內容摘要： 本文結合上標水電廠接地網的降阻改造工程的成功經驗，介紹了各種降阻方法，并著重介紹了接地模塊和降阻劑的降阻方式，詳細介紹了電廠接地網改造的計算分析和采用多種方式共同降阻的具體實施。通過改造使接地電阻由原來的3.6Ω降到了1.53Ω，通過分析認為繼續降阻將極不經濟，在驗算跨步電壓和接觸電壓滿足要求的情況下，完成了降阻改造工作。最后根據整個工程的經驗總結了發電廠特定現場環境下接地網降阻的的經驗和想法，提出了對接地網降阻的一些新的認識，認為降阻工作因因地制宜，根據現場條件確定最佳方案才能取得最好的效果。
關鍵詞：水電廠 接地網 降阻
引言
隨著電網容量的增加及設備對防雷要求的不斷提高，接地網在電力系統中的作用越來越被重視。近年來，很多電力企業都投入較大的資金和技術力量改造接地網，降低接地電阻。但由于接地系統受客觀條件限制，且接地電阻影響因素較多，其接地系統建設改造并非能完全達到預期要求，往往有很多投入巨大財力物力，但收效甚微。特別是發電企業，因地處偏遠、山地，土壤電阻率較高，接地電阻往往高于設計要求，而改造成本高，收效不明顯，成為影響安全生產的一大難題。本文結合上標水力發電廠接地改造的經驗，特別是其中采用的接地模塊和多種降阻方式相結合的方法，值得進一步研究，有一定的推廣意義。
1、上標水電廠的接地網介紹
1.1 基本介紹：
上標水力發電廠位于浙江省麗水市景寧畬族自治縣境內，是標溪流域開發的第一期工程。電站裝機2*8000kw，經110kv升壓站送入電網，由于土壤電阻率偏高其接地電阻嚴重超標，雖經過改造但接地電阻仍然高于規程規定的標準值。該電站的環境和現有接地電阻測試情況如下：電站地處多雷山區，四面環山，西北面有一山坳空地埋設了接地網，整個水電廠所處地表面為砂石，底下為花崗巖。整個地網面積約10000m2，結構為水平地網，包括引水鋼管都已并入地網，平均土壤電阻率大約為1200Ω·m，地網以不等格水平接地體為主，先后幾次用不同的方法對地網進行了測量，接地電阻均大于2Ω。最近一次測試于2005年7月8日，測試環境為：天氣晴、氣溫38℃、連續10天未下雨，測試由廠設備部與中科訊公司一起對廠區內用于改造區域的土壤電阻率作了測試，分別采用10、20、30米的間隔布置四點法測量，得到1830Ω·m、1640Ω·m和1470Ω·m的土壤電阻率;并在2個方向對廠內現有地網接地電阻進行測量，測量采用大電流延長線法，電流極400米，電壓極200米，往空地方向是4.5Ω,往廠門口方向3.6Ω，遠高于規范要求的標準值。
1.2 改造目標
上標電廠全廠共用一套接地系統，特別是隨著電網容量的增加，電廠監控自動化設備的不斷增加，接地電阻偏大成為電廠安全生產的一個嚴重隱患。特別是電廠接地網敷設超過15年，腐蝕較嚴重，且近年又發生因反擊燒壞模塊的事故。電廠方決定全面改造建設接地網，保證滿足電網規劃發展范圍內的地網的安全要求。根據規范要求提出接地網的改造目標：
1.2.1接地電阻應達到R≤2000/I=2000/2000=1Ω
1.2.2地面跨步電壓(站內)：Ek=(174+0.7ρ)/t1/2=1873.8V
外延部分： Ek=(174+0.7ρ)/t1/2=1040.5V
(式中t接地短路電流持續時間，按2次電擊考慮，取0.7 秒;ρ地面土壤電阻率站內取2000Ω·m，外延取1000Ω·m)
1.2.3設備接觸電壓Ej=(174+0.17ρ)/t1/2=611.9V
(式中t接地短路電流持續時間，按2次電擊考慮，取0.7 秒;ρ地面土壤電阻率站內取2000Ω·m)
1.2.4設備接地引下線及地網主干線必須滿足4KA短路電流、后備保護2S的熱穩定要求。
1.2.5設計壽命：大于30年
