CN1237811A - 在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高电压工程领域，采用土壤地质结构分析、接地系统设计以及爆破接地施工方法；对垂直接地极进行爆破接地施工，产生爆破裂纹，将低电阻率材料压入深孔及爆破缝隙及岩石节理裂纹中，通过低电阻率材料将地下巨大范围的土壤内部沟通及加强接地极与岩土接触，利用地下低电阻率层及岩石节理裂纹。本发明可有效地降低在场地面积狭小及土壤电阻率高等地区的发变电站的接地电阻，保证电力系统的安全、可靠运行。具有科学、经济、高效等优点。

Description

在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的方法

本发明属于高电压工程技术领域，特别涉及在高土壤电阻率地区科学有效地降低发变电站接地系统的接地电阻的爆破接地技术，适用于降低所有新建发变电站的接地电阻及旧地网接地改造工程；也适用于输电线路杆塔接地装置的降阻施工；以及用于楼宇、通信系统等降低接地电阻的工程。

发变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。调查表明，我国曾发生多起由于接地系统的接地电阻未达到要求所导致的事故或事故的扩大。这种事故不仅经济损失巨大：根据统计，每发生一次事故的直接经济损失都在几百到数千万元，而且对于人们社会造成更严重的间接经济损失。

近年来，由于电力系统容量的迅速扩大，入地短路电流大幅升高，为了保证电力系统的安全、可靠运行，更加要求降低接地电阻值。然而与此对立的一个矛盾是近年新建的变电站不再象以前处在良田中，一般都建在山包或其它土壤电阻率较高的地区。

另外，在市区内的变电站已经逐渐向全封闭变电站(GIS)发展，GIS的占地面积很小，如何使较小面积的市区变电站的接地电阻达到要求，也是迫切需要解决的问题。

目前电力部门一般采用的降阻方法主要还是扩大地网面积及采用低电阻率材料，即在地网二维平面上作文章，往往收效甚微。采用扩大变电站地网面积的方法不但技术经济上不合理，同时也难于找到合适的地皮；采用引外接地的条件是必须能在主接地网附近找到电阻率相对较低的区域；增加埋深的降阻效果不大；使用自然接地体一般只适合于水电站；局部换土这种方法虽然有效但耗资巨大，无法采用。深井接地不受气候、季节条件影响，还可克服场地窄小的缺点，但是单独一根垂直极的降阻效果也不佳，另外缺乏科学的设计，导致无法保证其降阻效果。

目前我国的接地设计主要还停留在均匀土壤条件下的水平网设计，且主要是经验设计，导致设计值与测量值相差甚远，不注重了解和利用土壤分层结构。引入垂直极后，如何考虑多层不均匀土壤下的三维接地系统的设计在我国目前基本上是不可能的。因此由于缺乏有效的科学的设计手段，过去也有人采用爆破法进行垂直接地极的施工，但降阻效果无法得到保证，有时有效，而有时无效，无法将其应用于实际接地工程。

传统的降阻方法很难达到理想的降阻效果。而接地电阻没有达到要求将可能导致电力系统接地事故或导致接地事故的扩大，危及电气设备和人身安全。造成巨大的直接经济损失和间接经济损失。因此如何在这些地质条件差、面积有限、土壤电阻率较高地区经济有效地降低接地电阻，提高电力系统运行的安全可靠性，就成为电力部门一大技术难题。

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的有效方法，通过土壤地质结构分析方法、接地系统设计方法以及爆破接地施工方法，有效地降低在场地面积狭小及土壤电阻率高等地区的发变电站的接地电阻，保证电力系统的安全、可靠运行。具有科学、经济、高效等优点。

