基于CDEGS探讨分层土壤结构下大型接地网埋深对接地阻抗值的影响

南方电网红河供电局 余 炜 余云光 沈 映 黎慧明 王允光 岳倩倩 何 磊 高 林 李茂兵 谭智斌

随着电力系统电压等级的不断升高、系统容量的增大，系统短路电流越来越大，对接地阻抗值的要求也变得越来越高。接地阻抗值是评判大型接地网是否良好的重要参数，不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的参考地，而且能在电力系统发生故障时将故障电流迅速导入大地，保证人身和设备安全[1]，所以接地网接地阻抗值应满足设计值及变电站安全运行的要求。

针对接地阻抗值超标的问题，通常会采用扩大接地网面积、外引接地、降阻剂等措施[2-3]，但随着变电站征地难度加大和降阻剂对接地体的腐蚀效应，对部分变电站降阻时存在一定的不足。关于在分层土壤结构下接地网埋设深度对接地阻抗值的影响目前尚无具体的分析，《交流电气装置的接地设计规范》规定接地网的埋设深度不宜小于0.8m，但对接地网埋设深度未做具体数值规定。

1 接地网接地阻抗值计算

变电站站址所在位置土壤电阻率一般不均匀，针对水平分层土壤结构，不同水平接地网埋设深度对接地阻抗值影响的计算公式为[4-5]：；；；；；；;，当k>0时。

其中，Re 表示均匀土壤电阻率为ρ1时等值正方形地网的接地电阻，单位Ω；△Re 表示下层土壤镜像电流对等值正方形地网所引起的附加接地电阻，单位Ω；k 表示均匀土壤的反射系数；ρ1、ρ2分别表示上、下层土壤电阻率；a1表示地网形状修正系数；L0表示地网外缘周边长度；M 表示地网的网孔数目；H 表示上层土壤的深度；h 表示水平接地网的埋深；L 表示水平地网导体总长度m；d 表示水平地网导体直径或等效直径m。

由接地网接地阻抗值计算公式可知，当下层土壤电阻率ρ2大于上层土壤电阻率ρ1时，接地网接地装置埋设深度会影响最终接地网接地阻抗计算值。

2 案例分析

2.1 基本情况

某220kV 变电站敷设了由50×8mm 热镀锌扁钢构成的以水平接地体为主的接地网，接地网埋深0.8m，使用钢材长度为6500m，变电站接地网近似为正方形200m×200m，接地网网孔数目约为3200个，接地阻抗设计值为0.50Ω。最近一次接地阻抗测试值为0.6080Ω。采用四级法测试土壤电阻率数据，在不同间距（m）下的U（mV）、I（mA）、R（Ω）、ρ（Ωm）分别为：0.5/987/20.0/49.4/155、1.0/796/16.8/47.4/298、2.0/502/17.5/28.7/360、3.0/408/18.3/22.3/420、5.0/309/20.1/15.4/483、7.0/181/19.0/9.55/420、10/67.4/18.0/3.75/236、20/218/32.0/6.82/857、30/38.0/26.0/1.46/276、50/35.8/27.6/1.30/407、100/4.68/8.79/0.53/334、150/1.23/31.1/0.04/37.3、200/3.07/36.9/0.08/105。

2.2 土壤结构仿真计算

CDEGS 软件的RESAP 模块可根据土壤电阻率的测试结果计算土壤分层结构，具体即：选定测试方法为温纳（Wenner）法；输入电极间距（a）、电极入地深度（b）和视在电阻率测试值（ρ）计算。变电站站址土壤分层结构计算结果图1，土壤分层结构计算数据中深度（m）与土壤电阻率（Ωm）的对应关系分别为0.3094/94.876、1.3438/680.903、49.5199/316.941、Infinite/23.481，站址土壤分层结构为水平四层结构。

图1 变电站站址土壤分层结构计算结果

由站址土壤电阻率仿真计算结果可知，深度0～0.3094m处土壤电阻率值为94.876Ωm，0.3094m～1.3438m处土壤电阻率值为680.903Ωm，1.3438m～49.5199m处土壤电阻率值为316.941 Ωm。该变电站接地网埋深为0.8m、土壤电阻率值为680.903Ωm，相对偏大。

2.3 CDEGS 软件仿真结果

在不改变接地网尺寸及站址所在土壤电阻率情况下，根据接地网图纸，利用CDEGS 软件中的MALZ（接地网分析）模块和土壤分层计算结果，将接地网埋深改变为2.0m，对接地网的接地阻抗进行仿真计算。得到接地阻抗仿真值为图3。

图2 变电站接地网示意图

图3 接地阻抗仿真值

分别输入0.3m、0.8m、1.0m、1.5m、2.0m 不同的接地网接地装置埋设深度，通过CDEGS 仿真软件MALZ（接地网分析）模块进行接地阻抗值计算，得到的接地阻抗计算值（Ω）分别为0.4880、0.6080、0.6193、0.5960、0.4945。由此可知，随着接地网接地装置埋设深度的不同和接地网接地装置所处位置的土壤电阻率的不同，接地网接地阻抗值也会有不同的变化：

接地装置埋设深度为0.3m 时，此时接地网接地装置所处位置的土壤电阻率较小，为94.876Ωm，接地阻抗值仿真计算值相对较小，但不满足《交流电气装置的接地设计规范》规定接地网的埋设深度不宜小于0.8m 的要求。

接地装置埋设深度为0.8m～1.5m 时，此时接地网接地装置所处位置的土壤电阻率为高土壤电阻率680.903Ωm，接地阻抗值偏大，超过设计值。

接地装置埋设深度为2.0m 时，此时接地网接地装置所处位置的土壤电阻率相对较低，为316.941Ωm，接地阻抗值有所降低，为0.4945Ω，与埋设深度为0.8m 时接地阻抗值0.6080Ω 相比，接地阻抗值降低了18.7%。

3 结语

变电站站址土壤一般为不均匀分层结构，《交流电气装置的接地设计规范》规定接地网的埋设深度不宜小于0.8m，针对特定的土壤结构模型如接地网埋设深度在高土壤电阻率的土壤中会增大接地阻抗值，在变电站接地网设计时，根据CDEGS 软件土壤分层结构仿真结果，可以考虑适当的增加接地网埋设深度，进而降低接地网接地阻抗值。