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摘 要：本文针对冻土的高阻问题，从各种接地材料的降阻效果、使用寿命、稳定性、环境保护、材料资源等几个方面进行了比较，同时进行了技术经济的比较，合理地选用接地材料，并提出了具体的接地方案，可供参考。
关键词：接地方案设计；材料选择；电阻率
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）27-0053-02
1 接地网的概念
变电站接地网在系统运行安全中具有重要地位，因其一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。此外，在设计及施工时也不易控制。为保证电力系统的安全运行，如何降低接地工程造价、提高接地网的可靠性，减少维护成本是文章的重点。文章结合工程的实际情况，对冻土地区变电站接地系统在电网建设工程中的应用作了改进、优化。
2 冻土对于变电站接地系统安全性能的影响
（1）当土壤地表层由于冰冻而形成高阻层时，接地电阻随高阻层厚度或电阻率的增加而增加。当高阻层厚度超过地网埋深时，如果冰冻层的电阻率很高，接地电阻升高将增加到原来的1.7～3.0倍。
（2）地网表面的接触电压随高阻层的厚度或电阻率的增加而增加，高于正常情况时对应的数值。当高阻层厚度超过地网的埋深时，接触电压增高很多。如果冰冻引起高阻层的电阻率达到5000Ω·m，接触电压将增加到原来的12倍。
（3）高阻层将导致地表跨步电压>正常情况时地网的跨步电压，危害人身安全。当地表高阻层厚度一定时，跨步电压随高阻层电阻率的增加而增加。
因此，对于高寒冰冻地区的地网，在设计时必须严格分析冰冻高阻层引起的接地电阻、接触电压和跨步电压的增加是否导致地网安全性能的下降，最好将地网埋在冻土层之下[1]。
3 蒙东220kV变电站工程接地方案设计
3.1 材料选择
接地设计工作在整个接地系统中占有很大的比重，土壤电阻率是接地设计中的不可或缺的参数。然而土壤电阻率受季节变化影响较大，尤其是本项目，站址位于北方，属于季节性冻土，地表1.6m范围内冬季冻结、夏季消融，且极易受工程扰动影响产生冻胀或融沉。
冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体，在影响冻土土壤电阻率的诸多因素中，土壤的含水量与环境温度是最主要的两个因素。由于季节变化，气温改变，使土壤表层的电阻率变化明显，引起电力系统接地装置的接地电阻大幅变化。传统的接地技术降阻稳定性差，难以达到工程设计要求，若雷击时接地不当则可能造成雷击事故，冻土地区防雷接地工程如何实施成为变电站运维亟待解决的课题之一。故本项目接地材料的选择应考虑性能稳定，受温度影响较小的产品为主。
本项目降阻产品选用铜接地极接地装置，水平接地极采用金属材料热镀锌扁钢，且截面积选择如下。
根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合式（1）要求。
Sg≥■■（1）
式（1）中：Sg-接地线的最小截面，mm2；Ig-流过接地线的短路电流稳定值，50kA（按工程远景年系统最大运行方式确定）；te-短路的等效持续时间，0.3s；c-接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。热镀锌钢C=70。
代入数据得Sg=391.23mm2，接地装置接地极的截面，应≥连接至该接地装置的接地导体截面的75%，故水平接地极的最小截面为391.23×75%=293.42mm2<60×8=480mm2，故水平接地极采用60×8mm热镀锌扁钢满足热稳定要求。
考虑腐蚀情况，腐蚀率为0.065mm/年，按设计年限40年计算，则水平接地体的有效截面积为：（60-0.065×40）×（8-0.065×40）=309.96mm2>293.42mm2，依然满足热稳定要求。
3.2 接地方案设计
文章将对以下几种方案进行接触电压、跨步电压的对比：冻土层以下埋设单层接地网、冻土层内沿围墙内侧埋设一圈均压带和冻土层以下埋设单层接地网相结合的简单双层接地网、接地网的夏季、冬季均压效果对比分析[2]。
（1）仅冻土层下敷设单层水平接地网
以入地短路电流8.8kA为基础，采用CDEGS的MALZ模块，计算接地网的接触电压和跨步电压。
通过CDEGS软件对冻土层下单层接地网进行建模，可得到接地电阻为3.9Ω。允许接触电压、跨步电压最大值分别为680V、2179V，而本接地方案最大接触电压为3610V，最大跨步电压为1064V，由此发现接触电压超出允许值较多，跨步电压满足要求。接触电压最大值分布于变电站四角及边缘，以下将寻求在地网外侧增加一圈均压环来缓解接触电压超标程度的方案。
（2）寒冷季节冻土层内敷设一圈均压环与冻土层下敷设单层水平接地网相结合的接地系统方案
以入地短路电流8.8kA为基础，采用CDEGS的MALZ模块，计算接地网的接触电压和跨步电压。
