珠海沙美变电站地网的测试及可改造方案090314.docx

珠海沙美变电站地网的测试及可改造方案090314.docx

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珠海沙美变电站地网的测试及可改造方案090314

珠海沙美变电站地网的测试及可改造方案

摘要：

本文通过对珠海沙美变电站主地网接地电阻测试的应用，着重介绍了测试仪表设备的选择以及整个地网接地电阻的测试过程，并根据测试后确定不合格提出地网的可实行改造方案。

关键词：

地网测试 土壤电阻率 地网改造

摘要：

本文通过对珠海沙美变电站主地网接地电阻测试的应用，着重介绍了测试仪表设备的选择以及整个地网接地电阻的测试过程，并根据测试后确定不合格提出地网的可实行改造方案。

关键词：

地网测试 土壤电阻率 地网改造

引言

   接地装置的状况直接关系到电力系统的安全运行，科学合理地测试接地装置的各种特性参数，准确评估其状况十分重要。

大型接地网因为存在有杂散电流以及各种干扰电压，因此，在地网测试时若没有考虑到这些因素对接地电阻的影响，就会造成接地网接地电阻测试的误差。

目前国内防雷检测机构对电力系统中接地装置的测试工作比较薄弱，一些关键的技术观念比较模糊，技术手段落后，工作方法上缺乏统一的规范和认识。

本文通过对珠海沙美变电站地网接地装置的测试，着重介绍大型接地网的测试方法，并通过测试确定接地网不合格时，提出地网可改造方案。

一、珠海沙美变电站主地网基本概况

   珠海沙美变电站位于珠海市金湾区平沙镇三虎山旁，供电最大容量为110KV，主要供给珠海海泉湾海洋温泉度假村以及周边村民，保证该区域正常用电。

变电站主地网呈长方形，其长101米，宽74米，位于山坡果园边，三面为山坡，砂砾土地面，地质十分干燥，土壤电阻率较高；另一面为水产品养殖场，多处为水塘，土壤电阻率较低（见图1.1）。

地网水平接地线采用ø16镀锌圆钢，共2800米，垂直接地极采用L50×50×5镀锌角钢，埋深3米，共用58根，另深井接地极共设置共6个，深井采用机钻孔25米深，插入ø24镀锌圆钢，孔内间隙用细软土（不含砂）回填压实，要求深埋接地极与水平接地网圆钢可靠焊接。

根据变电站接地设计要求，整个接地网接地电阻要求不应大于0.73Ω，否则另寻补救措施。

图1.1 珠海沙美变电站地理位置

二、主地网测试

   2.1测试仪器的选择

   根据中华人民共和国电力行业标准《接地装置特性参数测量导则》DL/T475-2006规定：

对试验电源的选择，推荐采用异频电流法测试大型接地装置的工频特性参数，试验电流宜在3A~20A，频率宜在40Hz~60Hz范围，异于工频又尽量接近工频。

如果采用工频电源测试大型接地装置的工频特性参数，则应采用独立电源或经隔离变压器供电，并尽可能加大试验电流，试验电流不宜小于50A。

所选择的仪器的准确度不低于1.0级，测试场区地表电位梯度、跨步电位差、接触电位差的电压分辨率不低于1mV，采用异频电源时,测试计分表的选频性能良好。

   为了准确测试主地网接地电阻值，本次珠海沙美变电站地网测试采用了异频法测试，因为异频法为最新理论测试方法，一般条件许可的话推荐采用异频法。

它所选用的仪表比工频法所选用的仪表精密，要求选频性能必须良好，它的好处是选用的测试电源比工频法的测试电源小得多，不用专门采用独立电源或经隔离变压器供电，试验电源不用达到50A，仪表试验电流只需要3A~20A即可。

其它对主地网的干扰完全取决于仪表的选频功能，选频性能良好即完全可以避开各种干扰。

另外采用工频测试电源时，也带来一定的影响因素，，若测试电源达到了50A或50A以上的话，将应考虑到试验期间的安全，电流线全程以及电流极处应有专人看护，严禁电流线断开，造成各种用电危害。

同时也应考虑电流线与电位线之间的互感的影响，而异频电源法却可减少这些影响。

   本次测试仪表选用FLUKE-1625接地电阻测试仪（如图2.1），该仪表属于异频电源，为了确保测量过程中尽量抑制干扰，仪表提供了四种测量频率（94Hz，105Hz，111Hz，128Hz），并且在有需要时自动切换（该仪表具有自动频率控制AFC功能），可将干扰降到最小。

