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关于Kinsuka220kV变电站土壤电阻率分析及接地降阻措施孙东东

发表时间：2021/7/28 来源：《基层建设》2021年第14期作者：孙东东

[导读] “一带一路”项目：新建220kV Kinsuka变电站、2段220kV架空线路、30kV老Kinsuka变电站改造和其所属的配网工程。

        中机国能电力工程有限公司上海 200333
        摘要：“一带一路”项目：新建220kV Kinsuka变电站、2段220kV架空线路、30kV老Kinsuka变电站改造和其所属的配网工程。本文就新建220kV Kinsuka变电站土壤电阻率进行简要分析，并对高土壤电阻率变电站接地降阻措施进行分析。
        关键词：高土壤电阻率；对称四极电测深法；温纳等距四极法；接地电阻；降阻措施

        引言
        刚果（金）民主共和国Kinsuka 220 kV变电站及其配网工程进行岩土工程详细勘察。项目含新建220kV Kinsuka变电站、2段220kV架空线路（合计2.9公里）、30kV老Kinsuka变电站改造和其所属的配网。新的变电站连接宗戈水电站-金苏卡的输电线路，项目完成后将在很大程度上缓解金沙萨电力供应紧缺局面，为其发展经济，创造就业和改善民生提供动力。根据变电站区域勘察报告，该区域为属于高土壤电阻率，部分测点电阻率大于5000Ω·m。设计的主接地网接地电论要求不大于4Ω，这就要求我们必须采取措施将接地电阻值降到4Ω以下。
        1 电阻率及接地
        土壤电阻率作为土壤导电能力的一个重要指标，直接影响接地装置接地电阻的大小、地网点位分布、接触电压和跨步电压等。为了合理设计接地装置，必须对土壤电阻率进行实测。土壤电阻率与地层深度的变化规律是选择接地装置形式和尺寸的主要依据。电阻数值与土壤的结构、密实度、湿度及其含有的电解质有关。
        接地网对变电站的安全稳定运行有至关重要的作用：
        1）确保人身安全，降低对人身电击的危害，包括跨步电压和接触电压；
        2）降低对低压设备的冲击和对信息系统的干扰，比如：计算机、通讯设备等；
        3）承接接地故障短路电流。
        接地网设计关系到变电站的正常运行，也涉及到设备和人身安全。国家电力行业标准要求接地网的电阻值为R≤2000/I，这在高土壤电阻率地区难以达到上述规定值。
        2 变电站区域地质条件
        变电站位于刚果（金）民主共和国金沙萨市区西部，属下几内亚高原区，西北高东南低，刚果河环绕工程区北部和西部。新建220kV变电站内种植有木薯、生长杂草及零星树木，地形西北高东南低，表层土有少量人为活动，土壤保持相对原始结构。
        现将主要地层分述如下：
        ①1层耕土，灰黑色、灰色、灰黄色，以粉细砂、粉土为主，土质松散，干燥-稍湿。
        ②1层粉细砂夹粉土，土黄色、浅黄色，松散，稍湿，土质不均，夹粉土夹层，干强度低，无光泽，下部夹黑色条带粉细砂，底部夹风化碎石、石英颗粒。
        ②2层细中砂，土黄色、砖红色，稍密，稍湿-湿，夹小碎石、石英颗粒。
        ③1层全风化石英砂岩，紫色，密实，稍湿-湿，风化物以中砂为主，夹白色石英条带，夹土黄色粉细砂，含小碎石、石英颗粒。
        ③2层中风化石英砂岩，紫色，岩芯较完整，细-中粒结构，层状构造，层理不明显，节理稀少，可见石英颗粒、卵石。
        3 土壤电阻率测试方法
        土壤电阻率的测试方法很多，本次测试采用对称四极电测深法及温纳等距四极法两种方式测试。通过实践检验该法测试准确性完全满足工程计算要求，而且操作简单，所需仪表设备少。现场装置如下图所示。图中A、B为供电电极，M、N为测量电极，它们都对称于装置中心点O。记录点和装置的中心点重合。

