户外 110kV变电站不同降阻方式仿真及造价分析

姜维，宦晓超，萨仁高娃，张晓妍，张前

内蒙古电力经济技术研究院，呼和浩特 010020

摘要：变电站接地系统是保证变电站在发生接地故障时保证人身和设备安全的重要设施。本文以110kV户外变电站为例，利用软件仿真在高土壤电阻率下不同降阻方式的效果和适用性，详细分析了接地阻抗及接地网性能（地电位升、接触电压、跨步电压）的变化情况，以及不同降阻方式下接地网工程的造价，综合比较，最终确定合理的降阻方式。

关键词：接地系统；降阻；造价分析

引言

变电站中接地系统具有泄放电流，保证人身和设备安全的作用，是变电站安全稳定运行的关键设施。部分地区的土壤电阻率过高，加上近年来逐渐增加的短路电流，对变电站接地网的设计造成了困难。为降低接地系统的接地电阻和限值过高的接触电压，降阻费用使变电站造价升高。因此优化接地网设计，选择合适的降阻方式，综合造价分析，提升变电站接地系统的经济性非常重要。

1接地网的接地电阻

1.1 国内对接地电阻的要求

我国在接地系统设计中，之前强调接地电阻，过去入地电流只有几kA，接地电阻容易满足要求下式要求：

式中 —采用季节变化最大接地电阻；

—计算用经接地网入地的最大接地故障不对称短路电流有效值。

随着接地故障电流的不断增大，变电站接地电阻R要满足要求很难，导致目前标准中的2000V地电位升限值并未在实际接地中被有效执行，GB 50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中要求，当没有设计文件要求时，有效接地系统中 或 时， ，当接地阻抗不符合以上要求时，可通过技术经济比较增大接地阻抗，但不得大于5Ω。总之，接地设计应当更注重减小地电位差，使地电位分布更均匀。减小地电位差可以通过加密接地体、使用良导体接地等。

1.2 降阻方式

降低接地网的接地电阻，减小接触及跨步电压的主要思路可以归结为三类，第一是改变土壤电阻率的方法，包括降阻剂、局部换土、电解离子接地系统和接地模块；第二是扩大接地网横向占地面积的方法，包括扩网、引外、利用自然接地体；第三是增加接地网纵向跨越深度的方法，包括增加接地网埋深、垂直接地极、深井接地极、斜接地极等。

2 不同降阻方式的仿真

2.1 仿真模型

接地装置的入地故障电流计及接地故障电流中的直流分量影响，考虑避雷线及变压器中性点环流的分流作用，入地电流为3000A。经计算，该接地网接地阻抗为3.2397Ω，最大地电位升9815.37V>5000V，接触电势最大值为2707.58V，跨步电势最大值为1091.68V。主要分布在接地网边缘，特别是接地网的四角附近。但是接地系统的接触电压安全值367.8V，跨步电压安全值1040.7V，不满足要求。若采取敷设绝缘地坪的方法提高安全限值，如表1，接触电压仍不满足要求，需要采取降阻措施。

表1 变电站规模及接地网数据

2.2 降阻仿真

2.2.1 降阻剂

变电站工程中，通常采用降阻剂或降阻模块，相当于增大了接地体的半径，同时随着降阻剂的渗透，降低了周围土壤电阻率。在实际应用中应注意降阻剂对接地体的腐蚀作用，同时要考虑接地极之间的屏蔽作用。设的降阻剂宽度400mm高60mm，等效半径200mmm。仿真结果接地阻抗下降为2.989385Ω，接触电压最大值1504.57V，跨步电压最大值1118.49V，地电位升9657V，接触电压及地电位升仍不满足要求，需要采取其他降阻措施。

2.2.2 深井接地

对于土壤结构来说，一般浅层地表的土壤电阻率随着季节变更和气候的变动而有所波动，，而深层土壤电阻率相对稳定并不容易受到外界的影响。当变电站及其周边地区大地表层土壤电阻率较高，而深层土壤电阻率较低或者地底深处含有地下水时，利用深井接地对降低变电站接地系统接地电阻有显著的效果。深井接地降阻可分为三种类型，分别是常规深井接地，深水井接地，还有深井灌降阻剂，本文采用工程中常用的深井灌降阻剂方法，井口尺寸300mm，在接地网四角利用深井接地。仿真了不同深度时对变电站接地性能的影响。随着深井的深度越深，接地阻抗及接触、跨步电压的升高幅度越小，降阻的效果越好，当深井深度为40m时，可以满足当敷设绝缘地坪时安全的要求。但并不是深井越深越好，深井的深度达到一定的深度后，幅值的变化逐渐放缓。

2.2.3 斜井接地

利用斜井接地与深井接地的原理相同，深井的方向与水平面夹角60°，选取与深井长度相同，进行仿真对比。结果显示利用斜井接地的方法均压效果明显，主要是因为斜井不仅扩大了地网的纵向面积，也扩大了地网的横向面积，降低了地电位升，而接触电压及跨步电压均与地电位升有着直接的关系；同时，因为增设斜接地极后，大部分故障电流通过斜接地极流入大地，相应减少了水平导体的散流量，因此地表面的水平方向电流密度大大减少，造成水平方向电场强度大大降低。

2.2.4 降阻剂与深井、斜井组合接地

当采用深井接地与降阻剂同时采用时与只用深井接地的方案对比，接地阻抗的变化不大，但是接触电压升高的幅值变小，可以利用电阻率较小的绝缘地坪。而采用斜井与降阻剂组合应用时的效果与之类似，但斜井的效果比较好，采用15m的斜井长度加上降阻剂就能满足地网的安全要求。

2.2.5 其他优化接地网方式

在接地网的设计中，合理布置接地网横向与纵向导体的疏密程度，也就是接地网的压缩比，合适的压缩比对均压效果明显，最优压缩比与单方向导体、根数、接地网边长、不等间距布置后接地网参数变化、反射系数、垂直接地极等因素有关。

3不同降阻措施的造价分析

工程造价的控制分为估算，概、预算与决算、结算，本文采用工程可行性研究阶段的估算编制方法，针对上述降阻方式，结合各类材料工程量及最新市场价进行造价对比分析。应用降阻剂方案考虑水平接地网敷设；换土方案考虑按接地网下0.2m考虑，运距20km；计入直接工程费、间接费及相应的措施费用。各种降阻方式总投资分析如下：降阻剂方案46万元；换土方案84万元；深井方案38万元；斜井方案26万元；深井加降阻剂方案83万元；斜井加降阻剂方案71万元。

从仿真结果与经济性方面来说，降阻剂可作为辅助降阻手段，但整体造价较高；换土降阻方式土方工程量大，造价高；深井接地造价合理，优先选用，若有施工条件斜井接地方式从降阻效果和经济性都是最佳选择。

结束语

本文对户外110kV变电站接地系统的不同降阻方式进行了对比及仿真，同时对不同降阻方式的造价进行了对比。在实际工程中，应考虑冻土深度及地下水深度，如冻土层较浅，可将接地网敷设于冻土层以下。而当土壤情况较为恶劣，换土的造价过高的情况下，优先采用深井接地的方式，在某些特殊的场景要求下，可以使用降阻剂，但仿真及实验得出，降阻剂只有用在较小的接地网时效果比较好，同时应保证降阻剂的稳定性，也不能加速腐蚀接地网的金属部分；有施工条件时，斜井接地是更好的选择。

参考文献

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