在测量之前，仪表可以识别现有的地网干扰频率，然后仪表自动选择一个能将其影响到最小的测量频率进行测试。

FLUKE-1625接地电阻测试仪还具有微处理器控制的自动测量功能，包括检查探针连接，以确保测量正确进行。

它测量所有接地探针的接地电阻，确保接地电阻可靠、一致，探针电阻和辅助接地电阻也作了测量并显示。

图2.1 Fluke-1625接地电阻测试仪外观图

2.2 测试方法的选择

   大型地网的测试方法有电位降法以及电流-电压三极法两种，一般根据地网的大小以及地质与土壤电阻率情况选择可实行的测试方法。

   电位降法测试是利用流过被试接地装置和电流极的电流使得地面电位变化，电位极从地网的边缘开始沿与电流回路呈30O~45O的方向向外移动，每间隔一段距离（大约50m或100m或200m）测试一次电位极与地网间的电位差U，绘出电位差U与距离X的变化曲线（见图2.2）。

通常电流极与被测地网边缘的距离应为被测地网最大对角线长度D的4~5倍，U与X变化曲线平坦处即为电位零点，与曲线起点间的电位差即为试验电流下被试接地装置的电位升高Um，接地装置的接地阻抗Z为：

Z=Um/I

   图2.2 大型接地装置电位降曲线

   一般来说，电位降法是比较传统的测试方法，测试比较准确，但此方法却因某些技术限制造成难于实现。

首先是电位测试线与电流线呈角度放设难以确定；其次是电位降曲线的平坦点难以确定，这可能是受被试接地装置或电流极的影响；最后若遇到地下情况复杂时，这种方法将无法实施。

电位降法测试接地装置的接地阻抗布置测试回路见图2.3。

   图2.3电位降法布线示意图

   电流-电压表三极法有直线测量法以及夹角测量法两种（见图2.4），直线测量法是指电流线和电位线在同一方向放设，电流极与被测地网边缘的距离应为被测地网最大对角线长度D的4~5倍，电位线通常为电流线的0.5~0.6倍左右。

通过移动电位极在被测接地装置与电流极连线方向三次，若测试结果误差在5%以内即认为在零电位区，而每次移动的距离在电流极与地网距离的5%左右。

这种测试方法应考虑到电流线和电位线相互之间的耦合对测试结果的影响，因此应保持电流线和电位线之间的放线距离。

   只要条件许可的话，测量大型地网接地阻抗一般采用夹角法。

此时，电流极的距离一般为4D~5D左右，夹角θ约为300。

电压极的长度与电流极的长度相近，但应用以下公式修正：

   夹角法比直线法有一定的优点：

首先是可以减少引线间互感的影响；其次是如果土壤电阻率均匀，可采用两引线相等的等腰三角形布线，此时两引线可为2D，其测量结果相当于3D直线法的测量结果，减少布线困难；最后是在夹角法中，电压极附近的电位变化较缓，角度从29到60的电位变化相当于直线法的0.618～0.5倍电流线电位的变化。

   图2.4 电流-电压三极法两种布线示意图

   考虑到珠海沙美变电站三面为山坡一面为水塘等地理环境原因，而采用夹角法在布线上会出现困难。

通过对比，本次测试方法选择采用电流-电压三极法中的直线法，主地网中选择两处不同方向、不同土壤进行测试，经测试将接地电阻进行对比，若接地电阻相近，则表明测试结果正确；若接地电阻相差较远，则表明测试结果错误，需要进行下一步分析。

   2.3实地测试具体实施过程

   选定好检测仪器以及检测方法后，最后一步是落实对该主地网接地电阻的测试，具体实施过程：

   首先是对主地网最大对角线的计算。

利用GPS卫星定位系统定位出现场主地网的边缘具体位置（地网的施工因地理原因不一定与设计图纸一致），然后采用GPS自动测距功能测量出所定位置的距离，得出主地网最大对角线的准确距离D为128m。