1.2.6改造目標：采用現代科技手段，對上標一級電站接地網實施降阻，使其工頻接地電阻值降到1Ω及1Ω以下。接觸電勢，跨步電壓滿足安全要求。
2、上標水電廠接地網降阻改造
2.1 設計思路
在工程中采用過的降阻措施很多，如利用地質鉆孔埋設長接地極、局部換土、使用降阻劑、利用地下水的降阻作用、深井或超深井接地、引外接地、擴大接地網面積、深孔爆破接地技術以及使用低電阻模塊等。針對這些降阻措施的使用條件、降阻效果以及存在的問題分別作具體分析：
2.1.1 利用地質鉆孔埋設長接地極
根據接地理論分析，接地網邊緣設置長接地極能加強邊緣接地體的散流效果，可以起到降低接地電阻和穩定電網電位的作用。如果用打深井來裝設接地極，則施工費很高，如利用地質勘察鉆孔埋設長接地極，施工費用將大大節省。但需要注意：利用地網邊緣的地質鉆孔;間距不小于接地極長的兩倍;鉆孔要伸入地下含水層方可利用，實測數據表明，未插入到含水層的長接地極降阻效果差。
2.1.2 局部換土
用換土的方法來降低高土壤電阻率區接地網接地電阻，這是大家公認的有效措施之一。用電阻率較低的土壤替換電阻率高的土壤。這種方式較常見，用的也比較多，當接地網面積大時，要對整個所區實施換土是不可能的。通常采用局部換土，只對水平接地帶和垂直接地極的全部或部分實施換土。
2.1.3 使用降阻劑
在高土壤電阻率區的接地網施工中使用降阻劑，無論是變電和發電工程例子都很多。20世紀的70年代到80年代，使用較多的是膨潤土降阻劑和碳基類降阻劑。據了解，多個使用降阻劑的工程，接地完工后測量接地電阻情況都不錯，但由于缺乏長期的跟蹤監測，對降阻劑性能的長久性和對接地極材料的腐蝕性的信息量返回少。確實有部分質量差的降阻劑，降阻效果不能長久，對接地網造成腐蝕，引起各地對降阻劑使用意見分歧。
2.1.4 利用地下水的降阻作用
利用站(廠)區地下水和地下含水層來降低接地電阻是非常經濟有效的措施。但工程投入較大，且地質影響大，不確定因素多。
2.1.5 深井接地
采用深井或超深井(井深超過100m)接地來降低接地電阻，在西南地區雖然有多個工程，但每口井的施工費用超過10萬，而且效果的預見性差，應用并不普遍。實踐證明，在地下有含水層時，深井或超深井接地，是十分有效的降阻措施。在實施之前，應進行地質勘察，同時，要與其它措施作經濟技術比較，特別要避免打井無效造成的浪費。
2.1.6 引外接地
當附近有低土壤電阻率區(水塘、水田、水洼地等)，可以敷設輔助接地網與站內主接地網連接，這種方式叫引外接地。這也是降低接地電阻的有效措施。據了解，引外接地在國內應用比較多。引外接地需注意：距離不能太遠，接地體要深埋，要作好安全保護措施，防止因跨步電位差引起人員和牲畜的觸電事故發生，必須保證引外接地的安全性。
2.1.7 擴大接地面積
我們知道，在均勻分步的土壤電阻率條件下，接地電阻與接地網面積的平方成反比，接地網面積增大，則接地電阻減小，因此，利用擴大接地網面積來降低接地電阻是可以預見的有效降阻措施。但是工程受條件限制。
2.1.8 深孔爆破接地技術
爆破接地技術是最新的科研成果。具體方法是：在地中垂直鉆30m～120m的深孔，被插入接地電極，然后沿孔的整個深度，隔一定的距離。放置定量的這樣實施爆破，將巖石爆裂爆松，然后將調成糊狀的低電阻材料，用壓力機壓入深孔中的縫隙，從而達到通過低電阻率材料將地下大范圍的巖石內部溝通，加強接地極與巖土的接觸，達到降低接地電阻的目的。但由于不同地質條件下爆破裂縫的等效計算半徑不一樣，不同地區應用需進行試驗，才能確定炸藥用量和爆破制裂的規律。對施工技術經驗要求較高。
2.1.9 低電阻模塊
