2.4 接地地網設計中電阻率分層解析和接地電阻值計算的研究

某220kV變電所接地工程可謂某勘測設計院設計史上的一座里程碑。該變電站土壤結構復雜，且有極大的迷惑性，曾導致多家國內單位專家犯錯，最終在華北電力大學等單位的協助下成功降阻。該勘測設計院也因此深刻認識到傳統設計理念中不可避免的重大缺陷，認真改進，加強土壤電阻率的勘測和分析，引入先進的計算機軟件，并專門派人去華北電力大學學習。另外注意與施工方的溝通和協調，確保先進理念與具體實踐的完美結合，之后，該勘測設計院再沒出現過類似問題。下面將詳細介紹、分析某220kV變電站接地勘測、設計及改進過程，以及其后該勘測設計院所采取的一些變電站接地設計的改進措施。這對國內廣大接地設計從業者有著極強的參考意義。

2.4.1 概述

準確解析土壤電阻率是變電站接地地網設計的關鍵所在。如果土壤電阻率分層情況解析不準確，就不可能準確計算接地網的接地電阻值，從而導致設計差錯，將接地體布置在高電阻率區，最終降阻效果微弱，導致巨額投資浪費。

譬如，就在與該220kV變電所不遠處，某單位對另一座220kV變電所進行改造時，打了十多口100m的深井和斜井，僅從4Ω降至3Ω，與0.5Ω的目標值相去甚遠，導致79萬合同金額無法收取，而且還影響了變電站的投運，造成了一定經濟損失。

非常遺憾的是，這種類似案例仍時有發生，導致的重大損失時有所聞，而且這種損失短期內還無法避免，主要是土壤電阻率的勘測和分析非常費時、復雜且難度大，一般的設計人員很難做好。面對土壤結構復雜、變化較大的系列視在電阻率值，國內設計師多采用線性方式取平均值，或者本章參照《實用電力接地技術》推薦的將測得的視在電阻率ρ的值作為0.75a（電極間距）處的真實值來計算。這樣的后果就是多個單位根據同一組土壤電阻率數據設計接地方案時，設計方案往往各不相同，設計值跟實際值也常存在著較大的差異。

2.4.2 秦皇島某220kV變電站工程案例

站區地網面積為133.5m×190m。

共取30個測點，根據不同電極間距測視在電阻率，計算平均值見表2-2。

表2-2 秦皇島某220kV變電站視在電阻率（20m測點）

1.接地電阻值要求R≤0.5Ω

顯然，表層電阻率相當理想，可是考慮到電阻率往下呈逐漸升高的趨勢，該勘測設計院還是將數據發給多個其他單位的專家以聽取意見，結果，全都認為133.5m×190m的水平地網即可使接地電阻值降至0.5Ω。

但是，后來的實踐事實表明，水平地網僅使接地電阻值降至1.3Ω。

2.土壤電阻率分層原理解析

為什么最終結果跟眾多設計者的初始設計計算相差如此之大？關鍵在于該變電站下方存在著復雜的土壤分層，各層之間的土壤電阻率差異較大，較難分析，再加上勘測不到位，所以分析不準就是必然性的了。

下面舉例說明。表2-3給出了一組視在電阻率數據?？紤]到目前仍有眾多的勘測設計院習慣只測20m甚至更短的電極間距的視在電阻率，故先給出的是20m電極間距的視在電阻率，可估算一下土壤電阻率狀況。

表2-3 一組視在電阻率數據例子

其實，除非借助電腦軟件，否則，很難估準電阻率狀況。

將式（2-4）輸入電腦，制成兩層土壤的視在電阻率曲線圖，通過該曲線圖可模擬反演出表2-3中的數據為一種典型的理想的兩層電阻率的系列視在電阻率值，20m以上電阻率為80Ω·m，20m以下為1200Ω·m。