本发明提出一种在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻十分有效的新方法。其特征在于，包括土壤地质结构分析方法、接地系统设计方法以及爆破接地施工方法；所说的土壤地质结构分析方法是指通过测量发变电站所处位置的土壤电阻率，采用基于电磁场理论和非线性优化理论的土壤结构分层参数分析软件对测量数据进行分析处理，得到土壤分层结构；所说的接地系统设计方法是指根据分层结构，采用多层土壤结构中接地系统电气参数分析商用软件进行仿真计算，得到垂直接地极的深度和布置位置的接地系统设计方案；所说的爆破接地施工方法是指根据接地系统设计方案对垂直接地极进行施工，沿孔布置炸药将孔周围的岩土炸松，产生爆破裂纹，将低电阻率材料压入深孔及爆破缝隙中，通过低电阻率材料将地下巨大范围的土壤内部沟通及加强接地极与岩土接触，形成地下低电阻率层及岩石节理裂纹，以较大幅度降低接地电阻。

本发明所说的爆破接地技术施工方法是指根据接地系统设计方案，先在垂直接地极的设计位置处垂直钻深孔，孔的直径和深度由设计得到；在孔中插入接地电极，然后沿孔的整个深度隔一定距离安放一定的炸药，炸药装好后，孔内注满水，将孔的上部堵上，进行爆破，将岩石爆裂、爆松；用压力机将调成浆状的低电阻率材料压入深孔中及爆破制裂产生的缝隙、以及岩石的节理裂纹中，将巨大范围内的岩土改性。所说的炸药包的之间一般间隔为0.2～1.0m的距离，每孔的炸药用量一般在4～20kg之间。

本发明所述的方法具体可包括如下步骤；

1)首先采用温纳四极法测量需要降低接地电阻的发变电站所处位置的土壤电阻率随极间距变化的数据；

2)将测量数据输入土壤结构分层参数分析软件，对测量数据进行分析处理，得到发变电站所处位置的土壤的分层结构；

3)根据步骤2)得到的土壤分层结构参数，考虑旧地网的实际结构或将建发变电站的实际面积，采用多层土壤结构中接地系统电气参数分析商用软件进行仿真计算，得到采用爆破接地技术的垂直接地极的深度和布置位置，确定接地系统的设计方案；

4)根据设计方案进行施工，垂直接地极施工时采用爆破接地技术，先采用钻孔机在垂直接地极的设计位置钻孔，在孔中插入接地电极，然后沿孔的整个深度隔1～10m安放炸药，炸药装好后，孔内注满水，将孔的上部堵上，进行爆破，将岩石爆裂、爆松；

5)用压力机将调成浆状的低电阻率材料压入深孔中及爆破制裂产生的缝隙中，以及岩石的节理裂纹中。

发变电站接地系统的接地电阻为电流经接地系统散流时土壤的散流电阻，接地系统周围的土壤的散流电阻占了接地电阻的大部分。本发明提出的一种十分有效地改善接地系统周围土壤散流性能的方法，即降低高土壤电阻率地区发变电站接地电阻的爆破接地技术，通过采用基于电磁场理论和现代计算方法的土壤结构分层技术、采用基于复镜象法的多层土壤结构的接地系统参数分析系统进行科学系统的设计，采用基于爆破力学理论的科学的现场施工方法，达到有效地降低高土壤电阻率地区发变电站接地电阻的目的。

在发、变电站接地系统分析设计中，接地导体均埋设在地下以利用其散流特性达到降低接地电阻。在导体材料、电气性能参数、接地系统的拓扑结构及埋深已知的情况下，接地电阻、接触电压、跨步电压等接地系统参数的估计都与导体所处土壤状况密不可分。进行接地系统数值分析的关键在于获取土壤分层结构模型。

本发明土壤结构分层参数分析软件的基本原理是：

通过理论分析，从求解拉普拉斯方程：

²U=0入手，利用分界面z=H₁处的边界条件：

可以得到点电流源在地表面(z=0)任意点的电位： $U_1(r,0)={\∫}_0^{\∝}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{1}I}{2\mathrm{\π}}(1+2B\left(m\right)]J_0\left(\mathrm{mr}\right)\mathrm{dm}$ 其中B(m)为核函数。