低電阻模塊是近年新興的一種接地技術。低電阻接地模塊簡稱“接地寶”,是一種以非金屬材料為主體的接地體,它由導電性、穩定性較好的非金屬礦物和電解物質組成, 之所以能獲得低接地電阻的基本原因是在相同的外形尺寸,比較金屬材料成倍地增大接地體和土壤層之間的接觸面積,從而增大了接地體本身的散流面積;減少了按地體和土壤之間的接觸電阻;本身具有很強的吸濕性和保 濕性,充分發揮了接地體中電解物質的導電作用，在高土壤電阻率高山地區應用廣泛。
上標水電廠所處的土壤電阻率為800Ω·m～1800Ω·m之間，屬高土壤電阻率地區，現場地勢狹窄，傳統的單一降低接地電阻的方法在上標電廠實施起來受地理環境等客觀條件的限制，困難很大，只有通過其他綜合的方法進行降阻。
通過認真的研究和考察，電廠認為打深井、利用地下水和深孔爆破技術對施工要求高，費用大，在本地區應用成功實例少，且電廠地處高山，地質堅硬，不適宜采用。改造方案應結合現場具體情況，盡量利用傳統、效果穩定、可預見性強并綜合先進技術手段的降阻措施。鑒于非金屬模塊在相似條件下的工程應用成功實例，決定采用以非金屬模塊降阻為主，綜合換土、使用降阻劑、外引低土壤電阻率和擴大接地面積等綜合手段進行接地網改造。因外引接地和擴大接地面積受條件限制，只能在現有的現場條件下，盡量利用可使用面積作為輔助方法。
2.2 方案具體的介紹
2.2.1 非金屬接地模塊和降阻劑
新近推出的非金屬接地模塊降阻是比較可行的方法，此方法已經在我省電力高山微波站成功應用(高山微波站土壤電阻率較高，往往在2000Ω·m以上)。成功地將臺州獅子巖、麗水黃降、浦江199這三個省局微波站接地電阻從15Ω左右降到5Ω以下，且上述三個站的實測結果和非金屬降阻模塊計算設計值相吻合。
非金屬接地模塊廣泛應用于機場、雷達站、廣播電視發射基地及火電廠的降阻工程，效果明顯，特別是對高土壤電阻率地區。本次改造選用該產品從技術上來講是可行的，同時計算結果所需材料也符合高性價比的要求。
非金屬接地模塊是以非金屬材料---碳同位素為主體的接地體，由導電性、穩定性較好的非金屬礦物和其他物質組成，通過高壓機械加工成型，高溫煅燒而成的新型接地體;擁有獨特的可擴散親水性表面活性劑成分，通過擴散提供土壤導電必須的電解絡合離子從而改善周圍土壤的電阻率，使散流效果更好;經多次大電流沖擊后，阻值不增大，無變硬、發脆、斷裂等現象發生，使用壽命大于30年;特別適合于高電阻率土壤地區使用，若接地點周圍為沙石或巖石地層，降阻效果特別明顯;而且本產品無污染、無毒害、抗腐蝕，使用十分方便。本產品經過改良特制，專門用于高電阻率土壤的接地降阻工程。
新型的降阻劑是純物理性，它完全排除了具有腐蝕性質的電解質，主要用非電解質的碳素粉末作導電材料，添加其他特殊物質，其導電性不受酸、堿、鹽、高低溫及干濕度所限;因碳素導電物不溶于水，因此也不會與金屬發生化學反應;漿液與土壤是有限混滲，凝固后不因地下水位下降、天氣干旱而阻值變化，不因雨水季節而流失，因此其性能更穩定，壽命更長。降電阻劑是一種良好的導電體，將它使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸形成足夠大的電流流通面;另一方面，它能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個變化平緩的低電阻區域。 降電阻劑有較強的吸水性和保濕性能，使用降阻劑后，能長期地保持電極附近土壤中的濕潤狀態。凝固后的降阻劑呈中性PH=7.1，結構緊密，對電極有防腐蝕保護作用。 除此之外，降阻劑還具有良好的均壓作用，改善電位分布，從而降低跨步電壓和接觸電壓，保證人身安全。本產品經過改良特制，專門用于高電阻率土壤的接地降阻工程，降阻效果極其明顯。
2.2.2 具體措施和方法如下：
(1)、沿小溪和付廠房間綠化帶內放置一條500m長50x5熱鍍鋅扁鋼水平接地體連接廠區西側空地的接地網和水池的水下接地網，每隔5～10m埋設一個非金屬接地模塊。
