吴晓红，周甫庆，廖敏夫，葛国伟

（1．昆明有色冶金设计研究院股份公司，昆明 650000；2.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116023）

缓释型离子接地装置特性及优化研究

吴晓红1，周甫庆1，廖敏夫2，葛国伟2

（1．昆明有色冶金设计研究院股份公司，昆明 650000；2.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116023）

接地是电力建设的关键问题之一，关于电力系统的安全可靠运行。为了提高接地系统的性能，本文提出一种缓释型离子接地装置，通过内外两种降阻离子填料特性的协同，离子内填料主要用于降阻，外填料主要用于保持延缓内填料的消耗，进而延长接地装置的使用寿命。通过理论分析建立了接地电极接地电阻分析模型，分析得到了缓释型离子接地装置的结构参数，并设计了缓释型离子接地装置样机，重点对离子接地装置的不同配方、配比的内外填料对接地电阻的影响试验研究，得到了缓释型离子接地装置内填料和外填料的配方和配比。本文研究为优化缓释型离子接地装置的性能和使用寿命有着参考和指导意义。

缓释型离子接地；接地电阻；内填料；外填料

0 引言

随着国家智能电网向特高压、大容量方向的发展，接地系统对于确保人身和设备安全，维护电力安全运行的作用越来越重要，输变电站对接地系统提出了更高要求[1－2]。

目前常用的提高接地性能的方法包括物理降阻和化学降阻两类。物理降阻方法是对接地电极结构、接地网、接地深度等进行改进和优化，主要包括外延接地网、增设接地体、深井接地和三维立体接地等。物理降阻方法一般工程量大，成本高，效果不明显。不同于物理降阻方法，化学降阻方式是从降低土壤电阻率方面入手，通过在接地极周围的土壤中添加化学物质，以降低土壤的电阻率，从而降低接地极的接地电阻。通过化学方法降低接地电阻效果显著，但是容易散失，不具有长效性，而且腐蚀接地电极，使用寿命较短。因此长效、稳定、低腐蚀率的接地装置迫切需求[3－5]。

目前，国内外的研究人员逐渐将研究方向转向三维地网的建设。在接地面积受限的市区可以采用占地面积小、接地电阻受气候影响小的深井式接地极，这种接地方式可以在站内将接地问题解决[6－8]。2000年以后SZJ型接地装置在电力系统得到一定的应用，并取得了一定的效果，但装置成本较高[9－11]。清华大学对爆破接地技术进行了相关研究，研究发现，对于单根竖直的接地极使用爆破接地法可以使降阻物质以树枝状均压分布在裂缝中[12－13]。近年来，随着科学技术的发展出现了更好的降阻方法，但由于成本和实施方面的问题并没有得到广泛应用。

笔者提出了综合物理和化学降阻方法的缓释型离子接地装置，该装置与普通单根接地极不同，分外内外两管，通过内外管的结构和外填料的吸水性及保水性延缓降阻离子内填料的释放，延长使用寿命。为对上述缓释型离子接地装置的特性进行研究和优化，笔者首先分析了缓释型离子接地装置的工作机理与结构，然后通过接地极接地电阻分析得到了缓释型离子接地装置的结构参数，通过试验研究了不同配方和配比的降阻离子内填料和外填料对接地电阻的影响，得到了使用于缓释型离子接地装置的内外填料成分和配比，优化了缓释型离子接地装置的性能，提高了其使用寿命，为电网建设和输变电接地工程提供有效、可靠、长寿命的接地方式。

1 缓释型离子接地装置原理及结构

缓释型离子接地装置采用双管结构，其结构如图1和2所示，内管内填充降阻离子内填料，外管内填充具有吸水性和保水性的离子外填料。外管璧分布均匀的过滤孔，内管璧旨在底部的1/3长度分布均匀的过滤孔。另外在缓释型离子接地装置底部也分布均匀的过滤孔，过滤孔的主要作用是提供降阻离子的扩散通道，这样不仅可以延缓离子内料的使用又可以降低接地电阻。

降阻离子内填料以无机类离子剂组成，主要包括 NaCl、KCL、MgSO4、CuSO4、Na2SO4和（NH4）SO4等。这些无机类离子可以大大减低接地极的接地电阻。外填料需要具有保水性和吸水性，这样外填料可以起到延缓离子内填料释放的作用。外填料主要成分为有机离子，例如丙烯酰胺、聚乙烯醇等。由于这些有机离子的结构大多是三次型，为了增加其硬度需要使用固化剂。此外，还需要添加氯化钠等电解质化学物以降低其电阻率。为了降低接地电极的腐蚀，内填料PH值控制在6～10之间。内外填料缓慢释放，使用较少且大部分可分解吸收，所以对土壤环境影响较小。

