季节性冻土地区变电站接地问题的探讨

季节性冻土地区变电站接地问题的探讨

申国梁

（内蒙古鲁电蒙源电力工程有限公司内蒙古呼和浩特010000）

摘要：季节因素引起的土壤结构的改变必然影响地网的安全性能，对于均匀土壤和双层土壤模型采用数值分析技术讨论了考虑季节影响后接地系统的设计方法。接地系统的优化设计应在充分调查当地冻土层厚度的基础上分析比较不考虑冻土层时在存在冻土层季节时的安全性和考虑冻土层时在无冻土层季节的安全性能，从而综合得到优化设计的方法。

关键词：深埋水平接地网双层接地网复合接地网季节性冻土优化设计

引言

对于地质结构已经固定的发变电站所处的土壤，季节因素明显影响其电阻率。影响土壤电阻率的两种最明显的因素是降雨和冰冻。降雨导致电阻率降低，而冰冻则导致电阻率升高，因此存在冻土层时，土壤分层结构模型将发生变化，正常季节时的均匀土壤在冬季将变成双层土壤模型；正常季节时的双层土壤模型，在冬季将变为双层或三层土壤模型，这视上层土壤厚度而定。因此，考虑季节因素影响后，涉及到按哪种模型设计接地系统更安全的问题。季节因素对接地系统安全性能的影响已经在文献中进行了详细的讨论[1-3]，而考虑季节因素时接地系统优化设计规律则未见报道。

1.双层土壤时水平接地网优化设计规律

1.1季节因素对接地网优化设计规律的影响

双层土壤模型接地系统的优化问题实际上就是3层土壤中接地系统的优化问题；另外，当表层比较薄且季节因素引起的高阻层比较厚时，则仍是一个两层土壤模型中接地系统的优化问题。

（1）上层土壤电阻率高且下层电阻率低：不管是上层土壤厚或薄，当冻土层厚度小于水平接地网的埋设深度时，最优压缩比随冻土层厚度的增加而较慢地增加。当冻土层厚度大于地网的埋设深度时，随着冻土层厚度的增加，即高阻的冻土层的作用加强，最优压缩比将增加很快。

（2）当上层土壤厚度为10m,冻土层的厚度在0～0.6m内时，以及当上层土壤厚度为0.8m,冻土层的厚度在0～0.8m内时,接地网在最优设计下对应的最高接触电位差都有略微的降低,然后缓慢增加。当冻土层厚度超过地网埋设深度时，最大接触电位差快速增加。当冻土层的厚度超过1.2m,增加的速度变慢。

2.接地网优化设计规则探讨

分析表明，对于上层土壤电阻率低的双层土壤模型中的接地系统，考虑冻土的接地网进行优化设计。如果地网在上层土壤中，则当冻土层厚度小于地网埋深，则应按无冻土层时的土壤分层进行优化设计；当冻土层厚度超过地网埋深时，则应按考虑最大冻土层厚度进行设计，使接地系统安全性能达到标准的要求；如果地网在下层土壤中，则都应当按变电站所处位置的最大冻土层厚度进行设计，使接地系统安全性能达到标准的要求。

3.季节性冻土地区接地方案的探讨

对于季节性冻土地区，当接地网埋于冻土层时，如果处理不当会导致接地网安全性能的大幅度下降。虽然冻土地区表层土壤电阻率会随季节发生很大变化，但是其深层土壤的电阻率基本不会发生变化，因此可以考虑将接地网埋于深层土壤中。具体的方案主要有三种类型:深埋水平接地网、双层接地网、水平接地网与垂直接地极相结合。

(1)深埋水平接地网:适用于冻土层不太厚的情况，可以将接地网埋于非冻土土壤中，以降低冻土层对其影响。

(2)双层接地网:如果变电所面积较大，采用埋深接地网的工作量将非常大，该情况下可以考虑将接地网部分埋于深层土壤，部分埋于表层土壤。该方案能有效降低最大跨步电位差，下层接地网网格大小不同，不影响地面最大跨步电位差，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。