(2)、在入廠道路的兩側綠化帶土壤電阻率較低,由于靠山側的土層較淺，利用價值不高，在靠小溪側土層較厚，敷設一根50x5熱鍍鋅扁鋼,長度約100m，埋設深度為0.7m，同時每間隔5～10m埋設一個特制的非金屬接地模塊并使用特制的物理降阻劑，共埋設15個接地模塊，埋設深度為1.5m。
(3)、廠門口的水塘寬約25m長約100m，在此敷設水下接地網，有效面積大約為1600m2;小溪內的扁鋼和綠化帶的扁鋼與水塘的水下接地網相連，組成一個閉合的接地網。
(4)、在廠區西側靠近臨時變的地方有一塊面積約50x100m的空地，平均土壤電阻率約為1400Ω·m，根據建廠時的圖紙，此處尚未敷設水平接地網。本次改造的主要內容就是利用這片空地和空地上面的山坡、水田區域敷設一個以水平接地網為主輔以垂直接地體和非金屬接地模塊的綜合立體接地網，從山坡到小溪側，間距8～12m埋設6條縱向水平接地體，長度大約在80～120m不等，另在這6條水平接地體上，間隔8～12m埋設12條橫向水平接地體，長度約45m～55m，組成一個大約5000m2的水平接地網。
(5)、在新建水平接地網的每個交叉點上垂直埋設一個特殊定制的非金屬接地模塊作為垂直接地極，每個接地模塊間的最小距離>5m，每個模塊在埋設時配合使用專用的降阻劑。根據現有的可利用空地面積計算，最多可容納350個左右接地模塊，本次工程共使用230個非金屬接地模塊(包括廠門口綠化帶內埋設的15個)，經計算單個接地模塊的接地電阻為100Ω左右，230個接地模塊并聯后的電阻為0.95Ω(計算時模塊的并聯利用系數取K=0.55)。
(6)、所有水平接地網和垂直接地體都采用平均土壤電阻率<150Ω·m的優質土回填,回填時分層夯實，在巖石較多的地方施加降阻劑，以增加接地散流效果。
(7)、在地網的外緣增加4～8個直徑2米深3米(若是下面土層良好可適當加深)的深坑，里面填充長效物理降阻劑和優質回填土，在中間安裝3m長60x60x6的熱鍍鋅，角鋼作垂直接地體來改善整個地網的散流效果。具體的位置在施工時根據測量結果而定。
(8)、在檢修車間和廠門口間有一片綠化帶，面積大約為100m2,里面敷設水平接地網并敷設非金屬模塊。引一條水平接地線到廠門外，和綠化帶內的水平接地體相連接，另一邊引一條水平接地體和檢修車間原有的水平接地網相連。
(9)、整個地網的外緣閉合以增加水平接地網的面積，新建水平地網面積約為6500m2(包括水下地網)。
(10)、為保證工程能達到預計效果，工程分三步實施，以確定工程效果。一期以埋設120個模塊，二期埋設40個模塊，其余模塊為三期工程。
2.3 設計計算
2.3.1、接地短路電流計算
(1)最大單相接地短路電流IMAX=3.25kA、主變中心點最大短路回流In=1.81kA
(2)流入主變壓器中心點的電流
I=(IMAX-In)(1-KE)=(3250-1810)(1-0.2)=1152A
(KE為地網內發生接地短路時，架空地線的分流系數，這里取0.2。考慮到電網的發展，地網的最大接地電流按2000A取值)
2.3.2、接地電阻目標值計算 R≤2000/I=2000/2000=1Ω
2.3.3、接地線及地網主干線熱穩定校驗
Sg≥Ig/c(te)1/2=4000/70(1)1/2=57mm2
式中：Sg—接地線的最少截面，mm2;
Ig—流過接地線的短路電流穩定值，4kA;
c—接地線的熱穩定系數，鋼取70;
t—接地短路的等效持續時間，取1s。
選用50*5的扁鋼截面積為250mm2完全滿足短路電流的熱穩定需要。
2.3.4、地網接地電阻計算及設計：
單體非金屬接地模塊添加降阻劑后的的接地電阻約為120Ω
R= RJ /(K* n)
