|
沙漠油田接地装置降阻技术措施研究
张犁1，何林海2，华新娟2，袁冬2
1.新疆油田公司 834000 2.新疆时代石油工程有限公司 834000
摘要：通过对油田几十年来采用的多种接地技术的阐述、分析，推荐沙漠油田应利用低电阻接地模块来降低接地电阻。对杆架式变电站接地装置利用该模块进行接地电阻的理论计算和实际应用，为其它设施降低接地电阻提供技术参考。
关键词：沙漠油田 高土壤电阻率 接地装置 降低接地电阻低电阻接地模块
新疆克拉玛依油田有杆架式变电站6700个，遍布油田的各个角落：戈壁、草场、农田、沙漠……，数量多，分散而且面积广，近年来，沙漠油田发生了多起接地电阻升高事故，不仅烧毁了一次设备，有的还造成了牧民的牲畜触电死亡事故。接地是保证电力系统、电气设备正常运行和人身及财产安全而采取的重要技术措施，除了加强对接地装置的管理外，技术措施也是一个重要的环节。接地成功的最主要指标就是接地装置的接地电阻是否符合规范要求，并保持长期稳定。在设计和安装杆架式变电站接地装置时，根据电力行业标准DL/T621-1997，接地装置的接地电阻应满足：（1）、变压器容量在100kVA以下（含100kVA）的接地电阻R≤10Ω；（2）、变压器容量在100kVA以上的接地电阻R≤4Ω。
克拉玛依油田地处亚欧大陆腹地，典型的温带大陆性干旱气候，夏季干热，冬季寒冷，降水稀少，蒸发量大，土壤电阻率高，并具较强的盐碱腐蚀性，必须采取行之有效的接地解决方案，使接地装置使用寿命达到油田的开采年限。象前面提到的那样，克拉玛依油田通过五十多年的发展，地域从当初的市郊戈壁，发展到周边更远的草场、农田，现在已经延伸到了准噶尔盆地的腹部沙漠。随着油田的发展，接地技术也不断发展，在设计、施工、管理等方面积累了丰富的经验，尤其对沙漠油田（土壤电阻率在300Ω·m）接地装置的降阻技术，进行了深入的研究。
一、接地装置的几个概念
1．接地装置 接地体和接地线的总合。
2．接地线
从引下线断接卡或换线处至接地体的连接导体；或从接地端子、等电位连接带至接地装置的连接体。
3．接地体 埋入土壤或混凝土基础中作散流用的导体。
4．土壤电阻率 1㎡土壤的电阻值，单位Ω·m。其值与土壤的性质有关，是影响接地电阻大小的重要参数。
5． 接地电阻
是接地电流在流经接地体到大地过程所测量到的接地地极的电阻。它由三部分组成：①接地线的电阻和接地极自身的电阻；②接地电极的表面及其接触的土地之间的接地电阻（接触电阻）；③接地极周围土壤的电阻（散流电阻）。
研究表明，接地装置的接地电阻中：①占1%-2%，可以忽略；②占20%-60%；③占40%-80%。因此接地电阻与接地极周边土壤的类型、土壤中活性电解离子的含量、土壤中水分含量、温度密切相关，决定着接地电阻的大小。
二、克拉玛依油田接地技术介绍
接地技术的关键是降低接地电阻，降低接地电阻的关键是科学的选择接地材料、对接地体周围的土壤进行降阻处理，油田几十年来采用的降阻方法主要有以下几种：
1．人工处理的方法
在接地体周围的土壤中加入化学物，如：食盐、木炭、炉灰等，提高接地体周围土壤的导电性。克拉玛依油田在二十世纪九十年代中期以前，都是采用这种方法，并且大都采用食盐。盐是一种活性较大的化学物质，易溶解在水中，可以很快降低接地电阻，但对于不同的土壤其效果不同，如:
砂质粘土用食盐处理后，土壤电阻率可减小1/3～1/2，砂土的电阻率减小3/5～3/4，沙漠的电阻率减小7/9～7/8。这种方法工程造价低且效果明显，但从长期性考虑，盐会随着雨水和地下水的流失而流失，随着盐的流失，接地电阻会不断升高。另外，大量的工业盐对接地体有很强的腐蚀作用，降低接地体的使用寿命，使油田接地体的维护工作量很大。因此随着接地新材料的不断出现，已逐渐减少在土壤中加食盐的降阻方法，仅在土壤电阻率低且投资紧张的地方采用。
2．更换土壤的方法
这种方法是采用电阻率较低的土壤（如:
粘土、黑土及砂质粘土等）替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5米以内和接地体的1/3处。但这种取土置换方法对人力和工时耗费都较大，在油田中很少采用，仅限于特殊条件下使用。
3．利用长效物理防腐降阻剂的方法
降阻剂是由若干种非金属矿粉配制而成的，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，因而能较长时间（6～10年左右）保持良好的导电作用。在接地体、接地线周围包裹了长效物理防腐降阻剂后，可以起到降低接地体与周围大地介质之间的接触电阻的作用，并且降阻剂有可扩散成分，可以改善周边土壤的导电属性，因而能降低接地装置的接地电阻。降阻剂用于大面积的集中接地和接地网时，其降阻效果比较显著，从1997年起油田开始逐步使用降阻剂，现已成为油田降阻的主要手段。
