不同，
對接地電阻影響不大，因此從經(jīng)濟角度考慮可采用
下層接地網(wǎng)為單一外框的形式[8-9]。雙層地網(wǎng)主要靠
底層低土壤電阻率區(qū)域?qū)崿F(xiàn)降阻，因而本文著重研
究底層土壤電阻率相對降阻效果的影響。
2）算例分析
假設(shè)某變電站接地網(wǎng)面積為114m×87m，導(dǎo)體
間距為10m，接地導(dǎo)體為60×8 熱鍍鋅扁鋼，最大入
地電流為15kA；該站址所處地區(qū)為雙層土壤，表層
土壤電阻率為400Ω·m，分層厚度為2m。底層土壤
電阻率值選取見表1。
表1 底層土壤電阻率不同對降阻效果的影響
底層土壤
電阻率/Ω·m
單層
接地網(wǎng)/Ω
雙層
接地網(wǎng)/Ω
接地電阻降低
百分比/%
80 0.578 0.428 25.9
85 0.599 0.451 24.7
90 0.621 0.474 23.6
95 0.643 0.496 22.8
100 0.663 0.518 21.8
105 0.684 0.541 20.9
上層接地網(wǎng)埋深0.8m，網(wǎng)格大小10m×10m，下
層接地網(wǎng)埋深2.5m，且為減小施難度只保留水平接
地網(wǎng)外框。該方案只需在變電所周圍一圈挖深
2.5m，所內(nèi)只需挖深0.8m。敷設(shè)示意圖如圖1 所示。
圖1 雙層接地網(wǎng)敷設(shè)示意圖
經(jīng)CDEGS 計算得到分別輻射單層地網(wǎng)和雙層
地網(wǎng)的接地電阻結(jié)果如下。
通過計算結(jié)果可以看到，當(dāng)?shù)讓油寥离娮杪蕿?
95Ω時，采用雙層接地網(wǎng)方式可以將土壤電阻率降
低到0.5Ω以下；通過對比接地電阻降低百分比可以
看到，底層土壤電阻率越小，雙層接地網(wǎng)降阻效果
越明顯。
3 離子接地極接地深井系統(tǒng)
當(dāng)土壤電阻率很高時，此時采用雙層接地網(wǎng)或
斜長接地極方案獲得降阻效果一般時，考慮到征地
費用、民事賠償?shù)葐栴}，可以適當(dāng)利用深井接地系
統(tǒng)、離子接地裝置和一些輔助降阻材料聯(lián)合降阻。
1）離子接地極降阻原理
離子接地極降阻技術(shù)是將電解離子化合物裝入
銅管中制成電解地極，銅管上設(shè)有大量呼吸孔，電
解離子化合物通過呼吸孔與周圍土壤中的水分發(fā)生
潮解反應(yīng)，釋放電解離子，降低周圍土壤電阻率[11]。
離子接地極降阻法具有占地面積小、安裝過程
規(guī)范性，施工簡單的優(yōu)點，而且對周圍的土壤環(huán)境
要求較低，應(yīng)用面較廣。
離子接地極結(jié)合深井系統(tǒng)，同時向井內(nèi)灌注低
電阻率材料，改善接地體與土壤或巖石裂縫中的沉
積物，通過樹枝反應(yīng)，改變電流流過路徑，增加接
地體占有的面積，有效降低接地電阻。離子接地極
的降阻效果示意圖如圖2 所示。
2）算例分析
以某變電站為例，該變電站水平地網(wǎng)面積為
3813m2，土壤電阻率取值430Ω·m，水平地網(wǎng)的接地
電阻R 計算如下：
研究與開發(fā)
48 2018年第6期
圖2 離子接地極降阻效果圖
1
R 0.5 3.48
S
ρ
= ≈ （2）
式中，R1 為水平地網(wǎng)的接地電阻；ρ 為變電站的土
壤電阻率；S 為地網(wǎng)面積。
在主地網(wǎng)外圍均勻布置6 口50m 的深井，每口
深井內(nèi)布置6m 長的離子接地極1 套，用95mm2 銅
絞線引出井外與主地網(wǎng)相連，并向井內(nèi)灌注低電阻
率的離子緩釋填料以輔助降阻，每米用量25kg，合
計約7.5t。
單口深井接地系統(tǒng)的接地電阻為
1
2
1
8 (1 ) 5.94 ln 1
2π
R l W
l d
ρ ? ? = ? ? ? ? ?
? ?
≈ Ω （3）
式中，R2 為單口深井接地系統(tǒng)的接地電阻；ρ 為變
電站的土壤電阻率；l1 為單口深井接地極的長度；d
為深井接地體的等效直徑；W 為離子緩釋填料利用
系數(shù)。則多組深井接地系統(tǒng)與水平地網(wǎng)并聯(lián)后的綜
合電阻為
2
1
1
3
2 1
1
1
1 1.19
R R
R n
R R
n
η
= ?
