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變電站接地施工方案
一、變電站接地概述
接地網(wǎng)作為變電所交直流設(shè)備接地及防雷保護(hù)接地，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。由于接地網(wǎng)作為隱性工程容易被人忽視，往往只注意最后的接地電阻的測量結(jié)果。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的升高及容量的增加，接地不良引起的事故擴(kuò)大問題屢有發(fā)生。因此，接地問題越來越受到重視。變電所地網(wǎng)因其在安全中的重要地位，一次性建設(shè)、維護(hù)困難等特點(diǎn)在工程建設(shè)中受到重視。另外，在設(shè)計及施工時也不易控制，這也是工程建設(shè)中的難點(diǎn)之一。因此，為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，降低接地工程造價，應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)、合理的接地網(wǎng)設(shè)計思路。
二、接地電阻降阻方法
為了達(dá)到降低接地網(wǎng)接地電阻之目的，首先需要從理論上研究降低接地電阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地電阻有以下兩種途徑，一是增大接地體幾何尺寸，以增大接地體的電容C；二是改善地質(zhì)電學(xué)性質(zhì)，減小地的電阻率ρ和介電系數(shù)ε。
接地網(wǎng)是在接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由接地環(huán)（網(wǎng)）、接地極（體）和引下線組成，以往常有種誤解，把接地環(huán)作為接地的主體，很少使用接地體，在接地要求不高或地質(zhì)條件相當(dāng)優(yōu)越的情況下，接地環(huán)也能夠起到接地的作用，但是通常的情況下，這是不可行的，接地環(huán)可以起到輔助接地地作用，主導(dǎo)作用是用接地體來完成的。決定接地電阻大小的因素很多，下面先來分析一下計算傳統(tǒng)地網(wǎng)接地電阻的公式（僅以接地環(huán)接地時）。式中：
р（Ω.m）-----土壤電阻率；
d(m)------------鋼材等效直徑；
S（m2）---------地網(wǎng)面積；
H(m)------------埋設(shè)深度；
L(m)------------接地極長度(m) ；
A---------------形狀系數(shù)。
式（1）表明，傳統(tǒng)的接地方式在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下，要想達(dá)到設(shè)計要求的電阻必須有足夠的接地面積，要降低接地電阻只有擴(kuò)大接地面積，每擴(kuò)大4倍的接地面積，接地電阻會降低一倍。
式（2）、（3）表明，在上述的接地網(wǎng)中，要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地電阻的一些常用的合理的方法。
1、增大接地網(wǎng)面積
由上面接地電阻的物理概念，大地電阻率ρ和介電系數(shù)ε不容易改變，而接地電阻R與接地網(wǎng)電容C成反比：從理論上分析，接地網(wǎng)電容C主要由它的面積尺寸決定，與面積成正比，所以接地網(wǎng)面積與接地電阻成反比。減小接地網(wǎng)接地電阻，增大接地網(wǎng)面積是可行途徑。一個有多根水平接地體組成的接地網(wǎng)可以近似地看成一塊孤立的平板，借用平板接地體接地電阻計算公式，當(dāng)平板面積增大一倍時，接地電阻減小29.3%。
2、增加垂直接地體
依據(jù)電容概念，增加垂直接地體可以增大接地網(wǎng)電容。當(dāng)增加的垂直接地體長度和接地網(wǎng)長、寬尺寸可比擬時，接地網(wǎng)由原來的近似于平板接地體趨近于一個半球接地體，電容會有較大增加，接地電阻會有較大減小。由埋深為零半徑為ｒ的圓盤和半徑為ｒ的半球電容之比４εr／２πεr可得，接地電阻將減?。常叮ァ５菍τ诖笮徒拥鼐W(wǎng)，其電容主要是由它的面積尺寸決定，附加于接地網(wǎng)上有限長度（２～３ｍ）的垂直接地體，不足以改變決定電容大小的幾何尺寸，因而電容增加不大，亦接地電阻減小不多。所以大型接地網(wǎng)不應(yīng)加以增加垂直接地體作為減小接地電阻的主要方法，垂直接地體僅作為加強(qiáng)集中接地散泄雷電流之用。唯一有效的途徑是采用深井接地。
3、人工改善地電阻率
在高電阻率地區(qū)采用人工改善地電阻率的方法，對減小接地電阻具有一定效果。例如，對于一個半徑為ｒ的半圓球接地體而言，其接地電阻的50%集中在自接地體表面至距球心2ｒ的半圓球內(nèi)，如果將ｒ至2ｒ間的土壤電阻率降低，可使接地電阻大大減小。
設(shè)原地電阻率為ρ2，將ｒ至2ｒ范圍內(nèi)的電阻率為ρ2的土壤用低電阻率的材料ρ1置換，則半圓球接地體的接地電阻為：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr
置換前的接地電阻RX為： RX=ρ2/2πr