图1 缓释型离子接地装置结构图Fig.1 Construct of the SRIGD

图2 缓释型离子接地装置工作机理Fig.2 Mechanism of the SRIGD

缓释型离子接地装置的工作机理如图2所示，内填料通过内管璧上的过滤孔扩散到外管内，外管内的外填料和扩散到外管内的内填料通过外管壁上的过滤孔向土壤四周扩散、渗透，形成树根状结构，外填料也具备一定的降阻性能，主要扩散到接地装置的上部，内填料具有较好的降阻性能，主要渗透到接地装置的下部，这样既增加了接地极与土壤的接触面积，降低了接地电阻，又有效了延缓的内填料的释放，提高了其使用寿命。

2 接地电阻影响分析

2.1 分析模型

一般通过积分的方法获得接地电阻的模型。假设一根可以均匀散流的导体，导体的长度设为Ls，那么，我们可以得到导体上任一点P的电位额表达式为[14]。

对于如图3所示的导体布置结构，线性导体两端的坐标分别为（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2），P 点坐标为（x0，y0，z0）。P 点电位为

图3 地中线性导体段及其镜像Fig.3 The grounding linear conductor and mirror image

线性导体的接地电阻R为

2.2 结果分析

根据上述数学计算模型，选取计算边长l为0.5 m，导体半径r为0.025 m的正方形接地网[16]。在土壤电阻率ρ为350 Ω.m，土壤不分层的条件下，分析不同深度 0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m 等对接地电阻的影响。

在其他条件不变的情况下，接地极的接地电阻与其铺设深度成反比，如图4所示。对于50 Hz的工频电而言，当接地极的铺设深度增加0.2m，接地极的接地电阻可以降低4%。但是接地极的铺设深度和接地电阻之间存在饱和效应，当接地极铺设深度超过1m后，通过增加铺设深度降低接地电阻的效果变得并不显著。因此对于变通情况下，推荐水平接地电极埋设深度为1m。

图4 接地电阻随埋设深度变化曲线Fig.4 The interaction between the depth and grounding resistance

为了研究电极半径对接地极接地电阻的影响，在仿真过程中接地极的参数设置为：深度1 m，土壤电阻率350 Ω/m。通过仿真结果可以看出，当接地极的半径在30 mm以内时，通过增大电极半径可以有效的降低接地极的接地电阻，但是当半径在30 mm以上，通过增加半径来降低接地电阻的效果并不明显。通过以上分析，接地极的半径应在20～30 mm。

根据上述分析缓释型离子接地装置的电极外管半径25 mm，长度1 m。设计的缓释型离子接地 装置实物图如图5所示。

图5 缓释型离子接地装置样机Fig.5 The prototype of the SRIGD

3 缓释型离子接地装置性能试验方法

3.1 试验电路

为了测量单根接地极的接地电阻，采用ZC－8接地电阻测试仪进行测量，其接线方式如图6所示，主要包括接地极（E）、电位接地极（P）和电流接地极（C）。E与接地体连接，P和C分别通过辅助电极插入距离接地体20 m和40 m的土壤中。ZC－8接地电阻测试仪的测量范围包括：0～1Ω，1～10Ω，10～1 000 Ω。

图6 接地电阻测试仪接线方式Fig.6 Wiring method of the grounding resistance tester

3.2 试验方法

1）降阻离子剂：根据常见降阻离子剂的成分[15]，按照不同的比例混合得到了8种不同的试剂，其成分可见表1所示，按照表1的组合，将上述试剂混合得到不同的离子内填料，将离子内填料填入缓释型离子接地装置，记录接地电阻的变化情况，由于受到时间的限制，取接地电阻稳定几个小时的内稳定值作为参考值。

离子外填料需要具有保水性和吸收性，同时具备一定的导电性，本设计中外填料以有机类为主，并添加如固化剂和导电剂，这样外填料混合形成的固化材料，提高接地性能，又可以保持延缓内填料的释放速度，保持离子内填料缓慢释放，提高其使用寿命。根据常见的有机离子剂的成分，并加入导电石墨，NaCl等，得到了外填料的试剂组合见表2所示。

表1 离子内填料试剂表Table 1 The ion reagent of the internal filling

表2 外填料组合表Table 2 Combinations of the external filling

2）试验步骤：①按照内填料和外填料的成分配置相应的离子剂；②按照接地电阻测试电路，将缓释型离子接地装置添加不同的内填料后埋入试验土壤中；③测试对比不同内填料离子剂的效果，选取最佳的离子内填料；④根据选取的内填料改变其比例，得到最佳的比例配方。⑤在上述内填料研究的基础上，添加外填料，按照步骤②的方法测试外填料的效果；⑥通关上述方式，得到缓释型离子接地装置的内填料和外填料的最佳配方和配比。