+
≈ Ω （4）
式中，R3 為水平地網(wǎng)與深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合
接地電阻；R1 為水平地網(wǎng)的接地電阻；R2 為單組深
井接地系統(tǒng)的接地電阻；n1 為深井?dāng)?shù)量； 1
η 為深井
與水平地網(wǎng)之間的屏蔽系數(shù)。
接地電阻仍不能滿足要求。
在主地網(wǎng)外圍布置20 口6m 深的淺井，配置6m
長的離子接地極1 套，淺井內(nèi)每組配合使用80kg 離
子緩釋填料以輔助降阻。
20 套離子接地極的接地電阻為
2
2
4
2 2
0.16 ln(200 )
0.75
l
R l
n
ερ
η
= ≈ Ω （5）
式中，R4 為20 套離子接地極的接地電阻；ε 為離子
接地極降阻系數(shù)；ρ 為土壤電阻率；l2 為單套離子接
地極的長度；n2為離子接地極的數(shù)量；η2 為離子接
地極之間的屏蔽系數(shù)。
20 套離子接地極與水平綜合地網(wǎng)、深井接地系
統(tǒng)并聯(lián)后的綜合電阻為
3 4
5
3 4
0.46
R R
R
R R
=
+
≈ Ω （6）
式中，R5 為水平地網(wǎng)、深井接地系統(tǒng)、離子接地極
并聯(lián)后的總接地電阻；R4 為20 套離子接地極的接地
電阻；R3 為水平地網(wǎng)與深井接地系統(tǒng)并聯(lián)后的綜合
接地電阻。
4 斜長接地極系統(tǒng)
1）斜接地極降阻原理
斜接地極降阻原理與垂直接地極相似，但由于
其與地面垂直方向存在一定的角度，能夠在不額外
征地的情況下增加接地網(wǎng)面積，從而降低接地電阻。
實際工程中可根據(jù)地下土壤分層情況、地下設(shè)
施的布置情況調(diào)整斜井接地極與地面的夾角，達到
預(yù)期的降阻效果[5-13]。本文針對均勻土壤模型，主
要從斜接地極長度方面研究接地極的降阻效果。斜
長接地極方案如圖3 所示。
圖3 斜長接地方案示意圖
2）算例分析
假設(shè)土壤模型為均勻土壤， 土壤電阻率為
150Ω·m。該變電所水平接地網(wǎng)面積為114m×87m，
導(dǎo)體間距為10m，接地導(dǎo)體采用60×8 熱鍍鋅管扁
鋼，最大入地電流為15kA。在0.8m 深處埋設(shè)網(wǎng)格
為10m 的上層水平接地網(wǎng)，在接地網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加
斜長接地極，沿主接地網(wǎng)邊緣設(shè)置8 根斜長接地極，
與水平面夾角為20°，長度分別見表2。
通過計算結(jié)果可以看到，采用斜長接地極可以
獲得一定的降阻效果，斜長接地極越長，降阻效果
越好。以本節(jié)模型為例，接地電阻想要降低到0.5Ω
以下，需采用60m 長的斜長接地極。斜長接地極方
案在不增加征地面積的情況下，通過線性延伸地網(wǎng)
研究與開發(fā)
2018 年第6 期 49
表2 斜接地極長度對降阻效果的影響
斜長接地極長度/m
單層
接地網(wǎng) 30 40 50 60
接地電阻/Ω 0.691 0.569 0.541 0.512 0.483
接地電阻降低
百分比/%
0 17.6 21.7 25.9 30.1
擴大地網(wǎng)面積，從而獲得了不錯的降阻效果。
5 結(jié)論
本文針對高土壤電阻率地區(qū)的變電站，提出了
雙層接地網(wǎng)、離子接地極接地深井系統(tǒng)和斜長接地
極系統(tǒng)3 種降阻方案。
1）雙層地網(wǎng)系統(tǒng)適用于底層存在低阻層的區(qū)
域，底層土壤電阻率越低其降阻效果越好。
2）離子接地極深井系統(tǒng)適用于土壤電阻率很高
的地區(qū)，通過離子接地極和深井的結(jié)合，獲得較好
的降阻效果。
3）在土壤電阻較高且底層土壤電阻率不降低的
情況下，可以采用斜長接地極系統(tǒng)以降低接地電阻。
在實際工程接地設(shè)計中要綜合考慮站址地形地
貌、土壤分層情況、地下水分布情況等，并經(jīng)過經(jīng)
濟技術(shù)比較選擇合適的降阻方案。當(dāng)單一降阻方案
無法達到預(yù)期效果時，可以采取幾種降阻的組合方案。
參考文獻
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廣州: 華南理工大學(xué), 2016.
收稿日期：2017-12-06
作者簡介
周 潔（1989-），女，北京人，碩士，工程師，從事電網(wǎng)項目咨詢
工作。
（上接第41 頁）
[8] 侯利民, 郭鳳儀, 宋紹樓, 等. 無速度傳感器的
PMSM 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)
報, 2008, 29(5): 526-529.
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MRAS 系統(tǒng)仿真研究[J]. 電氣技術(shù), 2012, 13(9): 19-
23.
收稿日期：2017-11-27
作者簡介
秦峻龍（1993-），男，四川成都人，本科，主要從事電機及其控制
工作。

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