R與RX之比為： R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2
當(dāng)ρ1<<ρ2，上式改寫為： R=RX/2=ρ2/4πr
故接地電阻減小的百分?jǐn)?shù)為５０%。另外由上式可以看出，用低電阻率的材料置換半球附近高電阻率的土壤，相當(dāng)于將半球接地體的半徑由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地體幾何尺寸的增加，而使接地電阻減小。
4、深埋接地體
在地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方，可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。地的電阻率隨深度而減小的規(guī)律，往往在達(dá)到一定深度后，地電阻率會突然減小很多。因此利用大地性質(zhì)，深埋接地體后，使接地體深入到地電阻率低的地層中，通過小的地電阻率來達(dá)到減小接地電阻的目的。
對于地電阻率隨地層深度的增加而減小不大的地方，由于地電阻率變化不大，增加接地網(wǎng)的埋深只是增大接地網(wǎng)的電容。利用電容的概念，電容具有儲藏電場能量的本領(lǐng)，它所儲藏的能量，不是儲藏在極板上，而是儲藏在整個介電質(zhì)中，即整個電廠中：介電質(zhì)中的能量密度，既與介電系數(shù)有關(guān)，又與電場的分布有關(guān)，因此，比起接地網(wǎng)的幾何尺寸小得多的有限埋深，所增加的儲藏能量的介質(zhì)空間極為有限；在有限空間中的能量密度又小，儲藏的總能量也就增加不多，即電容增加不大，所以對減小接地電阻作用不大，不宜采用深埋接地體的方法減小接地電阻。深埋接地體和敷設(shè)水下接地網(wǎng)可以大大降低直流電阻，但對降低交流電阻作用不大，故國軍標(biāo)不推薦使用該法。但結(jié)合基地航天測試實際情況，主要是低頻信號，此法簡單，效果明顯，可以使用。
5、敷設(shè)水下接地網(wǎng)
在有適宜水源的地方敷設(shè)水下接地網(wǎng)，由于水的電阻率比地電阻率小的多，可以取得比較明顯的減小接地電阻的效果。而且敷設(shè)水下接地網(wǎng)施工比較簡便，接地電阻比較穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，但應(yīng)注意水下接地網(wǎng)距接地對象的距離一般不大于１０００ｍ。
6、利用自然接地體
充分利用混凝土結(jié)構(gòu)物中的鋼筋骨架、金屬結(jié)購物，以及上下水金屬管道等自然接地體，是減小接地電阻的有效措施，而且還可以起引流、分流、均壓作用，并使專門敷設(shè)的接地帶的連接作用得到加強(qiáng)。
三、變電站接地網(wǎng)設(shè)計應(yīng)注意的問題
1、接地電阻
《電力設(shè)備接地設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(SDJ8—79)中對接地電阻值有具體的規(guī)定，一般不大于0.5Ω。在高土壤電阻率地區(qū)，當(dāng)接地裝置要求做到規(guī)定的接地電阻在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上極不合理時，大接地短路電流系統(tǒng)接地電阻允許達(dá)到5Ω，但應(yīng)采取措施，如防止高電位外引采取的電位隔離措施，驗算接觸電勢，跨步電壓等。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，主要是以發(fā)生接地故障時，接地電位的升高不超過2000V進(jìn)行控制，其次以接地電阻不大于0.5Ω和5Ω進(jìn)行要求。因此，人們普遍認(rèn)為，110kV及以上變電所中，接地電阻值小于0.5Ω即認(rèn)為合格，大于0.5Ω就是不合格，不管短路電流有多大都不必采取措施。這是不合理的。
接地的實質(zhì)是控制變電所發(fā)生接地短路時，故障點(diǎn)地電位的升高，因為接地主要是為了設(shè)備及人身的安全，起作用的是電位而不是電阻，接地電阻是衡量地網(wǎng)合格的一個重要參數(shù)，但不是唯一的參數(shù)。
隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大，一般情況下單相短路電流值較大。在有效接地系統(tǒng)中單相接地時的短路電流一般都超過4kA，而青海地區(qū)變電所大部分接地電阻又很難做到0.5Ω。因此，從安全運(yùn)行的角度出發(fā)，不管在什么情況下，都應(yīng)該驗算地網(wǎng)的接觸電勢和跨步電壓，必要時應(yīng)采取防止高電位外引的隔離措施。
接地短路電流分析當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，產(chǎn)生的接地短路電流經(jīng)三種途徑流入系統(tǒng)接地中性點(diǎn)。(1)經(jīng)架空地線—桿塔系統(tǒng)(2)經(jīng)設(shè)備接地引下線，地網(wǎng)流入本站內(nèi)變壓器中性點(diǎn)(3)經(jīng)地網(wǎng)入地后通過大地流回系統(tǒng)中性點(diǎn)。而對地網(wǎng)接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流。所以，正確地考慮和計算各部分短路電流值，對合理地設(shè)計地網(wǎng)有著很大的影響。