圖2-7所示為實測視在電阻率與分析土壤電阻率分層情況（80Ω·m-20m-1200Ω·m）曲線。平滑曲線為理想的視在電阻率，與表2-3中的視在電阻率值高度一致。

圖2-7 實測視在電阻率與80Ω·m-20m-1200Ω·m標準視在電阻率曲線

圖2-8所示為實測視在電阻率與分析土壤電阻率分層情況（80Ω·m-20m-1800Ω·m）曲線，曲線與表2-3中的實際視在電阻率值幾乎保持一致，僅在20m極間距處，曲線跟實際值之間表現出微小的誤差。但這是在完全理想的情況下解析得到的。在實際中，電阻率往往都是不均勻的，存在著一定的波動，如果曲線跟實測值之間的誤差能像圖2-8所示的這么小，則認為電阻率的分層解析已經比較精確了。

不過，圖2-8所示模擬分析出來的土壤分層結構卻是，20m以上視在電阻率為80Ω·m，20m以下為1800Ω·m。這樣曲線的下層電阻率與實際值相差600Ω·m。

圖2-8 實測視在電阻率與80Ω·m-20m-1800Ω·m標準視在電阻率曲線

因此，即使是最高級的電腦軟件，也未必能分析準20m下層土壤視在電阻率情況。為此，須增大最大極間距離a_max，以進一步測準20m以下的視在電阻率狀況。

圖2-9中，從上到下4根視在電阻率曲線，代表了兩層土壤結構的4種模型：上層土壤視在電阻率均值為ρ=80Ω·m，厚度均值為d=20m；下層土壤視在電阻率分別為1800Ω·m、1500Ω·m、1200Ω·m和1000Ω·m。通過觀察4根視在電阻率曲線我們可以發現，當最大極間距離a_max值小于20m時，幾乎不可能將4根視在電阻率曲線區別開來，此時很難準確解析實際分層土壤視在電阻率。當最大極間距離a_max小于60m時，4根視在電阻率曲線仍保持了較大的一致性，如果土壤水平分層相對均勻，土壤分層狀況大致可以解析出來，如果土壤電阻率在水平方向存在著一定的分層狀況或者比較不均勻，那么實測值的波動很容易導致解析值跟實際分層狀況產生較大誤差。當最大極間距離a_max達到200m時，4條電阻率曲線已經明顯分叉開來，此時土壤的分層解析工作就容易得多，也準確得多。

圖2-9 實測視在電阻率與4種兩層土壤模型的電阻率曲線

2.4.3 秦皇島某220kV變電站工程案例的進一步分析

至此，我們再回頭分析表2-2給出的土壤視在電阻率，則容易理解眾多的設計者均得出某220kV變電站站內水平地網可以降至0.5Ω的原因了。由于初始提供的20m內電極間距的視在電阻率最大值僅為112.3Ω·m，不少專家便以此認為整個地網的等值電阻率也應該比100Ω·m多一些，故水平地網的接地電阻應該可以降至約0.5Ω。

事實上，僅依靠20m內電極間距的視在電阻率值，即使通過高級電腦軟件，仍無法得出此變電站的準確電阻率分層。通過后來的兩次進一步勘測，我們發現，在電極間距達到60m時，視在電阻率漸漸增至231Ω·m；電極間距增至200m時，視在電阻率則增至879Ω·m（見表2-4）。

表2-4 秦皇島某220kV變電站視在電阻率（200m測點）

如果此時再重估某土壤電阻率，我想應該沒有人會認為計算某水平地網的等效視在電阻率比100Ω·m多一些了。因此，通過增加最大極間距離a_max獲得更多深層土壤視在電阻率信息是很必要的：

1）如果最大極間距離a_max過小，那么再高級的電腦軟件都無法分析準確。

2）只要最大極間距離a_max增大到一定距離（如DL 475—2006《接地裝置工頻特性參數的測量導則》推薦的“擬建接地裝置最大對角線的2/3”甚至更長），一般的設計師都能通過直觀大致判斷出深層土壤電阻率值。