在推导出点电流源在多层土壤条件下的地表电位分布公式的基础上。利用测量土壤电阻率的温纳(Wenner)方法的定义，得到用Wenner方法测量的视在电阻率随极间距变化的曲线与极间距的关系。如n=2时，可以得到视在电阳率为： ${\mathrm{\ρ}}_0\left(a\right)=2{\mathrm{\ρ}}_1[\frac{1}{a}+2\underset{n=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k_1^n}{\sqrt{a^2+{\left(2n{h}_1\right)}^2}}-\frac{1}{2a}-2\underset{n=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k_1^n}{\sqrt{{4a}^2+{\left(2n{h}_1\right)}^2}}]$ $k_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_1}$

对于n层土壤结构，在已知自变量a和视在电阻关系曲线以后，共需确定2n-1个待定参数。为了得到这些参数，先定义如下函数： $\mathrm{\ζ}\left(X\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{f(X,a_k)-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ak}}\left(a_k\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ak}}\left(a_k\right)}\right)}^2$ 其中X=[ρ₁,,h₁,…,ρ_i,h_i,…,ρ_n-1,h_n-1,ρ_n]，为待求土壤参数，ρ_ak(a_k)是当测量极间距为a_k时用Wenner方法测量得到的视在电阻率；M为总测量点数。

在定义上述函数后，问题就转化为在空间域S上寻找ρ₁,h₁,…ρ_i,h_i,…,ρ_n-1,h_n-1,ρ_n，使得上述函数能够取极小值。即上述求未知参数问题就转化为求非线性极值问题。

选择以Gauss-Newton法为主，结合Marquardt方法进行计算。通过认真分析各种典型土壤情况，利用理论分析与仿真计算的结果，不断总结初值及边界条件的选择规律；又在计算过程中根据优化结果，判断优化误差及边界条件，自动修正初值，使计算取得比较满意的结果。

对于多层土壤结构，目前国际上比较成熟用于接地系统设计的接地系统电气参数分析商用软件是加拿大SES公司的CDEGS软件包，在本发明的接地系统设计中采用该软件进行设计，确保接地系统设计的可靠性。

接地系统科学设计的具体实现步骤为：

1)在已知该地区土壤分层结构参数的情况下，结合工程初步设计，利用常规方案，对接地电阻值进行估算。

2)参照以上估算结果，结合以有的工程设计资料数据，结合工程实际，提出推荐的设计方案。

为了经济有效地降低接地电阻，主要采用爆破接地技术进行垂直接地极的施工。试验测得一般爆破制裂产生的的裂纹可达2～30m远，通过开挖发现，最长的裂隙达到40m远。单根垂直接地极采用爆破接地技术之后形成的低电阻率区域如图1所示，2为垂直接地极，3为填充了低电阻率材料的爆破裂纹，4为填充了低电阻率材料的岩土节理裂纹。对于发变电站接地网，在地网不同位置用钻孔机垂直钻一定深度的孔，形成若干根垂直接地极，然后对每根垂直接地极分别采用爆破接地技术，最后形成一个一定尺寸的三维接地系统，如图2所示，图中1为水平接地网。在这个三维接地系统内，水平接地网与垂直接地体连接，垂直接地体之间在通过使用爆破接地技术后，通过填充了低电阻率材料的裂隙广泛沟通，形成由低电阻率材料组成的连接体，另外通过填充了低电阻率材料的裂隙向外延伸很远，形成一个内部互联同时向外延伸的三维的网状结构。在接地系统施工，特别是旧地网改造时，爆破不触及距离地表2～5m的距离，防止对已有接地网、地面建筑物造成影响。

爆破后岩孔周围的岩石呈两种状况，在孔周围较近的地方，岩石破裂的裂纹较多，距孔较远的地方裂纹较少。通过爆破制裂一方面产生大量的裂纹，另一方面，产生的裂纹将岩石固有的节理裂纹贯通。

爆破接地技术降低接地电阻的基本原理是：

(1)深孔垂直接地体接地体可以利用地下电阻率较低的土壤层，以及利用地下水层及金属矿物质层来改善散流。

(2)采用压力灌地电阻率材料，浆状的地电阻率材料可以很好地与接地体及各种类型的土壤及岩石形成良好的接触，从而收到降低接触电阻的效果。

(3)采用爆破接地技术施工后产生的爆破裂纹在较大范围内增加了土壤的散流能力，从而降低了土壤的散流电阻。

(4)通过爆破制裂形成的裂隙可以将岩石中固有的节理裂隙贯通，压力灌低电阻率材料形成一个低电阻率通道，贯通的固有裂隙可能通向较远的土壤中，与土壤中低电阻率区域相联。