其中 R---設計目標電阻值;
RJ---單模塊接地電阻;
K---效率系數;
n---模塊個數。
當 R =1Ω、K=0.55、RJ=120Ω時
1=120/(0.55 n)
n =219(個)
考慮到不同區域土壤電阻率的差異采用230個接地模塊。
2.3.5、地網允許最大跨步電位差的計算：(DL/T5091—1999)
故障短路電流持續時間：按2次電擊考慮，取0.7 秒土壤電阻率取平均值ρ=1000Ω·m
Ek=(174+0.7ρ)/t1/2=(174+0.7×1000)/(0.7)1/2=1040.5V
2.3.6、改造后地網最大跨步電位差、接觸電位差計算
地網采用50mm*5mm鍍鋅扁鐵，地網面積約S=300*50m2,網格大小為6m*8m，敷設深度為h=0 .7m，接地電阻取目標值1Ω,短路最大入地電流取2000A，土壤電阻率取平均值ρ=1000Ω·m ，故障持續時間0.7s。根據上述條件，按DL/T5091—1999計算：
(1) 發生接地短路時地網最大地電位可按下式計算
Ug=RI=1*2000=2000v
(2) 最大跨步電位差為
Umax=KtmaUg
式中 Umax--- 最大接觸電位差，V;
Ktmax---最大接觸電位差系數;
Ug--- 接地裝置的電位，V。
n值按矩形地網計算
n=2(L/L0)(L0/4A1/2)1/2=11.183
β=0.1n1/2=0.334
α2 =0.35[(n-2)/n]1.14 (A1/2 /30)β=0.447
Ksmax = {(1.5-α2 )ln{[h2 +(h+T/2)2]/[h2+(h-T/2)2]}}/ln(20.4A/dh)=0.0629
Umax=KtmaUg=2000*0.0629=126V
式中 A---接地網面積， 300*50m2.
s---接地短路電流的持續時間，0.7秒。
T---跨步距離T=0.8m;
L0---接地網的外緣邊線總長度，800m;
L---水平接地極的總長度，3500m。
升壓站內應做8m見方的方孔地網以改善地網均壓，由于地表鋪設礫石和水泥路面土壤電阻率較高(2000Ω·m以上)，故跨步電壓決定于接地電阻是否滿足1Ω的要求，如地網接地電阻滿足1Ω的要求，則跨步電壓一定在合格范圍以內。
(3) 站內最大接觸電位差計算(式中各參數取值同最大跨步電位差計算)
Umax=KtmaUg =277V
Ktmax=KdKlKnKs=0.138
d=2(50*5/π)1/2* 0.001 =0.0178m
Kd=0.841-0.225lgd=1.235
Kl=1.1(L2/L1)¼ =0.703
Kn=0.076+0.776/n=0.145
Ks=0.234+0.414lgA½=1.098
此時地電位為2000V，跨步電位差126V，接觸電位差277V，符合DL/T5091—1999。
本次工程目標值≤1Ω。
3、上標電廠接地網降阻改造結果
通過緊張、嚴格的施工，在一期工程結束后我們對地網進行了測量，實測數據1.83Ω，基本符合設計計算值。在此基礎上，二期工程進一步跟進實施。通過共二個多月的施工，順利完成了一、二期的工程計劃(160個模塊)。二期工程結束后，為進一步檢驗施工效果，在連續十天的晴天天氣后，專門邀請了杭州意能電力防雷研究檢測公司對上標水電廠一級電站進行了接地電阻測量。測量采用30度夾角法(如圖4-1)，電壓極和電流極與主地網距離為600m。測得上標水力發電廠的工頻接地電阻為1.53Ω。
二期工程結束后，經過對電網運行參數的計算，(考慮電網的發展，接地電流按2000A取值)，地電位為3060V，接觸電壓422.28V，跨步電壓192V，滿足規程要求。通過一、二期的施工，采用接地模塊的降阻對電廠地網還是非常有效，且基本符合理論計算，但必須認識到，其中多種降阻措施的同時使用也是起到比較大的作用，特別是地網外延和降阻劑的使用，應具有非常明顯的效果。