不過需要說明的是，在實際工程應用中，由于土石分布高度不均，理想的土壤分層往往并不存在，只能盡可能地使模擬視在電阻率分層接近實際視在電阻率分層。

像某220kV變電站，當電極間距最長延至60m時，測量出來的土壤視在電阻率可反演出來的一近似的三層土壤分層模型，根據此模型計算出來的水平地網接地電阻比實測值小18.6%；當電極間距最長延至200m時，測量出來的土壤視在電阻率也可反演出一近似的三層土壤分層模型，根據此模型計算出來的水平地網接地電阻值比實測值小5.4%。顯然，后者在更大范圍內測量了土壤視在電阻率數據，結果也更接近實際值，并據此設計計算出深井加斜井的進一步降阻措施。深井斜井施工完畢后，實測值跟最后的設計值基本一致，為0.69Ω。

2.4.4 某勘測設計院的改進措施及啟發意義

在秦皇島某220kV變電站接地工程完成后，某勘測設計院深刻認識到傳統接地理念的缺陷以及現有標準規范的局限（如DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》等均不含土壤電阻率的分層方法），并采取了如下改進措施：

1）購進CDEGS軟件包，并專門派人去華北電力大學學習其應用技術以及先進的設計理念。

2）進一步強化勘測工作，加大在勘測方面的投入。之前測量時一般只取20m的最大電極間距。之后又增加了26m、33m等更多的電極間距，最大電極間距一般取260m。測點數量隨著電極間距的增大而適當減少，電極間距超過20m后，一般只測3個點。

3）注意與施工工程公司的互動，提醒或者建議施工公司（很多是專業的接地公司），在投標前應作進一步的詳細勘測，取得更加詳細的視在電阻率數據，從而將方案修正得更加完善。

此后至今5年多，再無發生過類似某220kV變電站的偏差，而且，一般都能比較準確地一次設計到位。

反觀其他設計院，常認為出現較大的設計偏差是常態，甚至認為這是很正常的事。因此，很多設計院在初始設計時一般只敢考慮一半的預算費用，剩下的一半留作二次甚至三次改造使用，這顯然不及綜合了跨步電壓、接觸電壓等多方因素的一次性成功的設計經濟、合理，很容易造成較大的浪費，延誤變電站的投產。之所以發生上述種種弊端的一個重要原因就是缺乏周密的電阻率勘測工作。像在南方兩廣地區，很多設計院采用四極法勘測土壤電阻率時，最大電極間距常常只取10m，一些則干脆放棄了土壤電阻率的四極測量方法，直接根據地勘材料估計，如此，設計不準就是必然性的了。

因此，作者認為，某勘測設計院在接地方面的改進措施應代表著國內變電站接地今后的發展趨勢。不過，并非所有的設計院都能購買得起CDEGS軟件包或者有某勘測設計院那樣的學習、深造機會。事實上，就接地而言，也沒必要買CDEGS軟件包，可以通過如下其他方式替代完成：

1）土壤電阻率分析無疑是最難、最關鍵的一環，不過卻可以通過電腦將式（2-4）編成程序，繪成成曲線圖，模擬實測視在電阻率，反演出電阻率分層情況，這可以通過Matlab、C語言等多種方法實現。甚至還能通過Excel實現，不過這需要精湛的技巧。本節的幾個視在電阻率分層解析圖就是通過Excel繪制的。另外，除了電腦軟件，還可以通過手工計算來實現，本書參考文獻[7，12]均有介紹，方法基本一致，讀者可以參照。

2）水平地網和垂直接地體的等值電阻率可通過本書第3章推薦的相關公式進行計算。水平地網等值電阻率推薦利用式（3-16）進行計算；垂直接地體推薦利用式（3-17）～式（3-20）進行計算。

2.4.5 結論

1）如果需要預先準確設計好變電站地網接地電阻值，則在采用四極法測量土壤電阻率時，最大電極間距應足夠長，建議取“擬建接地裝置最大對角線的2/3”或者“最大對角線長度”。

2）四極法所測視在電阻率值與具體深度的實際電阻率值意義截然不同，切不可采用一些文獻中推薦的將實測ρ值作為0.75a深處的數值等線性方法進行反演，而應通過編制視在電阻率曲線圖模擬實測視在電阻率的方式來進行反演。

3）計算變電站地網的接地電阻值時，水平地網、垂直接地體的等值電阻率也不宜采用線性方式大致估算，而應通過本書參考文獻[12]給出的相關公式進行計算。