对称四极电测深现场装置示意图
按下述公式计算装置系数K及视电阻率s：

        式中：I为电流，UMN为测量电极间电压。
        根据具体工作的要求，设计供电极距AB/2及相应测量极距MN/2的变化序列，如下表所示：
        表1 对称四极电测深法供电极距AB/2及相应测量极距MN/2变化序列

AB/2（m）	1.5	2.5	4.0	6.0	9.0	15.0	25.0	40.0
MN/2（m）	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	1.5	2.5	4.0

表2 温纳等距四极法供电极距AB/2及相应测量极距MN/2变化序列

AB/2（m）	1.5	3.0	6.0	9.0	15.0	21.0	30.0	45.0
MN/2（m）	0.5	1.0	2.0	3.0	5.0	7.0	10.0	15.0

        每改变一次供电极距，测量一次UMN及I，计算相应的K值及视电阻率值s，绘制每个测点的s与AB/2的关系曲线（即电测深原始曲线）。
        对每个测点的电测深原始曲线，结合地层情况，分析其曲线形态，大致确定地层电性分层参数，将其作为计算机自动拟合程序的初值输入，进行拟合，得出地层的电性分层，同时打印原始及拟合曲线。最后综合拟合结果，给出各测试地点地层的电性分层。
        4 数据分析
        Kinsuka变电站区域内采用网格布置测点，测点间距约20m，各测点数据汇总如下表所示：

表3 各测点数据汇总表

序号	测点编号	第一电性层		第二电性层		第三电性层		第四电性层		第五电性层
		电阻率（W×m）	厚度（m）	电阻率（W×m）	厚度（m）	电阻率（W×m）	厚度（m）	电阻率（W×m）	厚度（m）	电阻率（W×m）
1	zk6	2971.0	2.9	4492.0	5.4	1594.0
2	zk7	4860.0	2.5	2537.0	9.6	1476.0
3	zk8	4558.0	2.0	1893.0	24.6	59.0
4	zk9	7164.0	0.9	1769.0	5.1	4591.0	1.2	486.0
5	zk10	1915.0	0.5	22521.0	0.4	3024	6.0	847.0
6	zk11	6097.0	1.8	3159.0	6.4	917.0
7	zk12	5563.0	0.8	625.0	0.5	2318.0	4.7	1159
8	zk13	5625.0	0.9	1101.0	0.9	7373.0	2.2	238.0	2.3	1146.0
9	zk14	617.0	0.5	2369.0	0.8	244.0	2.0	7725.0	4.2	20.0
10	zk15	2527.0	8.5	232.0	5.1	1410.0
11	zk16	3709.0	0.9	2035.0	1.2	5663.0	1.7	1615.0	23.7	50.0
12	zk17	1999.0	1.0	2458.0	7.8	224.0	9.3	27060.0
13	zk23	2118.0	5.9	1335.0	1.9	650.0	6.8	819.0
14	zk24	4974.0	0.7	1930.0	7.7	350.0	6.2	1132.0
15	zk25	2432.0	1.3	1142.0	1.0	2902.0	5.6	1105.0
16	zk26	5596.0	1.2	1049.0	1.5	6155.0	1.9	1055.0
17	zk27	775.0	2.9	8794.0	2.2	771.0
18	zk28	3565.0	1.1	1028.0	1.9	5657.0	3.3	795.0
19	zk29	975.0	0.9	2525.0	19.2	405.0
20	Zk30	5412.0	0.6	2001.0	5.78	770.0