使用长效物理降阻剂施工环节多，对各环节要求严格：在接地沟边置一块铁皮，将降阻剂和水按1：0.5的比例搅拌均匀成泥糊状，然后将泥糊状的降阻剂均匀连续地包裹在接地体（线）周围，待其初凝后再加原土夯实；而对于沙漠地区，为防止细纱与降阻剂混合影响降阻效果，宜用特制的模具或档板来施工。由于一些施工单位疏于管理，或由于油田滚动开发工期短的原因，不能按照上述要求施工，将降阻剂撒在接地沟（坑）内，填土浇水了事，直接影响降阻剂的使用效果，造成接地装置的接地电阻在来年检测时有近半数不合格。2004-2005年，石西油田、彩南油田这两个沙漠油田均出现这种情况，使油田的电气设计、管理人员不得不寻找既有效降阻又不受施工影响（易于施工）的降阻新方法。
4．利用低电阻接地模块（简称接地模块）
接地模块是近3年兴起的一种新型接地材料，由导电性、化学稳定性优越的非金属矿物材料、凝胶料和吸湿剂等复合加工成型的。加工方法有浇注成型和机械压模成型，前者产品结构松散、强度低、质量不稳定，已不采用。接地模块具有极强的吸湿保湿能力，能充分发挥模块材料的导电作用，起到增大接地体本身散流面积、减少接地体与土壤间接触电阻的作用。模块体内配制的电解离子化合物和高分子吸湿材料，经过吸湿潮解后，活性离子渗透到接地极周围土壤，可改善散流条件，尤其在高土壤电阻率的地区应用时，能大幅度提高散流效果，降低散流电阻，从而能获得较低的接地电阻。
接地模块具有如下特点；
（1）模块采用化学性能稳定的非金属导体材料作为模块的导电介质，其导电性不受环境气候的影响。
（2）能吸湿保湿，保持与土壤有效接触，接地电阻低。
（3）在高土壤电阻率地区，能有效降低地网接地电阻。
（4）耐受大电流冲击，阻值不增大，电阻稳定。
（5）耐受-70℃的低温，并且耐腐蚀、无毒，用量少、使用寿命长（一般在20年以上）。
（6）接地面积小，安装简便。
鉴于接地模块的以上优点，笔者在彩南沙漠油田进行了接地模块的试用。
三、接地模块的电阻理论计算
以彩南沙漠油田63KVA、10/0.4KV杆架式变电站接地装置为例，采用XX-MF方型接地模块，计算其用量。
已知条件:
1)土壤电阻率ρ＝300Ω.m；
2)杆架式变电站接地电阻要求≤10Ω；
3)地网面积为S＝12×12㎡；水平接地体长48m，采用50×5的镀锌扁钢。
1．水平接地网的接地电阻R1
根据DL/T
621-1997：
ρ:土壤电阻率：300Ω.m
L：水平接地网的总长度，48m {（a＋b）×2＝48m }
h：水平接地网的埋设深度，0.8m
d：水平接地网的直径或等效直径，0.0178m
A：水平接地网的形状系数
水平接地网的接地电阻R1为：
要达到10欧姆的接地电阻，需安装XX-MF方型接地模块并联后的接地电阻R2为：
R：接地要求电阻值：10Ω
R1:
水平接地网的接地电阻：12.932Ω
R2:水平方行接地模块并联的接地电阻：Ω
2．单根接地模块的接地电阻R3
单根方型接地模块的接地电阻R3：
R3：单根方型接地模块的接地电阻
ρ:土壤电阻率：300Ω.m
L: 长边长度：
0.48m
h：埋设深度：
0.8m
k: 降阻系数:
(200＜ρ≤500时 k＝1.5)
3．接地模块的数量n
多个模块的并联电阻R2为
R2:
模块并联接地电阻
R3：单根模块的接地电阻
n：模块的个数
P：为屏蔽系数（5m以上，P为1）
要达到44.10欧姆的并联模块接地电阻，需安装方型接地模块的数量为：
4根方型接地模块并联的接地电阻R4为：
4．接地装置的接地电阻R5
水平接地网和模块接地系统并联后接地电阻值R5为：
R5：整个接地系统的接地电阻：Ω
R1：水平接地系统的接地电阻：12.932Ω
R4：模块并联接地模块系统的接地电阻：41.03Ω
9.833<10Ω，满足接地要求。
通过理论计算，在土壤电阻率ρ＝300Ω.m的沙漠油田，要达到接地装置接地电阻小于等于10Ω，可采用4只XX-MF方型接地模块就能满足要求。
四、接地模块的实际应用情况
2006年6月，笔者在彩南沙漠油田1座63KVA、10/0.4KV杆架式变电站进行XX-MF接地系统实验，安装完成后测试接地电阻为8.92Ω。2006年7月、2006年9月又分别进行了2次测试，接地电阻分别为8.98Ω和8.94Ω，说明使用接地模块后，接地装置的接地电阻比计算结果要低，达到了预期降阻的效果。如果经1年的运行后，接地电阻始终低于理论值（R5），我们将在其他油田逐步推广该项降阻技术。
参考文献：
1.
解广润.电力系统接地技术 [M] .北京:水利电力出版社,1991。
东北电力集团公司.电力工程师手册(电气卷)[M] .中国电力出版社,2000。
|