架空地線系統(tǒng)的影響對于有效接地系統(tǒng)110kV以上變電所，線路架空地線都直接與變電站內(nèi)出線架構(gòu)相連。當(dāng)發(fā)生接地短路時，很大一部分短路電流經(jīng)架空地線系統(tǒng)分流，因此，在計算時，應(yīng)考慮該部分分流作用，發(fā)生接地故障時，總的短路電流是一定的，只要增大架空地線的分流電流，就可減小入地短路電流，因此，降低架空地線的阻抗也是安全接地設(shè)計重要的一個分支。架空地線采用良導(dǎo)體，正確利用架空地線系統(tǒng)分流，將使地網(wǎng)的設(shè)計條件更為有利。
入地短路電流從上述分析可知，入地短路電流是總的接地短路電流減去架空地線的分流，再減去流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流(也就是流經(jīng)變電器的零序電流)。如此計算，入地短路電流值相對比較小。由于接地電阻允許值R≤2000I，所以接地電阻相應(yīng)的允許值就比較大，設(shè)計也容易滿足。另外，對于一個給定的地網(wǎng)，其接地電阻也基本確定:從R≈0.5ρ/S可知，對實際的接地網(wǎng)面積減少有很大影響。
2、接地裝置的設(shè)計
土壤電阻率的測量工程土壤電阻率的測量是工程接地設(shè)計重要的第一手資料，由于受到測量設(shè)備、方法等條件的限制，土壤電阻率的測量往往不夠準(zhǔn)確。我省地處青藏高原東部，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變電所占地雖然不大，但多為不均勻地質(zhì)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的實測，往往只取3～4個測點(diǎn)，過于簡單。建議提高測量精度，設(shè)計采用《設(shè)計手冊》中提供的計算平均電阻率的方法，使設(shè)計誤差值減小。
接地網(wǎng)布置根據(jù)地網(wǎng)接地電阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中：ρ——土壤電阻率(Ω·m)；S—接地網(wǎng)面積(m2)；R—地網(wǎng)接地電阻(Ω)；地網(wǎng)面積一旦確定，其接地電阻也就基本一定，因此，在地網(wǎng)布置設(shè)計時，應(yīng)充分利用變電所的全部可利用面積，如果地網(wǎng)面積不增加，其接地電阻是很難減小的。
垂直接地極的作用在110kV變電所中，一般采用水平接地線為主，帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng)。根據(jù)R=0.5ρ/S可知，接地網(wǎng)的接地電阻與垂直接地極的關(guān)系不大。理論分析和試驗證明，面積為30×30m2—100×100m2的水平地網(wǎng)中附加Φ40mm×2.5m的垂直接地極若干，其接地電阻僅下降2.8～8%。但是，垂直接地極對沖擊散流作用較好，因此，在獨(dú)立避雷針、避雷線、避雷器的引下線處應(yīng)敷設(shè)垂直接地極，以加強(qiáng)集中接地和散泄雷電流。例如，在330kV阿蘭變電所的接地設(shè)計中，通過計算，接地網(wǎng)的設(shè)計全部由水平接地體構(gòu)成，只在避雷針，避雷器附近敷設(shè)少量垂直地極，實際運(yùn)行證明效果是較好的。
地網(wǎng)均壓網(wǎng)的設(shè)計根據(jù)設(shè)計規(guī)程規(guī)定，當(dāng)包括地網(wǎng)外圍4根接地線在內(nèi)的均壓帶總根數(shù)在18根以下時，宜采用長孔接地網(wǎng)。由于110kV變電所占地面積一般不超過100×100m2，考慮均壓線間屏蔽作用，均壓線總根數(shù)一般為8～12根左右，故根據(jù)規(guī)程規(guī)定，一般采用長孔方式布置，但存在以下幾個方面的問題。
1、方孔地網(wǎng)縱、橫向均壓帶相互交錯，因此地網(wǎng)的分流效果優(yōu)于長孔地網(wǎng)，均壓效果比長孔地網(wǎng)好且可靠性。
2、長孔地網(wǎng)均壓線與主網(wǎng)連接薄弱，均壓線距離較長，發(fā)生接地故障時，沿均壓線電壓降較大，易造成二次控制電纜和設(shè)備損壞。當(dāng)某一條均壓線斷開時，均壓帶的分流作用明顯降低，而方孔地網(wǎng)的均壓帶縱橫交錯，當(dāng)某條均壓線斷開時，對地網(wǎng)的分流效果影響不大。因此，建議在變電所地網(wǎng)設(shè)計時，采用正方孔均壓網(wǎng)設(shè)計，以提高接地安全性。
3、接地網(wǎng)的腐蝕
接地網(wǎng)的腐蝕狀況在八十年代及以前變電所的設(shè)計中，很少或根本就沒有考慮地網(wǎng)的腐蝕問題。由于地網(wǎng)腐蝕引起的安全事故屢有發(fā)生，如接地引下線斷開使高壓運(yùn)行設(shè)備處于無接地狀態(tài)，地下主網(wǎng)腐蝕斷裂使地網(wǎng)分割成幾塊，發(fā)生接地時使二次設(shè)備燒壞等。另外，由于地網(wǎng)屬隱蔽工程，埋于地下后不易檢查、修復(fù)等，因此，從設(shè)計的角度應(yīng)加大對地網(wǎng)腐蝕的調(diào)查研究，以便有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。一般變電所的設(shè)計年限按25～30年考慮，但地網(wǎng)的實際安全壽命只有10～15年左右，與變電所的設(shè)計年限極不配套。加之，由于系統(tǒng)容量的增加，短路水平的提高，腐蝕后的地網(wǎng)更不能滿足安全運(yùn)行的要求。