   其次是确定电流极与电压极的具体位置。

主地网最大对角线D算出以后，便可以算出4D~5D的距离为电流极的位置，本次电流极与地网边缘距离取4D，得出d1为512m。

电压极距离取0.618倍d1的距离，得出d2为316m。

若电位极移动测试的距离按d1的5%移动，可得位移距离为26m.。

我们采用GPS卫星定位系统测量出辅助地极的直线水平距离，GPS卫星定位系统测量距离的好处是所测量的距离是直线水平距离，减少测量误差（具体数据见表1）。

   表1：

珠海沙美变电站地网测试基本数据

 主地网长度

主地网宽度

 实际地网最大对角线

 电流极与地网边缘距离d1

 电流极与地网边缘距离d2

 位移距离

 101m

74m

128m 

512m 

316m 

26m 

   然后是选择测试方向，根据珠海沙美变电站地网的地理环境，为了使测试结果有一定的对比性，选择地网两处不同方向、不同环境以及不同土壤电阻率为此次测试方向。

其中一处向东面，四周为果园以及山地，土壤电阻率相对较大；另一处面西面，四周为水产品养殖场，土壤电阻率较低。

详细测试方向详见图示2.5。

   图2.5 沙美变电站测试方向示意图

   最后是仪器设备接线准备测试。

此次测试采用仪表所提供的四线三极法，先对东面方向测试，将电流线一端与电流极相连接，另一端插入仪表C2端口；将电压线一端与电压极与连接，另一端插入仪表P2端口；仪表P1极及C1极与被测地网相连接，P1应接在地网下方，C1应接在地网上方。

将仪表开关档开至4POLE档，此时若某一地极接线不良或地极周围土壤电阻率过大时，仪表显示的对应地极符号将不断闪烁，直至接地极与土壤保持良好的接触，仪表显示地极符号才停止闪烁。

按StartTest开始测试，仪表将自动测试并显示测试结果，记录测试结果。

然后将电压极向前位移距离26m进行测试，再向后位移距离26m进行测试，测试结果误差不超过去5%即认为已经找到零电位点，测试结果准确。

东面山地方向测试完毕后，将按照以上操作程序对西面进行测试。

测试结果如表2。

               表2：

珠海沙美变电站地网接地电阻测试数据表

   根据以上数据可知：

选择东面山地土壤电阻率较高地区作为测试方向时，地网接地电阻平均测试结果为1.55Ω，而在西面土壤电阻率较低作为测试方向时，地网接地电阻测试结果为1.56Ω，两者相差不大，因此认为此次大型地网接地电阻测试是成功。

但珠海沙美变电站主地网设计接地电阻值为0.73Ω，而实地测试为1.55Ω～1.56Ω，达不到设计要求，因此应当采取相应措施降低主地网的接地电阻值。

   2.4测试中应注意事项

   在进行大型地网接地电阻测试中一般存在有一定的风险以及技术性要求，因此在测试过程中务必小心进行，以防技术上的误差以及人身安全等，并在测试中应注意以下几点事项：

   1）、为了减少电流线与电压线间相互耦合影响测试结果，严禁电流线与电压线交叉或重叠测试，应将两测试线分开一定距离测试，并尽量远离地下金属管路和运行中的输电线路。

   2）、不管是采用工频电源测试方法还是异频测试法，电流线应全程有人看护，以免在测试时强大的测试电流经电流线误伤他人。

   3）、在测试间测试回路应绕开河流以及湖泊等，以免造成测试误差。

   4）、因为变电站主配变设备一般安装在主地网中间，而此处电位对主配变设备影响较大，且接地电阻要求很高，甚至代表着整个地网，因此测试点应选择主地网中央测试。

   5）、电流极的电阻值应尽量小，以保证整个电流回路阻抗足够小，设备输出的试验电流足够大。

   6）、可采用人工接地极或利用高压输电线路的铁塔作为电流极，但应注意避雷线分流的影响。

   7）、如电流极电阻偏高，可尝试采用多个电流极并联或向其周围泼水的方式降阻。

   8）、电位极应紧密而不松动地插入土壤中20cm以上。

三、主地网接地电阻的改良方案

   3.1主地网接地电阻估算

   为了了解珠海沙美变电站主地网接地情况，及时提出科学合理的整改措施，可根据地网的大小、接地极材料以及地网所处地区的土壤电阻率等基本情况，对接地网的接地电阻进行估算。

接地网的接地电阻按下式计算：

   L---接地网的全长（水平接地极总和）。

   根据提供的设计图纸以及现场施工记录资料发现，主地网其长为101m，宽为74m，总地网面积为7474㎡，地网位于山坡果园边，砂砾土地面，地质干燥，经测试该地区平均土壤电阻率为300Ω.m。

地网水平接地线采用ø16镀锌圆钢，共敷设2800m，埋深1m，垂直接地极采用L50×50×5镀锌角钢，埋深3米，共用58根，另深井接地极共设置共6个，采用机钻孔25米深，插入ø24镀锌圆钢，孔内间隙用细软土（不含砂）回填压实，要求深埋接地极与水平接地网圆钢可靠焊接。