4 缓释型离子接地装置降阻离子填料优化

4.1 不同内填料离子剂研究

按照上一节的试验方法测试不同内填料离子剂的接地电阻效果如图7所示，从图中可以看出，随着时间的增加，接地电阻降低并稳定在一定值，这是由于离子剂从缓释型离子接地装置内管向外扩散、渗透到土壤中，进而降低了接地电阻。从不同内填料试剂的接地电阻效果分析可知，内填料试剂2的效果最好，扩散、渗透的较快而且降低接地电阻效果明显，所以宜选用试剂2作为缓释型离子接地装置的内填料。

图7 不同离子内填料试剂接地电阻效果Fig.7 The effect of the different internal filling

图8 内填料试剂2调整比例后接地电阻效果Fig.8 The different proportion of the internal filling

改变试剂2中各个成分的比例，但为了满足离子剂对接地电极腐蚀的要求，离子剂的PH值不能超出标准范围，按照此要求分别改变（NH4）SO4、Na-Cl、CuSO4、NaHCO3的 比 例 为 42.6% 、26.25% 、38.6%、44.6%得到不同比例离子剂对接地电阻效果的影响如图8所示，通过对比分析可知，改变试剂2配方后的接地电阻效果不如原配方且稳定较差。所以应该采用试剂2的原配方作为内填料，其中（NH4）SO4、NaCl、CuSO4、NaHCO3的 比 例 分 别 为12.6%、30.8%、24.1%、32.5%。

4.2 不同外填料离子剂研究

在内填料为试剂2的基础上，按照表2中的四种外填料分别进行缓释型离子接地装置的单电极接地试验研究，可以得到不同外填料对接地电阻的影响规律，具体如图9所示，由上述数据可知，石墨虽然具有一定的导电性，但作为外填料和NaCl混合后的降阻效果不明显，主要是由于石墨对内填料的吸附作用，限制了内填料的扩散、渗透。降阻效果最好的是丙烯酰胺和NaCl，但外填料的主要目的是为了止接地极内降阻剂的流失，延长使用寿命，而聚乙烯醇的保水性和吸水性较好，同时它的降阻效果也较好，因此外填料宜选用聚乙烯醇和NaCl的混合成分。

5 结论

笔者通过对缓释型离子接地装置的结构、原理及参数的分析，设计了缓释型离子接地装置样机，并通过内外填料离子剂不同配方和配比的对比试验研究，得到了适用于缓释型离子接地装置的内外填料成分和配比，为进一步提高接地性能和使用寿命奠定了坚实的基础。主要得到的结论包括以下几方面：

1）通过接地电阻影响分析，确定了缓释型离子接地装置的长度为1m，半径为25mm，并设计了缓释型离子接地装置的样机。

2）通过不同配方和配比的降阻离子剂的对比试验研究，得到了内填料最佳的成分和配比。并综合考虑接地性能和保水性及吸水性等，聚乙烯醇和氯化钠是最佳的外填料成分。

3）针对缓释型离子接地装置的研究工作，为缓释型离子接地装置的推广应用奠定了基础，该装置的实际使用寿命有待进一步的验证。

图9 不同外填料的降阻效果Fig.9 The effect of the external filling on grounding resistance

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The Characteristics and Optimization of Sustained Release Ion Grounding Device

WU Xiaohong1，ZHOU Fuqing1，LIAO Minfu2，GE Guowei2
（1.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.，Ltd，Kunming 650000，China；2.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Grounding system which regards the reliability and the safety of the power system is a key problem of the electric power construction.In order to improve the performan of the resistance reducing effect，the sustained release ion grounding device（SRIGD）which is composed of the internal filling and the external filling is proposed.The internal filling is used to release to the soil to gain the perfect grounding effect while the external filling is used to keep suspend the releasing of the internal filling to prolong the service life of grounding device.The grounding resistance model of the grounding electrode is established to analyze the construct and parameters of the SRIGD.The prototype of the SRIGD is designed according to the above analysis.The influence of the different external filling and internal filling on the grounding resistance is investigated.The optimal recipe and proportion is gained by contrast test from different resistance reducing agent.The paper supplies the base of the SRIGD optimization and provides the reference of the extending the life.

sustained release ion grounding；grounding resistance；external filling；internal filling

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.012

2017－01－10

吴晓红（1965—），女，高级工程师。主要研究方向：供配电及电气自动化设计。

国家自然科学基金（编号：51277020；51477024；51337001）；中央高校基本科研业务专向基金（编号：DUT13YQ102；DUT15ZD234）。