接地網(wǎng)的防腐設(shè)計接地網(wǎng)的材料一般為扁鋼和圓鋼，其腐蝕狀態(tài)應(yīng)根據(jù)變電所當(dāng)?shù)氐母g參數(shù)進(jìn)行計算。但一般情況下其腐蝕參數(shù)很難測定。因此，在工程設(shè)計沒有實際數(shù)據(jù)時按扁鋼腐蝕速度：0.1 -0.2 mm/a；圓鋼腐蝕速度：0.065 -0.07 mm/a；熱鍍鋅扁鋼腐蝕速度：0.065 -0.07 mm/a計算。在計算時，還應(yīng)考慮不同敷設(shè)部位腐蝕情況不同的影響，可參考以下數(shù)據(jù)。采用扁鋼接地網(wǎng)的年腐蝕率，當(dāng)接地網(wǎng)部位為水平接地體時年腐蝕速度：0.1 -0.12 mm/a；為設(shè)備引下線時年腐蝕速度：0.2 -0.3 mm/a；為電纜溝中的接地帶時年腐蝕速度：0.47 mm/a。
對于一般變電所地網(wǎng)的設(shè)計年限不應(yīng)小于30年，對于重要樞紐變電站的地網(wǎng)壽命應(yīng)按50年考慮。這兩種情況都不大于規(guī)程規(guī)定的設(shè)計年限，但更接近于實際。關(guān)于地網(wǎng)材料的選用問題，常規(guī)選用扁鋼和圓鋼兩種，相同截面的扁鋼與圓鋼與周圍土壤介質(zhì)的接觸面不一致，扁鋼約為50%左右，但由于其腐蝕機(jī)理不完全一致，腐蝕結(jié)果基本上一致，這已從陜西電網(wǎng)和青海電網(wǎng)地網(wǎng)腐蝕調(diào)查報告中已得到確認(rèn)，而且規(guī)程中也提供了不同的腐蝕數(shù)據(jù)。因此，關(guān)于接地材料選用扁鋼還是圓鋼沒有很大差別。關(guān)于防腐的設(shè)計問題，一般應(yīng)考慮在設(shè)計年限內(nèi)，采用熱鍍鋅材料。
4、接觸電勢與跨步電壓
接觸電勢與跨步電壓是地網(wǎng)安全性設(shè)計的兩個重要參數(shù)，新規(guī)范中指出這兩參數(shù)不應(yīng)超過下列數(shù)值:ut=174+0.17ρ+tu0=174+0.7ρ+t式中:Ut——最大允許接觸電勢(V)Uo——最大允許跨步電壓(V)ρ+——人站立處地表面土壤電阻率(Ω·m)t——接地短路持續(xù)時間(s)從以上可知，新規(guī)范中ut、u0比設(shè)計規(guī)程要求的條件更苛刻，更趨于安全，但給地網(wǎng)的設(shè)計帶來的困難也更大。對于一個給定的變電所，短路產(chǎn)生的最大接觸電勢和最大跨步電壓也確定。從上式中可以看出，用提高ρ+值來提高ut、u0的允許值也是合理設(shè)計地網(wǎng)的一個方面。因此，ρ+是一個比較重要的數(shù)據(jù)。當(dāng)變電所的接觸電勢、跨步電壓不滿足要求時，設(shè)備區(qū)可采用做絕緣操作平臺，做局部均壓網(wǎng)，道路采用礫石、碎石或瀝青混凝土等高土壤電阻率路面結(jié)構(gòu)來處理，不宜采用磚、方磚等材料，故地面施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行。
5、地網(wǎng)的敷設(shè)深度
規(guī)程和新規(guī)范中明確指出，接地網(wǎng)的埋設(shè)深度宜采用0.6m，《設(shè)計手冊》中又補(bǔ)充到，在凍土地區(qū)宜敷設(shè)于凍土層以下，現(xiàn)設(shè)計中一般將地網(wǎng)全部埋設(shè)于凍土層以下。
地網(wǎng)敷設(shè)深度對最大接觸系數(shù)的影響最大接觸電勢是地網(wǎng)設(shè)計中的一個重要參數(shù)，地網(wǎng)設(shè)計的問題之一就是如何降低地網(wǎng)的最大接觸電勢。地網(wǎng)的接觸電勢的最大接觸系數(shù)Kjm與地網(wǎng)的埋深有如圖2所示的關(guān)系。從圖2可以看出，接地網(wǎng)的埋深由零開始增加時，其接觸系數(shù)是減少的，但埋深超過一定范圍后，Kjm又開始增大。這是因為地網(wǎng)圖2 最大接觸系數(shù)Kjm和埋深h的關(guān)系曲線(接地網(wǎng)面積A=40×40m2，接地體直徑d=0.01m，網(wǎng)孔個數(shù)n=400個)敷設(shè)深度的不同，在網(wǎng)孔中心地面上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的變化決定的，引起網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間產(chǎn)生的電位差不同。當(dāng)埋深增加到一定深度后，電流趨向于地層深處流動，地面上的電流密度越來越小，因而網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間的電位差又開始增大，因此，規(guī)程中規(guī)定的敷設(shè)深度是合理的。