由此可以计算出主地网的接地电阻值为：

   由公式

（2）中可知，根据珠海沙美变电站目前地网结构以及土壤电阻率计算，主地网接地电阻值与仪表测试结果相差不远,说明测试结果正确。

但其值仍达不到设计要求，因此，应对该地网进行改良，使其接地电阻达到设计要求。

   3.2降低接地电阻的措施

   由公式

（2）中可知，地网接地电阻的大小与土壤电阻率、地网的面积以及接地体长度有着很大的关系，因此，若要降低其接地电阻就必须对土壤电阻率进行改良，或者是增大地网的面积。

具体降低其接地电阻可采用以下几种方法：

   1）、换土降低土壤电阻率。

由式

（2）中可知，土壤电阻率与接地电阻值成正比，土壤电阻率越大接地面积就越大，反之，土壤电阻率越小接地电阻就越小。

用电阻率较低的土壤（如粘土、黑土等）替换砂砾土，使其与接地极接触的土壤电阻率降低，此处一般采用土壤电阻率为100Ω.m~140Ω.m的土壤即有可能将主地网接地电阻降至设计要求值。

   换土后的接地电阻估算后为0.71Ω符合设计要求，但应经过仪表测试后为准。

   2）、利用化学长效降阻剂降低土壤电阻率。

长效降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，具有导电性能良好的强电解质和水分。

这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不至于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电状态。

近年来国内生产的电解地极在改善土壤电阻率方面也得到广泛应用（见图3.1），该产品为φ63mm的铜管组成（每节0.5～1m），有多个呼吸排泄孔，铜管内填无毒化合物晶体，铜管埋于地下后，呼吸孔吸收土壤中的水分，使化学晶体变为电解溶液，又从该孔中排泄出，这些溶液在特殊回填土的吸取作用下，均匀流入土壤，在土壤中形成了成片导电率良好的电解离子土壤，特别是在石山上土壤少的地区，电解液可向石山的纵深方向渗透，使原来导电率极差的高山地质结构，形成了一个良好的电解质导电通道。

最大程度地减少了接地极与周围土壤之间的泄流电阻。

   图3.1 电解地极外观图

   珠海沙美变电站地网可按图3.2在地网外围增设几对电解地极，经过一段时间后，地网周边的土壤电阻率将可降到一定程度。

这种施工方法初期投入成本较大，最初效果将不够明显，只有经过一段时间电解溶液扩散后测试方知其结果。

   图3.2加设电解极后的接地网

   3）、加打接地极增大接地网面积。

根据公式

（2）中可知，在原有地网面积不变的情况下，加打接地极对地网接地电阻影响不大，而改变接地网面积大小即可以改变地网接地电阻值的大小。

由式

（2）中可知，地网面积大小与接地电阻值成反比，地网面积越大接地面积就越小，反之，地网面积越小接地电阻就越大。

另外，接地网面积改变后，地网的全长也相对改变，从而可以使地网的接地电阻值改变。

经过计算发现，接地网面积需要扩大到长为200m，宽为180m时，地网全长为10800m时，接地电阻才有可能降至0.73Ω。

   综上所述，加打接地极增大接地网面积虽可以降低其接地网接地电阻，但由于所扩展的接地网面积为原有接地网面积的4倍之多，地网耗材成本过高，同时面积过大若条件所限便实施不了。

改变接地极所在土壤的土壤电阻率对改变接地电阻值影响最大，所以对土壤电阻率进行改良是最为科学的办法。

根据珠海沙美变电站所处地形，在山坡的土壤相对干燥，经测试地下25m土壤电阻率也较大,所以接地极原地网作深井处理效果并不理想（原有地网已做了6处深井处理，效果不佳），为了改变原有地网土壤电阻率，可以在地网三面靠土坡处埋设长效降阻剂或将地网土壤换为粘土，而将另一面靠近水产养殖场的地网进行扩展，并在周边土壤电阻率较低处加设几处深井接地极，要求深井深度为25m以上。

具体改良方案见图3.3。

   图3.3  改良后主地网示意图

   改良后的主地网靠山坡部分经电解接地极或其它长效降阻剂的不断深透，使得地网山坡部分土壤电阻率不断下降，而靠近水产品养殖场部分经过地网的扩展以及在四周增设深井接地极，使得地网接地极与低土壤电阻率地区直接接触，这样整体地网土壤电阻率将会下降，从而使整体地网接地电阻变小。

   三、结论

   大型地网接地电阻值是否合格对一个供电系统正常运行是相当重要的，对主地网接地电阻的测试方法以及仪表设备选择都提出了很高的要求，因此在测试前应对现场进行实地考查，并认真布置好测试实施方案。

同时对大型地网的测试给防雷检测机构提出了一系列很重要的技术课题，特别是对异频电源法以及测试方法的应用尤其重要。