(5)在压力灌低电阻率材料后形成的填充了降阻剂的通道，它有利于电流通过裂隙中的降阻剂散流到外部岩层，也可能通过裂隙散流到电阻率较低或有地下水及金属矿物质的地层，从而有利于接地体或接地网的散流。

采用爆破接地技术的垂直接地极可以采用圆柱形接地极来模拟计算，不同风化情况下采用爆破接地技术的垂直接地极的半径如表1所示，这是通过爆破力学分析得到的结果，真正将爆破接地技术纳入接地系统科学设计轨道。

                     表1本发明采用爆破力学理论分析

                得到的不同地质情况下的爆破等效计算半径

风化程度	钻孔直径为10cm时的裂缝范围(m)	钻孔直径为10cm时的等效计算半径(m)
			无风化	0.5-1.0	0.25～0.5
弱风化	1.0-9.9	0.5～6.1
			中风化	9.9-20.5	6.1～13.5
强风化	20.5-42.6	13.5～28.1

本发明的土壤分层分析软件的分析结果与实际结果十分接近，优于国际上最优秀的接地分析软件CEDGS。对实际测量值分析得到的分层结构也与地质钻探的土壤分层结构非常接近。采用本发明的分析步骤设计的发变电站的接地电阻设计值与现场施工完成后的实测结果之间的误差在10％以内。

本发明所述方法以进行土壤地质结构分析技术为基础，以接地系统科学设计为指导，采用先进的爆破接地技术对垂直接地极进行施工，沿孔布置炸药将孔周围的岩土炸松，产生爆破裂纹，将低电阻率材料压入深孔及爆破缝隙中，以达到通过低电阻率材料将地下巨大范围的土壤内部沟通及加强接地极与岩土接触，利用地下低电阻率层及岩石节理裂纹，较大幅度降低接地电阻的目的。使接地电阻达到规程要求的安全值，有效地防止接地故障，具有更高的供电可靠性。本发明具有广阔的的应用前景和巨大的应用市场，将产生巨大的社会效益。

本发明适用于降低所有新建发变电站的接地电阻及旧地网接地改造工程；也适用于输电线路杆塔接地装置的降阻施工；以及用于楼宇、通信系统等降低接地电阻的工程。

附图简要说明：

图1为采用本发明的单根垂直接地体形成的填充了低电阻率材料的区域示意图。

图2为采用本发明后发变电站地网形成的三维网状结构接地体示意图。

图3为本方法采用的Wenner四极法测量土壤电阻率接线图。

图4为本发明实施例的视在电阻率曲线图。

图5为本发明实施例的接地系统结构示意图。

本发明的一种实施例结合图3-图5说明如下：

本实施例为某220kV变电站的地网改造方案。该地网施工完成后接地电阻为0.98Ω，不符合规程要求。需要进行地网改造。了解接地装置所处地区的土壤地质结构是进行接地系统科学分析和设计的基础。采用如图3所示的Wenner法进行视在接地电阻率的测量，图中，7为电源，8为电流表，9为电压表，10为金属电极，a为测量极间距。测量得到的视在电阻率随极间距a变化的曲线如图4所示。采用土壤分层分析软件分析得到的土壤分层情况表2所示。

                     表2本发明实施例的的土壤分层结构

	分层厚度(m)	真实电阻率(Ωm)
			顶层	0.32	19.124
中间层	2.4	41.72
			中间层	4.62	522.29
底层	∝	572.99

采用接地系统电气参数分析软件分析各种可能的设计方案。

根据站址附近地形条件及站内设备、厂房的基本布置。原地网水平占地面积约为130×120m²。通过采用多层土壤结构中接地系统电气参数分析商用软件进行分析比较，本实施例最终的地网结构如图5所示，5为采用爆破接地技术施工的垂直接地极，6为原接地网。采用爆破接地技术施工的垂直接地极为21根。