敷設(shè)深度對接地電阻的影響目前所遇到的變電所一般都是處于季節(jié)性凍土地區(qū)。如按規(guī)程規(guī)定，將地網(wǎng)敷設(shè)在0.6m深度時，冬季將使地網(wǎng)處于凍土層中。由于土壤凍結(jié)后其電阻率將增大為原來的3倍以上，對地網(wǎng)接地電阻有一定的影響。目前采用的地網(wǎng)是以水平接地線為主邊緣帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng)，冬季垂直接地極大部分伸于下層非凍結(jié)土壤中。此時土壤結(jié)構(gòu)可以等效為兩層電阻率不同的土壤結(jié)構(gòu)。有研究表明，對于處于雙層土壤介質(zhì)中的垂直電極，其各部分的散流密度與周圍介質(zhì)的電阻率成反比，除了在電極尖端處，具有ρiJi=常數(shù)(其中Ji為處于電阻率為ρi土壤中的電極部分的散流密度)。此時，當(dāng)電極有一部分進(jìn)入下層土壤時，整個電極的散流電阻將主要取決于下層土壤。此時地網(wǎng)的接地電阻也將主要取決于地網(wǎng)的非凍結(jié)土壤。因此，在季節(jié)性凍土地區(qū)，采用這種帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng)是有很大的優(yōu)點(diǎn)的，如果在冬季由于土壤的凍結(jié)，而對接地電阻沒有很大的影響時，就沒有必要把地網(wǎng)都埋于凍土層以下。將地網(wǎng)埋于凍土層以下，對地網(wǎng)的接地電阻來講肯定是有利的。但是如果單純?yōu)榉笤O(shè)地網(wǎng)開挖土層則將使工程開挖土方量大大增加，施工困難。工程造價也隨之上升。規(guī)程中還規(guī)定，接地電阻應(yīng)滿足一年四季變化的要求，這在實際工程中很難做到，冬季土壤的凍結(jié)對接地電阻肯定有影響，但可通過其安全要求的各種因素進(jìn)行綜合比較，合理控制。因此，在工程設(shè)計中應(yīng)合理的確定地網(wǎng)的埋設(shè)深度。
變電所地網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行，在具體工程設(shè)計中應(yīng)重點(diǎn)考慮地網(wǎng)布置，敷設(shè)深度，腐蝕及熱穩(wěn)定校驗等方面。對合格地網(wǎng)的概念應(yīng)有全面的認(rèn)識，接地電阻應(yīng)按實際的流經(jīng)地網(wǎng)入地的短路電流計算，降低接地電阻、降低接觸電勢和跨步電壓等都是合格地網(wǎng)要求的主要因素。因此，在保證變電所接地的安全條件下，應(yīng)綜合考慮各種因素，合理地設(shè)計接地裝置以便于變電所的安全運(yùn)行和施工，降低工程造價。
四、材料選擇與施工工藝的優(yōu)化
單使用接地環(huán)要達(dá)到某個接地電阻值，接地環(huán)包圍的面積Ｓ和土壤電阻率有關(guān)。我們以一個城市常見的土壤電阻率200Ω.m來分析，要做接地電阻1Ω的地網(wǎng)站地應(yīng)為10000平方。即使，對于大型建筑物而言，本身站地很大，也最多可以建設(shè)一個這樣的地網(wǎng)，但是對于這樣大型的建筑即使是以聯(lián)合接地的辦法，考慮到要求獨(dú)立地的設(shè)備，一個地網(wǎng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在建筑林立的城市和地形復(fù)雜的山地要求大面積可供施工的的土質(zhì)空地是不太可能的，及時在地理條件許可的地方，由于開挖量大、耗材多，費(fèi)工費(fèi)料工程費(fèi)用高，是不可取的。所以，需要運(yùn)用更好的接地材料和施工設(shè)計方法。
要達(dá)到設(shè)計接地電阻要求，克服環(huán)境條件的制約，有把握的達(dá)到良好穩(wěn)定的接地效果，應(yīng)從三方面入手進(jìn)行施工設(shè)計。
1、因地制宜的設(shè)計方案
通常的防雷接地的接地電阻是10Ω，實際上有弱電設(shè)備的感應(yīng)防雷都要求4Ω或1Ω的接地電阻。這里常常有個誤區(qū)，認(rèn)為作到10Ω、4Ω或1Ω的接地電阻就滿足了設(shè)計要求，而沒有考慮季節(jié)因數(shù)。因為，土壤電阻率是隨季節(jié)變化的，規(guī)范所要求的接地電阻實際上是接地電阻的最大許可值，為了滿足這個要求，地網(wǎng)的接地電阻要達(dá)到：
R=Rmax/ω
式中：Rmax----接地電阻最大值，就是我們說的10Ω、4Ω或1Ω的接地電阻
ω-----是季節(jié)因數(shù)，根據(jù)地區(qū)和工程性質(zhì)取值，常用值為1.45
所以，我們所說的接地電阻實際是：
R=6.9Ω-------- Rmax=10Ω
R=2．75Ω------ Rmax=4Ω
R=0.65Ω------- Rmax=1Ω
這樣，地網(wǎng)才是合乎規(guī)范要求的---在土壤電阻率最高的時候（常為冬季）也滿足設(shè)計要求。
接地工程本身的特點(diǎn)就決定了周圍環(huán)境對工程效果的決定性的影響，脫離了工程所在地的具體情況來設(shè)計接地工程是不可行的。設(shè)計的優(yōu)劣取決于對當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境的諸多因數(shù)的綜合考慮。土壤電阻率、土層結(jié)構(gòu)、含水情況、季節(jié)因數(shù)、氣候以及可施工面積等等因數(shù)決定了接地網(wǎng)形狀、大小、工藝材料的選擇。
廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料（最常用的如扁鋼）、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼，也常用銅材替代，主要用于接地環(huán)的建設(shè)，這是大多接地工程都選用的；接地體有金屬接地體（角鋼、銅棒和銅板）這類接地體壽命較短，接地電阻上升快，地網(wǎng)改造頻繁（有的地區(qū)每年都需要改造），維護(hù)費(fèi)用比較高，但是從傳統(tǒng)金屬接地極（體）中派生出類特殊結(jié)構(gòu)的接地體（帶電解質(zhì)材料），使用效果比較好，一般稱為離子9或中空）接地系統(tǒng)；另外就是非金屬接地體，使用比較方便，幾乎沒有壽命的約束，各方面比較認(rèn)可。降阻劑分為化學(xué)將阻劑和物理降阻劑，化學(xué)降阻劑自從發(fā)現(xiàn)有污染水源事故和腐蝕地網(wǎng)的缺陷以后基本上沒有使用了，現(xiàn)在廣泛接受的是物理降阻劑（也稱為長效型降阻劑）。在以下的討論中以非金屬接地塊、物理降阻劑和離子接地系統(tǒng)為代表進(jìn)行探討。下面將設(shè)計中考慮的主要因素進(jìn)行簡要的說明。
1）、地網(wǎng)形式
地網(wǎng)的形狀直接影響接地達(dá)到的效果和達(dá)到設(shè)計要求所需要的地網(wǎng)站地積。首先應(yīng)建立接地環(huán)（或接地面），提倡使用水平接地極（常用的是外部接地環(huán)）和水平垂直接地體配合使用。在很容易達(dá)到接地目的，要求低的接地中可以選用平面的接地方法（接地環(huán)接地）；一般應(yīng)用接地體和接地環(huán)配合使用，形成三維的結(jié)構(gòu)。
三維的接地有三種不同類型：等長接地、非等長接地和法拉第籠式接地。A、等長接地用相同的接地體，這種方式接地體的埋設(shè)深度基本一致，施工方便同時可以取得較好的效果。B、非等長接地是更科學(xué)的接地方式，采用不同的接地體相互配合，由于接地體長度和埋設(shè)深度不同，大大的加大了等勢面積，突破地網(wǎng)面積局限。要求設(shè)計人員對多種接地工藝有一定認(rèn)識，本身施工并不困難，使用得當(dāng)可以完成相當(dāng)難度的接地工程。這種方法夜叫“半法拉第籠”接地工藝。C、法拉第籠式接地是多層水平接地網(wǎng)，用垂直接地體相互連接形成籠式結(jié)構(gòu)。由于施工量大，并不常用。在設(shè)計中還應(yīng)考慮地網(wǎng)集膚效應(yīng)、跨步電壓等因數(shù)。
2、巖土條件
A、巖土類型
巖土直接關(guān)系接地的難度，設(shè)計中最重要的參數(shù)之一就是的是巖土的土壤電阻率，但僅僅考慮土壤這個參數(shù)是不夠的，還要考慮開挖（鉆進(jìn)）難度、破碎還是整體巖石、持水能力等因數(shù)。有的巖土電阻率高，但是在整體巖石之間常有較好的土壤間隙層，在這樣的環(huán)境中，避開整體巖石，在間隙中開挖灌降阻劑效果很好。阿壩卡吉嶺通訊機(jī)站，土壤電阻率4500Ω.m，原聯(lián)合地網(wǎng)接地電阻率68Ω，上述施工后接地電阻降為9.4Ω。
B、地形制約
施工環(huán)境常常是受到各種情況的制約，按照理想的模式考慮大面積的地網(wǎng)是不現(xiàn)實的。有專家認(rèn)為，接地面積一定后，如果接地極長度不超過地網(wǎng)1/20，要想突破局限是不可能的，即使做成整塊銅板也沒有用的。實踐中也應(yīng)證了這一理論。所以，當(dāng)?shù)匦尉窒迺r，我們可以考慮地網(wǎng)的縱深方向，使用離子接地系統(tǒng)或深井施工工藝。西昌某航天觀測站，土壤電阻率1100Ω.m，設(shè)備需要4Ω信號-屏蔽獨(dú)立地，考慮季節(jié)因數(shù)，應(yīng)作到2.75Ω，而可供施工的面積只有8平方的狹長位置，采用加長（20m）離子接地系統(tǒng)3套安裝后，達(dá)到2.5Ω的接地電阻。
C、含水情況
一般來說，濕潤的土壤導(dǎo)電性較好，但是，實際工程中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量超過飽以后，接地效果反而不好。當(dāng)?shù)氐紫掠谐睗瘢拥伢w深入到這一層時，降阻效果會好得多。例如，云尾移動通訊站，土壤電阻率測量值1200歐，使用接地塊240塊，接地電阻達(dá)到1歐以下；同樣的，湖南柯壺口變電所也是1200歐的從土壤電阻率，地表破碎沙石層，但是開挖150mm發(fā)現(xiàn)潮濕土層，埋設(shè)接地塊80只，原預(yù)計達(dá)到4歐的地網(wǎng)，結(jié)果達(dá)到了1.2歐。
D、施工工藝
真確的施工工藝才能達(dá)到良好的設(shè)計的實施效果，看起來不重要的實施細(xì)節(jié)常常導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因為接地工程是隱蔽工程，當(dāng)施工完成后，錯誤不一定馬上可以檢測到，即使發(fā)現(xiàn)問題補(bǔ)救也是很麻煩的，尤其是防腐細(xì)節(jié)。
