低导电率地质区接地网计算及设计研究

0引言

对于地处干旱环境山区深处的铁路变电所来说,接地网的设计与计算需更多地考虑地质条件,在一些低导电率地质区域其接地网则更为复杂,定性分析和经验法设计不再适用,易造成接地电阻不达标或功能过度冗余[1]。本文针对上述现有技术的不足,提出了一种适用于低导电率地质区域接地网的计算及设计方法,可以实现接地网系统的快速精准设计,节省施工材料,降低施工难度,极大地提升施工效率。

1低导电率地质区接地网计算及设计步骤

接地网计算及设计步骤流程图如图1所示。

1)对接地网安装所处区域进行地质勘测,测定区域内土质成分的电阻率。

2)根据接地网所处建筑物的占地面积选取合适的接地网占地范围和边缘长宽,并确定接地网用材、尺寸和埋深[2]。

3)根据接地网合理的设计数据进行接地网电阻计算,判定是否满足低于设计电阻值的要求,接地网电阻满足电阻值需求则进一步开展接地网细节设计,若不满足电阻值需求则进入复合接地网设计。

4)进行复合接地网设计时,在接地网边界范围均匀布置垂直接地极,根据经验先预设垂直接地极的用材、尺寸、埋深及数量。

5)根据预设参数计算垂直接地极电阻和复合接地网电阻值,判定是否满足低于设计电阻值的要求,复合接地网电阻值满足电阻值需求则进行接地网细节设计,若不满足电阻值需求则修正垂直接地极设计参数直至达标。

2低导电率地质区简单接地系统的阻值判定

对接地网安装所处区域进行地质勘测,根据低导电率地区特点建议钻测20 m深度范围内土质成分,主要采用IEEE Std 81中的wenner four—pin method温纳四针法[3]测量该地质电阻率P。对某铁路线穿越低导电率地质山脉中的所亭处地质进行测试,土质成分为砂质棕钙岩,气候常年干燥少雨,降水量低于50 mm,测得该地质电阻率P=396Ω.m,本工程咨询要求接地系统任意点测试电阻Rds<1Ω。

根据接地网所处建筑物的占地范围,接地网应覆盖所有设备房,由于地处低导电率地质区,范围应尽可能大[4];选取高等级的扁铜材质,进一步确定扁铜宽dms、接地网总长度L、接地网埋深h、接地网形状系数K。本工程接地网所处建筑物设计占地范围为11.8 m×67.2 m,考虑接地要求及地质条件,选取接地网最适用的高等级扁铜材质,进一步确定扁铜宽dms=50mm,接地网边缘长为62.5m、宽为10m,网格间距定为2.5m × 2.5m,接地网导体总长度L=572.5m,接地网埋深h=0.6m,接地网形状系数K=1.36,具体如表1所示。

根据以上测试及研究得出的各项参数,推导得出接地网电阻Rta计算方法为:

根据该地质条件及变电所设计范围内的各项实际数值,计算得出接地网电阻,与设计电阻限值Rds进行对比,判定是否满足低于设计电阻值的要求;如满足电阻值需求则进一步开展接地网细节设计,根据己计算出的接地电阻值大小判断接地网扁铜连接方式、接地网引出测试端等细节。

Rta=1.75 Ω>Rds

由于该简单接地网覆盖面积己达到最大标准,故判定其无法满足标准要求,需进入复合接地网设计步骤。

3复合接地网的设计与计算

如若简单接地网或接地极无法达到低导电率地质区域内接地网阻值要求,则需要进行复合接地网的设计与计算。

进入复合接地网设计步骤具体如下:在接地网边界范围均匀布置垂直接地极,间距为S,根据低导电率地质区经验,先预设接地极用材为高等级的实心铜棒以及接地极直径drd、接地极长度Lrd、接地极根数n,如遇土质为岩石类,接地极无法直埋,还需用钻孔机进行钻孔安装及回填[5],涉及接地极钻孔直径D、回填料电阻率ps等参数。本实施例垂直接地极间距为S=8 m,直径drd=20 mm,接地极长度Lrd=6m,接地极根数n=25;本实施例土质为砂质棕钙岩,接地极无法直埋,因此需用钻孔机进行钻孔安装及回填,考虑到钻孔难度、回填料直径过大会导致接地极综合电阻率增高等问题,选取接地极钻孔直径D=0.2 m,预设采用原土质搅碎后回填,回填料电阻率ps=1000Ω.m。具体初步参数如表2所示,复合接地网平面布置图如图2所示。

实际地质条件无法实现插入式直埋接地极,则需采用回填料包裹接地极的电阻计算方法,首先需计算出接地极本体计算系数krod和接地极孔填充料计算系数ks。

回填料包裹接地极的整体电阻为:
 
此条件下 ,复合接地网电阻值为:

预设条件的复合接地网电阻值仍不满足要求 ,因此需修正垂直接地极设计参数直至达标。采用控制变量法,保持原土质搅碎后回填料电阻率ps=1 000 Ω . m、接地极直径drd、接地极根数n等参数不变 ,第一步先改变接地极长度Lrd=12 m ,将计算式列入Excel表内 ,计算结果及示意图如表3、图3所示。

Rta-rod=0.995 5 Ω ,接近于Rds<1 Ω ,但考虑到设计值应保留一定的冗余 , 以确保在最终测试能达标 , 因此需继续优化变量。综合上述变量进行考虑 ,改变回填料类型是最经济直接有效的办法 , 因此选取电阻率极低的降阻砂进行回填 [6] ,其电阻率ps=1 000 Ω .m ,将计算式列入Excel表内 ,计算结果如表4、图4所示。

Rta-rod=0.67 Ω<Rds, 因此己达标。

4结束语

针对低导电率地质区铁路变电所接地网的综合设计与计算,本文形成了一套全面、适用的计算及设计方法,解决了低导电率地质区接地网设计复杂及功能易冗余的问题,降低了造价,提升了设计效率和效益。目前该项目已投入运行,阻值全面达标,各项设备参数整体运行效果良好。

[参考文献]

[1]靳卫俊,黄军荣,黄仕豪,等.高海拔特高压变电站接地网的优化设计[J].江西电力,2023,48(2):16-19.

[2]刘志元.基于ETAP的接地网全流程三维仿真技术研究及国际化应用[J].建筑电气,2023,42(12):23-26.

[3]郭继尧.IEEE标准接地网设计及计算示例[J].电力勘测设计,2024(2):56-60.

[4]唐径.变电站的静态接地网应用[J].电子技术,2023,52(8):417-419.

[5]黄燕蓉.110kV变电站接地网降阻方案分析[J].机电信息,2022(19):30-33.

[6]郑昊.高土壤电阻率地区220 kV变电站接地网优化设计[D].广州:华南理工大学,2022.

《机电信息》2025年第16期第6篇