考慮到電廠的地勢的局限，配合模塊使用進一步延伸地網面積將面臨較大的政策處理困難和施工難度。而簡單的在現有面積上增加非金屬接地模塊數量，雖然在模塊廠家的理論計算上有效果，但對非金屬模塊的計算數據并沒有得到規程的確認，特別是使用間距過小，考慮相互屏蔽的影響，工程實施存在較大的風險。經過認真的研究，電廠決定工程滿足了安全要求，取得了需要的效果，在經濟安全的前提下，暫不實施三期工程。
上標電廠的接地降阻工程雖然沒有達到1Ω目標值，但將接地電阻由3.6Ω降到了1.53Ω，跨步電壓和接觸電壓符合規范要求，有效的保證了電廠的安全生產。特別是電廠地處高山，地質堅硬，土壤電阻率較高，現場施工難度大，通過本次施工改造，使接地電阻有了較大幅度的減小，并且工程改造范圍小，投資比較經濟，達到了改造的預期效果。
4、經驗認識：
4.1、 改造方案應因地制宜，結合現場情況決定，在條件允許下，應盡可能采用傳統有效的辦法(如擴大接地網面積、采用降阻劑等)。
4.2、 在條件限制的情況下，應具體分析，不局限于單一的降阻方法，可結合多種方式。利用一切可利用資源，在經濟有效的前提下，充分使用各種降阻方法，以達到最好的降阻效果。
4.3、 在敷設新接地網時，應充分考慮電網的發展和電廠(變電所)的長期發展規劃，要以高要求、高標準設計施工，特別是要充分考慮地網的腐蝕性和熱穩定性，計算數據取值宜盡量保守，在安全性的前提下，結合經濟有效的原則來設計施工。一般接地網在電廠(變電所)整個工程中所占的投資比例不到1%，而因接地網不合格造成的安全事故或重新改造建設，卻將給造成嚴重的損失。所以，在設計接地網是一定要有充分的認識和負責任的態度。
4.4、 在接地網施工中，一定要嚴格按照施工規范，做好接地網的開挖和焊接工作，在使用接地模塊和降阻劑時，應充分研究產品特性，由生產廠家配合制定出合格規范的現場施工標準，保證施工質量。
4.5、 降阻施工一定要有計劃，分步實施。特別是使用接地模塊時，應在埋設每一單體模塊后立即進行測量，如數據與理論值差別較大時，應立即調整重新施工，在單體測試合格后，再進行小區域聯網測量，如不合格應重新檢查處理。只有嚴格要求，按部就班的按照工藝要求施工才能保證最后的施工質量和目標要求。
4.6、 在接地電阻降阻困難的情況下，應結合現場的具體情況，而不盲目追求高標準。通過理論驗證，在保證安全性的前提下，特別是保證跨步電壓和接觸電壓滿足要求，并采取措施對電位進行隔離的情況下，應綜合考慮經濟性，適當放寬接地電阻的要求。
4.7、 接地電阻的測量應避免在雨天和雨后立即測量，應保證連續3天以上晴天天氣測量。測量時，測量裝置應與線路避雷線斷開。接地電阻的測量宜采用獨立電源或經隔離變壓器供電的電流-電壓表法測量，并盡可能加大測量電流，減少干擾，保證數據準確。接地電阻的測量方法宜采用兩種方法或兩種電極布置方式測量，以便相互驗證，提高測量結果的可信度。
4.8、 加強對接地網的安全管理，要建立起嚴格的接地網檢查、監控制度，定期對接地網進行檢查，及時了解接地網腐蝕和變化情況。更要在源頭上消除接地故障，加強安全運行管理，防污、防雷、防止誤操作，全面保證接地網的安全運行。
結束語
接地網的降阻工作是一項比較復雜系統的工程。特別是接地電阻影響因素較多，不同工程環境條件差異較大，只有全面結合現場情況，認真研究施工方案，充分利用現場條件，找出最適合現場特點的方法，制定出最合理的目標，才能真正經濟有效的達到預期的效果，保證企業的安全經濟運行。
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