使用接地快時，埋設(shè)應(yīng)盡量選擇適合的土層進(jìn)行，預(yù)先開挖80-100cm的土坑（平埋），底部盡量平整，使埋設(shè)的接地塊受力均勻。接地塊水平設(shè)置，用連接線使連接頭與接地網(wǎng)連接，用螺栓連接后熱焊接或熱融接，焊接完成以后應(yīng)去處焊渣等，再用防腐瀝青或防銹漆進(jìn)行焊接表面的防銹處理，回填需要分層夯實，保證土壤的密實和接地塊與土壤的接觸緊密，底部回填40-50cm后，應(yīng)適量加水，保證土壤的濕潤，令接地塊充分吸濕。使用降阻劑時，為了防腐，包裹厚度應(yīng)在30mm以上。接地用的鋼材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角鋼；40mm×4mm或40mm×5mm的扁鋼；ф 50mm、h>3mm的鋼管。角鋼對角線長的約為70mm，短的約為56.6mm。若包裹厚度為30mm，地網(wǎng)開挖直徑尺寸應(yīng)在130mm。對水平扁鋼來說，由于地面開挖高低不平，扁鋼本身彎曲不直，在施工中許多部位剛剛被降阻劑蓋住。這樣，鋼材實際上處在兩個介質(zhì)的交界處，大大地加快了腐蝕程度，因此地網(wǎng)開挖尺寸也應(yīng)該加大。我們認(rèn)為垂直極灌降阻劑直徑以130—200mm為好，水平溝以150mm×100mm為好（扁鋼豎放）。這樣做的開挖工程量和降阻劑用量都會增加，但從整體降阻、防腐效果看是合理的。
離子接地系統(tǒng)埋深一般為3000-4000mm，當(dāng)加長時相應(yīng)加深，有條件的用鉆機(jī)施工?？讖奖ＷC100-250mm（根據(jù)接地系統(tǒng)的形式選擇）。施工中應(yīng)保證導(dǎo)電為輔料包裹密實，消除空管和氣泡。
2、接地材料的選型
接地材料是接地的工作主體，材料的選擇很重要。下面對常用的接地材料的屬性做個簡單的介紹。廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料（最常用的如扁鋼）、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼，也常用銅材替代，主要用于接地環(huán)的建設(shè)，這是大多接地工程都選用的；接地體有金屬接地體（角鋼、銅棒和銅板）這類接地體壽命較短，接地電阻上升快，地網(wǎng)改造頻繁（有的地區(qū)每年都需要改造），維護(hù)費(fèi)用比較高，但是從傳統(tǒng)金屬接地極（體）中派生出類特殊結(jié)構(gòu)的接地體（帶電解質(zhì)材料），使用效果比較好，一般稱為離子或中空）接地系統(tǒng)；另外就是非金屬接地體，使用比較方便，幾乎沒有壽命的約束，各方面比較認(rèn)可。在以下的討論中以降阻劑、非金屬接地塊和離子接地系統(tǒng)為代表進(jìn)行探討。
降阻劑分為化學(xué)將阻劑和物理降阻劑，化學(xué)降阻劑自從發(fā)現(xiàn)有污染水源事故和腐蝕地網(wǎng)的缺陷以后基本上沒有使用了，現(xiàn)在廣泛接受的是物理降阻劑（也稱為長效型降阻劑）。物理降阻劑是接地工程廣泛接受的材料，屬于材料學(xué)中的不定性復(fù)合材料，可以根據(jù)使用環(huán)境形成不同形狀的包裹體，所以使用范圍廣，可以和接地環(huán)或接地體同時運(yùn)用，包裹在接地環(huán)和接地體周圍，達(dá)到降低接觸電阻的作用。并且，降阻劑有可擴(kuò)散成分，可以改善周邊土壤的導(dǎo)電屬性?，F(xiàn)在的較先進(jìn)降阻劑都有一定的防腐能力，可以加長地網(wǎng)的使用壽命，其防腐原理一般來說有幾種：犧牲陽極保護(hù)（電化學(xué)防護(hù)），致密覆蓋金屬隔絕空氣，加入改善界面腐蝕電位的外加劑成分等方法。物理降阻劑有超過二十年的工程運(yùn)用歷史，經(jīng)過不斷的實踐和改進(jìn)，現(xiàn)在無論是性能還是使用施工工藝都已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品了。
非金屬接地體有是在通訊、廣電等部門廣泛使用的工程材料?；境煞质菍?dǎo)電能力優(yōu)越的非金屬材料材料復(fù)合加工成型的，加工方法有澆注成型和機(jī)械壓模成型的，一般來說澆注成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、導(dǎo)電性能差，而且質(zhì)量不穩(wěn)定，一些小型廠家少量生產(chǎn)使用這樣的辦法；機(jī)械壓模法，是使用設(shè)備在幾到十幾噸的壓力下成型的，不僅尺寸精度較高、外觀較好，更重要的是材料結(jié)構(gòu)致密、電學(xué)性能好、抗大電流沖擊能力強(qiáng)，質(zhì)量也相當(dāng)穩(wěn)定，但是生產(chǎn)成本較高，批量生產(chǎn)多采用。選型時，盡量采用后者，特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的要求（如電力工作地、防雷接地）時，不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體的特點(diǎn)是穩(wěn)定性優(yōu)越，其氣候、季節(jié)、壽命都是現(xiàn)有接地材料中好的，是不受腐蝕的接地體，所以，不需要地網(wǎng)維護(hù)，也不需要定期改造，但是，非金屬接地體施工需要的地網(wǎng)面積比傳統(tǒng)接地面積小很多，但是在不同地質(zhì)條件下也需要的保證足夠接地面積才可以達(dá)到良好的效果。