采用爆破接地技术进行垂直接地极的施工，采用钻孔机在设计方案确定的垂直接地极的位置钻10cm直径、50m深度的孔，在孔中插入接地电极，然后沿孔的整个深度隔一定距离安放一定的塑料炸药，一般每孔炸药用量为5～10kg。炸药深入到孔底，沿孔底依次向上排列，每一小包炸药之间间隔0.2～1.0m的距离，炸药最好是固定在孔内的接地电极上，并加导爆索通到孔底。炸药装好后，孔内注满水，以水作为介质来传导震动波，以达到震裂岩石，又不致于爆炸力过于集中，炸塌孔壁的目的。由于爆炸的最小抵抗线是沿轴向方向，爆炸时水从孔内射向外面，所以应做适当的封孔处理，可以用塞紧木块等来增加最小抵抗线。一次爆破制裂后，岩石中产生的裂纹一般比较短，不能满足制裂的需要。一般需要进行3～5次爆破制裂，这样产生的裂纹比较理想。模拟计算得到的整个接地系统的接地电阻为0.41Ω，而施工完成后接地电阻的测量结果为0.40Ω，二者非常接近，做到了精确设计。

Claims (4)

1．一种在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的方法，其特征在于，包括土壤地质结构分析方法、接地系统设计方法以及爆破接地施工方法；所说的土壤地质结构分析方法是指通过测量发变电站所处位置的土壤电阻率，采用基于电磁场理论和非线性优化理论的土壤结构分层参数分析软件对测量数据进行分析处理，得到土壤分层结构；所说的接地系统设计方法是指根据分层结构，采用多层土壤结构中接地系统电气参数分析商用软件进行仿真计算，得到垂直接地极的深度和布置位置的接地系统设计方案：所说的爆破接地施工方法是指根据接地系统设计方案对垂直接地极进行施工，沿孔布置炸药将孔周围的岩土炸松，产生爆破裂纹，将低电阻率材料压入深孔及爆破缝隙中，通过低电阻率材料将地下巨大范围的土壤内部沟通及加强接地极与岩土接触，形成地下低电阻率层及岩石节理裂纹，以较大幅度降低接地电阻。

2．如权利要求1所说的一种在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的方法，其特征在于，所说的爆破接地施工方法具体包括：先在垂直接地极的设计位置处按设计要求的孔的直径和深度垂直钻孔，在孔中插入接地电极，然后沿孔的整个深度隔一定距离安放一定的炸药，炸药装好后，孔内注满水，将孔的上部堵上，进行爆破，将岩石爆裂、爆松；用压力机将调成浆状的低电阻率材料压入深孔中及爆破制裂产生的缝隙、以及岩石的节理裂纹中，将巨大范围内的岩土改性。

3．如权利要求2所说的在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的方法，其特征在于，所说的炸药包的之间间隔为0.2～1.0m的距离，每孔的炸药用量在4～20kg之间。

4．如权利要求1所述的在高土壤电阻率地区降低发变电站接地电阻的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)首先采用温纳四极法测量需要降低接地电阻的发变电站所处位置的土壤电阻率随极间距变化的数据；

(2)将测量数据输入土壤结构分层参数分析软件，对测量数据进行分析处理，得到发变电站所处位置的土壤的分层结构；

(3)根据步骤2)得到的土壤分层结构参数，参考旧地网的实际结构或将建发变电站的实际面积，采用多层土壤结构中接地系统电气参数分析商用软件进行仿真计算，得到采用爆破接地技术的垂直接地极的深度和布置位置，确定接地系统的设计方案；

(4)根据设计方案进行施工，垂直接地极施工时采用爆破接地技术，先采用钻孔机在垂直接地极的设计位置钻孔，在孔中插入接地电极，然后沿孔的整个深度隔一定距离安放炸药，炸药装好后，孔内注满水，将孔的上部堵上，进行爆破，将岩石爆裂、爆松；

(5)用压力机将调成浆状的低电阻率材料压入深孔中及爆破制裂产生的缝隙中，以及岩石的节理裂纹中。

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