        典型电测深实测数据及拟合曲线如下图所示：

        本次测试过程中，时刻关注测量电压与测量电流，确保测量电压与测量电流始终保持在较高的水平。测量电压大于几十毫伏，测量电流大于几十毫安。当测量电阻率值较高时，采用温纳等距对称四极装置对比测量，即AM=MN=NB，该装置形式具有良好的分辨能力，得到的数据曲线会更加圆滑，对测点的电性反演分层结果也有一定影响，可较好的反应测点处的地下综合电性特征。经过两种方法的对比测试，结果显示两种方式测试结果无异，从而得出该区域属于高土壤电阻率区域。
        由汇总表及拟合曲线图可以看出，表层土壤电阻率相对较高，随土层深度加深呈现出减小趋势。
        该测试若统一取值，可取值如下：（起始高度以现有自然地面为准）
        深度（m）        电阻率取值（Ω·m）
        0～1.5                    3500
        1.5～6.0                  2500
        6.0～15.0                 1000
        5 接地降阻措施及分析
        为使Kinsuka 220 kV变电站主接地网的接地电阻满足规范要求，通过与建设、设计、施工单位进行技术交流，得出以下降阻措施并进行可行性及经济技术比较，选用最优的降阻措施。
        （1）接地极外引
        在变电站附近寻找较低土壤电阻率的区域，可铺设外引接地极，以降低变电站的接地电阻。经过对变电站周边进行仔细的勘探，测试出变电站四周土壤电阻率沿水平方向上的分布，最终确定变电站西侧低洼区域土壤电阻率较低，适合外引接地。
        （2）深井接地极
        根据Kinsuka 220 kV变电站区域内电阻率报告显示土壤电阻率随深度的加深，电阻率逐渐降低，故该区域可考虑采用井式接地极。该法是在变电站四周打若干口深井与接地网形成一个综合的立体接地网，从而降低接地电阻。深井位置宜选在水资源丰富或地下水位较高的地方，深井接地极间距宜大于20m，可不计相互屏蔽的影响。该方法可减少占地，接地装置受气候影响较小，并且其布置在变电站区域内部，不影响周边地区的生活建设发展。
        （3）水下接地网
        首先充分利用水工建筑物如水池等以及其他与水接触的金属部分作为自然接地体。在水下钢筋混凝土结构物内绑扎成的许多钢筋网中，选择纵横交叉点加以电焊并与地网连接。当水工建筑物作为自然接地体仍不能满足要求时，应优先在就近的水中（例如变电站东侧水井，北侧刚果河）敷设外接地装置。水中接地极应选流速不大处或静水中并妥善固定。在静水中可用大石块压住，动水中则需要铆钉固定。
        （4）混凝土接地体降阻
        混凝土接地体中掺入铁屑、石墨，现场浇灌成圆柱体，埋入地中作为接地体。为增强混凝土接地体的强度并便于引接地线，接地体中预埋一根镀锌钢管。混凝土接地体除了能够降低接地电阻外，不存在雨水流失而影响降阻效果，接地电阻值基本稳定。
        （6）综合降阻措施
        本工程采取一种降阻措施并不能把接地电阻降到规范和设计要求的范围时，则需要利用多种降阻措施进行降阻，例如采用外延接地加降阻剂法、深井加降阻剂法等。采用综合降阻措施时，应首先分析计算出单一的降阻措施的降阻效果，再决定采用复合补充措施。
        综合分析以上几种降阻方法，若采用接地极外引措施时，经过计算仍不能满足规范和设计要求值；若采用深井接地极，根据变电站区域勘察资料及周边环境资料，站区内6m一下为砂岩，施工成本高，且本地区无钻井设备，故无法采用深井降阻措施；若采用水下接地极，将接地极引入变电站东侧水井或北侧刚果河，则需穿越居民区，经建设单位沟通后无法采取该措施；经过论证，本工程拟采取外引接地极至西侧低洼区域和降阻剂并用的综合降阻措施。
        6 结论及建议
        以工程经验判断，杂草茂盛，雨水充沛地区土壤电阻率相对较低，而该区域土壤电阻率均为高电阻，实为少见。因此各工程应以现场实测数据为准，切忌以工程经验做出判断，从而造成成本浪费或埋藏隐患。
        对一个具体接地工程采取何种降阻措施，首先应计算出接地电阻的目标值，在对接地装置所在现场的地形进行详细勘察，特别要测试出土壤电阻率在水平和垂直方向上的分布。寻找现场有无可以利用的自然接地体，找出有利于降阻的最佳条件，然后进行方案可行分析、措施对比、计算，在确保安全的情况下争取最少的投资从而取得最佳的降阻效果。
        参考文献：
        [1]国家能源局.电力工程物探技术规程：DL/T5159-2012.北京：中国计划出版社，2012。
        [2]刘继涛.建设Kinsuka 220 kV变电站及其配网项目岩土工程勘察报告.上海：中机国能电力工程有限公司，2020。