離子（中空）接地系統(tǒng)是傳統(tǒng)的金屬接地改進(jìn)而來，從工作原理到材料選用都脫胎換骨的變化，形成各種形狀的結(jié)構(gòu)。這些接地系統(tǒng)的共同點(diǎn)是結(jié)構(gòu)部分采用防腐性更好的金屬，內(nèi)填充電解物質(zhì)及其載體組分的內(nèi)填料，外包裹導(dǎo)點(diǎn)性能良好的不定性導(dǎo)電復(fù)合材料，一般稱為外填料。接地系統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)出現(xiàn)的有不銹鋼、銅包鋼和純銅材的。不銹鋼的防腐較鋼材好，但是在埋地環(huán)境中依然會多多少少的銹蝕，以不銹鋼為主體的接地系統(tǒng)不宜在腐蝕性嚴(yán)重的環(huán)境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料，銅包鋼是銅-鋼復(fù)合材料，鋼材表面覆蓋銅，可以節(jié)約大量的貴金屬—銅材。套管法或電鍍法生產(chǎn)，表面銅層的厚度從0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。純銅材料防腐性能好，但是要耗用大量的貴金屬，在性能要求較高的工程中使用。由于接地系統(tǒng)大多向垂直方向伸展，所以接地面積大多要求很小，可以滿足地形嚴(yán)重局限的工程需要。特別是，補(bǔ)償類型的接地系統(tǒng)有加長的設(shè)計，筆者曾使用過加長至24米的接地系統(tǒng)，輔以深井法施工，可以達(dá)到非常好的效果。介紹的接地材料各有優(yōu)勢，但是都有自身的局限。我們提倡各取所長，選擇適當(dāng)?shù)牟牧蠞M足不同的工況。
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降阻劑 |
非金屬接地體 |
中空接地棒 |
傳統(tǒng)接地 |
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類型 |
地網(wǎng)與接地極 |
接地極 |
接地極 |
地網(wǎng)與接地極 |
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新建地網(wǎng)施工 |
簡單 |
簡單 |
較簡單 |
簡單 |
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改造地網(wǎng)施工 |
復(fù)雜 |
簡單 |
較簡單 |
復(fù)雜 |
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適用環(huán)境 |
普通地網(wǎng)通用 |
惡劣地質(zhì)條件 腐蝕環(huán)境較高要求地網(wǎng) |
地網(wǎng)面積小的城市或復(fù)雜山巖環(huán)境 |
通用 |
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價格比較 |
低 |
較高 |
較高 |
地好要求低便宜，地壞要求高較貴或很貴 |
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抗腐蝕 |
有防腐作用 |
不被腐蝕 |
較好抗腐能力 |
低 |
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氣候穩(wěn)定性 |
普通 |
優(yōu)異 |
較好 |
不好 |
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使用壽命 |
較長 |
最長 |
長最長 |
短，常需要改造 |
五、本項目設(shè)計方案
1、引用標(biāo)準(zhǔn)
GBJ65-83 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范》
GB50059-92 《35-110KV變電所設(shè)計規(guī)范》
GB50057-94 《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》
DL/T621-97 《交流電氣裝置的接地》
2、環(huán)境概況
A、變電站總占地面積為120×60共7200平方米。
B、工程所在地土層平均厚度約為5米估算；
C、工程為110kv變電站；
D、土壤電阻率估測為1000Ω·m；
3、設(shè)計分析：
根據(jù)規(guī)范，110kv變電站接地要求應(yīng)為0.5Ω。
根據(jù)傳統(tǒng)地網(wǎng)面積——接地電阻的計算公式計算：《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范》GBJ65-83 附表1.1>
R =0.5ρ/√s
=0.5*×1000/173
=2.89Ω
其中：
р（Ω.m）-----土壤電阻率
S（m2）---------地網(wǎng)面積
R(Ω)---------- 接地電阻
根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅靠普通環(huán)型地網(wǎng)即使設(shè)置普