(3)水平接地网与垂直接地极相结合:冻土层以下的土壤电阻率相对于冻土层较低，因此，可以考虑使用垂直接地极，将接地网引向深层土壤。垂直接地极具有分流、降低接地电阻及改善电位和接触电位差分布的效果，因此，使用该方法能降低冻土层对接地性能的影响。

4.接地方案结论对比分析

(1)深埋水平接地网

正常季节，全所相当一部分区域的接触电位差都大于规程的安全上限，因此还需在全所内铺设高电阻率碎石，并在入地引下线周围做均压环，可见该方案的接地性能较差;同时变电所面积较大，全所面积挖深2.4m深埋接地极的工作量非常大，且存在一定开挖难度。总之，该方案不可行。

(2)双层接地网

正常季节及冰冻季节，全所都有相当一部分区域的接触电位差均大于规程的安全上限，因此全所均需要铺设碎石，并在入地引下线周围做均压环处理，可见该方案的接地性能亦较差。

但该方案只需将水平接地网的外框埋深2.4m，因此其工作量较深埋水平接地网方案小。由于冻土层的土壤电阻率非常高，该方案的接地电阻值比深埋水平接地网方案大20.9%，最大跨步电位差大170.4%，最大接触电位差大144.1%，整体而言，该方案的接地性能较深埋水平接地网方案更差。

(3)水平接地网与垂直接地极相结合

正常季节，除去边缘网格位置的所内最大接触电位差均小于规程的安全上限，因此只需在边缘处进行处理(铺设高电阻率碎石或在入地引下线周围做均压环)。

相对深埋水平接地网及双层接地网，该方案的接地电阻、最大跨步电位差、最大接触电位差都有较大的降低，接地性能明显优于深埋水平接地网及双层接地网两个方案。

(4)垂直接地极方案优化

在确定采用水平接地网与垂直接地极相结合的基础上，改变垂直接地极的形式，得到两种优化方案:(1)10m与5m垂直接地极，保留接地网边缘的10m垂直接地极，将接地网中间的垂直接地极都换成5m长;(2)稀疏10m垂直接地极，保留接地网边缘的10m垂直接地极，将接地网中间的垂直接地极减少一半，由原来的12m间距变为24m间距。

上述两种优化方案各项指标相互差别不大，尽管在冰冻季节所内最大接触电位差仍有可能超过规程的安全限值，但超标范围很小，且只出现在接地网的边缘网格处，因此只需对边缘网格进行处理(铺设高电阻率碎石或在入地引下线周围做均压环)就能满足安全要求。因此，这两种优化方案是可行的，且成本优于优化前的密集10m垂直接地极方案。

5.结论

变电所地网的设计应结合实际情况进行,在具体工程设计中应重点考虑地网布置,敷设深度,腐蚀及热稳定校验等方面。对合格地网的概念应有全面的认识,接地电阻应按实际的流经地网入地的短路电流计算,降低接地电阻、降低接触电势和跨步电位差等都是合格地网要求的主要因素。因此,在保证变电所接地的安全条件下,应综合考虑各种因素,合理地设计接地装置以便于变电所的安全运行和施工,降低工程造价。

由于季节性冻土因素将改变土壤模型，影响接地系统的安全性能，导致地网的接地电阻、接触电位差和跨步电位差的改变，处理不当甚至危及人身安全。而在我国，对于季节性冻土地区电阻率的测量和研究工作开展的不多，缺乏广泛的资料，缺少季节性冻土地区土壤电阻率与温度之间关系的研究，给季节性冻土地区接地网的安全有效的布置带来一定困难。

参考文献

［1］刘平.变电所接地电阻计算及降阻措施［J］.企业科技与发展,2009,22:135-136．

［2］沈扬.变电所接地均压研究［D］.杭州:浙江大学,2008．

［3］单业才.长垂直接地极改善接地网电气性能的作用［J］.高电压技术,2000,26:51-53．