通过CDEGS软件对冻土层下双层接地网进行建模，按寒冷季节有冻土层考虑，可得到接地电阻为3.8Ω，与单层接地网变化不大，主要是由于冻土层电阻率太大，少量增加的接地体对整个站区接地系统的电阻影响不大。而本接地方案最大接触电压为3510V，而且只存在与四角，绝大部分区域的接触电压都控制在2000V以内；最大跨步电压为860V，由此发现在寒冷季节，虽接触电压仍超出允许值较多，但相比单层接地网已有显著降压效果，说明方案可行，跨步电压满足要求。以下将验证在温暖季节，无冻土情况下，地网外侧增加一圈均压环的效果。
（3）温暖季节冻土层内敷设一圈均压环与冻土层下敷设单层水平接地网相结合的接地系统方案
以入地短路电流8.8kA为基础，采用CDEGS的MALZ模块，计算接地网的接触电压和跨步电压。
通过CDEGS软件对冻土层下双层接地网进行建模，按温暖季节有冻土层考虑，得到接地电阻为3.7Ω左右，变化不大。而温暖季节本接地方案最大接触电压为3000V，而且只存在與四角，绝大部分区域的接触电压都控制在1780V以内；最大跨步电压为685V，由此发现在温暖季节，接触电压超标，跨步电压满足要求。但可以看出，温暖季节，双层接地网方案的均压效果更加显著[3～4]。
综上，接触电压始终无法满足要求，因此需要采取一些措施来保证设备及人身安全，考虑在变电站内土壤裸露部位铺设碎石，另外在设备机构操作处制作操作地坪。
4 结束语
综上所述，文章针对冻土的高阻问题，合理地选用接地材料，最终确定了使用热镀锌扁钢做水平接地网，铜接地极做垂直接地材料的方案。同时，设计了冻土层以下埋设单层接地网、冻土层内沿围墙内侧埋设一圈均压带和冻土层以下埋设单层接地网相结合的简单双层接地网两种方案，并对两种方案的接地电阻大小和均压效果进行了对比，其中双层接地网方案还分了温暖季节、寒冷季节两种情况，值得参考。
参考文献
[1]刘 洋.冻土环境下变电所接地系统研究[D].北京：北京交通大学，2012.
[2]何金良，康 鹏，曾 嵘，等.青藏铁路110kV输变电工程五道梁和沱沱河变电站的接地系统设计[J].电网技术，2006（04）：60～64.
[3]高延庆，何金良，曾 嵘，等.非均匀土壤中变电站接地网优化设计[J].清华大学学报（自然科学版），2002（03）：345～348.
[4]谢 晖.高寒冻土地区铁路牵引变电所接地问题研究[J].电气化铁道，2015（05）：28～31+43.
收稿日期：2018-8-8
作者简介：刘玉雷（1983-），男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，从事电网设计工作。
关键词：接地方案设计；材料选择；电阻率
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）27-0053-02
1 接地网的概念
变电站接地网在系统运行安全中具有重要地位，因其一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。此外，在设计及施工时也不易控制。为保证电力系统的安全运行，如何降低接地工程造价、提高接地网的可靠性，减少维护成本是文章的重点。文章结合工程的实际情况，对冻土地区变电站接地系统在电网建设工程中的应用作了改进、优化。
2 冻土对于变电站接地系统安全性能的影响
（1）当土壤地表层由于冰冻而形成高阻层时，接地电阻随高阻层厚度或电阻率的增加而增加。当高阻层厚度超过地网埋深时，如果冰冻层的电阻率很高，接地电阻升高将增加到原来的1.7～3.0倍。
（2）地网表面的接触电压随高阻层的厚度或电阻率的增加而增加，高于正常情况时对应的数值。当高阻层厚度超过地网的埋深时，接触电压增高很多。如果冰冻引起高阻层的电阻率达到5000Ω·m，接触电压将增加到原来的12倍。
（3）高阻层将导致地表跨步电压>正常情况时地网的跨步电压，危害人身安全。当地表高阻层厚度一定时，跨步电压随高阻层电阻率的增加而增加。
因此，对于高寒冰冻地区的地网，在设计时必须严格分析冰冻高阻层引起的接地电阻、接触电压和跨步电压的增加是否导致地网安全性能的下降，最好将地网埋在冻土层之下[1]。
3 蒙东220kV变电站工程接地方案设计
3.1 材料选择
接地设计工作在整个接地系统中占有很大的比重，土壤电阻率是接地设计中的不可或缺的参数。然而土壤电阻率受季节变化影响较大，尤其是本项目，站址位于北方，属于季节性冻土，地表1.6m范围内冬季冻结、夏季消融，且极易受工程扰动影响产生冻胀或融沉。
冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体，在影响冻土土壤电阻率的诸多因素中，土壤的含水量与环境温度是最主要的两个因素。由于季节变化，气温改变，使土壤表层的电阻率变化明显，引起电力系统接地装置的接地电阻大幅变化。传统的接地技术降阻稳定性差，难以达到工程设计要求，若雷击时接地不当则可能造成雷击事故，冻土地区防雷接地工程如何实施成为变电站运维亟待解决的课题之一。故本项目接地材料的选择应考虑性能稳定，受温度影响较小的产品为主。
本项目降阻产品选用铜接地极接地装置，水平接地极采用金属材料热镀锌扁钢，且截面积选择如下。
根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合式（1）要求。
Sg≥■■（1）
式（1）中：Sg-接地线的最小截面，mm2；Ig-流过接地线的短路电流稳定值，50kA（按工程远景年系统最大运行方式确定）；te-短路的等效持续时间，0.3s；c-接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。热镀锌钢C=70。
代入数据得Sg=391.23mm2，接地装置接地极的截面，应≥连接至该接地装置的接地导体截面的75%，故水平接地极的最小截面为391.23×75%=293.42mm2<60×8=480mm2，故水平接地极采用60×8mm热镀锌扁钢满足热稳定要求。
考虑腐蚀情况，腐蚀率为0.065mm/年，按设计年限40年计算，则水平接地体的有效截面积为：（60-0.065×40）×（8-0.065×40）=309.96mm2>293.42mm2，依然满足热稳定要求。
3.2 接地方案设计
文章将对以下几种方案进行接触电压、跨步电压的对比：冻土层以下埋设单层接地网、冻土层内沿围墙内侧埋设一圈均压带和冻土层以下埋设单层接地网相结合的简单双层接地网、接地网的夏季、冬季均压效果对比分析[2]。
（1）仅冻土层下敷设单层水平接地网
以入地短路电流8.8kA为基础，采用CDEGS的MALZ模块，计算接地网的接触电压和跨步电压。
通过CDEGS软件对冻土层下单层接地网进行建模，可得到接地电阻为3.9Ω。允许接触电压、跨步电压最大值分别为680V、2179V，而本接地方案最大接触电压为3610V，最大跨步电压为1064V，由此发现接触电压超出允许值较多，跨步电压满足要求。接触电压最大值分布于变电站四角及边缘，以下将寻求在地网外侧增加一圈均压环来缓解接触电压超标程度的方案。
（2）寒冷季节冻土层内敷设一圈均压环与冻土层下敷设单层水平接地网相结合的接地系统方案
以入地短路电流8.8kA为基础，采用CDEGS的MALZ模块，计算接地网的接触电压和跨步电压。
通过CDEGS软件对冻土层下双层接地网进行建模，按寒冷季节有冻土层考虑，可得到接地电阻为3.8Ω，与单层接地网变化不大，主要是由于冻土层电阻率太大，少量增加的接地体对整个站区接地系统的电阻影响不大。而本接地方案最大接触电压为3510V，而且只存在与四角，绝大部分区域的接触电压都控制在2000V以内；最大跨步电压为860V，由此发现在寒冷季节，虽接触电压仍超出允许值较多，但相比单层接地网已有显著降压效果，说明方案可行，跨步电压满足要求。以下将验证在温暖季节，无冻土情况下，地网外侧增加一圈均压环的效果。
（3）温暖季节冻土层内敷设一圈均压环与冻土层下敷设单层水平接地网相结合的接地系统方案
以入地短路电流8.8kA为基础，采用CDEGS的MALZ模块，计算接地网的接触电压和跨步电压。
通过CDEGS软件对冻土层下双层接地网进行建模，按温暖季节有冻土层考虑，得到接地电阻为3.7Ω左右，变化不大。而温暖季节本接地方案最大接触电压为3000V，而且只存在與四角，绝大部分区域的接触电压都控制在1780V以内；最大跨步电压为685V，由此发现在温暖季节，接触电压超标，跨步电压满足要求。但可以看出，温暖季节，双层接地网方案的均压效果更加显著[3～4]。
综上，接触电压始终无法满足要求，因此需要采取一些措施来保证设备及人身安全，考虑在变电站内土壤裸露部位铺设碎石，另外在设备机构操作处制作操作地坪。
4 结束语
综上所述，文章针对冻土的高阻问题，合理地选用接地材料，最终确定了使用热镀锌扁钢做水平接地网，铜接地极做垂直接地材料的方案。同时，设计了冻土层以下埋设单层接地网、冻土层内沿围墙内侧埋设一圈均压带和冻土层以下埋设单层接地网相结合的简单双层接地网两种方案，并对两种方案的接地电阻大小和均压效果进行了对比，其中双层接地网方案还分了温暖季节、寒冷季节两种情况，值得参考。
参考文献
[1]刘 洋.冻土环境下变电所接地系统研究[D].北京：北京交通大学，2012.
[2]何金良，康 鹏，曾 嵘，等.青藏铁路110kV输变电工程五道梁和沱沱河变电站的接地系统设计[J].电网技术，2006（04）：60～64.
[3]高延庆，何金良，曾 嵘，等.非均匀土壤中变电站接地网优化设计[J].清华大学学报（自然科学版），2002（03）：345～348.
[4]谢 晖.高寒冻土地区铁路牵引变电所接地问题研究[J].电气化铁道，2015（05）：28～31+43.
收稿日期：2018-8-8
作者简介：刘玉雷（1983-），男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，从事电网设计工作。