2.4 接地地网设计中电阻率分层解析和接地电阻值计算的研究
某220kV变电所接地工程可谓某勘测设计院设计史上的一座里程碑。该变电站土壤结构复杂，且有极大的迷惑性，曾导致多家国内单位专家犯错，最终在华北电力大学等单位的协助下成功降阻。该勘测设计院也因此深刻认识到传统设计理念中不可避免的重大缺陷，认真改进，加强土壤电阻率的勘测和分析，引入先进的计算机软件，并专门派人去华北电力大学学习。另外注意与施工方的沟通和协调，确保先进理念与具体实践的完美结合，之后，该勘测设计院再没出现过类似问题。下面将详细介绍、分析某220kV变电站接地勘测、设计及改进过程，以及其后该勘测设计院所采取的一些变电站接地设计的改进措施。这对国内广大接地设计从业者有着极强的参考意义。
2.4.1 概述
准确解析土壤电阻率是变电站接地地网设计的关键所在。如果土壤电阻率分层情况解析不准确，就不可能准确计算接地网的接地电阻值，从而导致设计差错，将接地体布置在高电阻率区，最终降阻效果微弱，导致巨额投资浪费。
譬如，就在与该220kV变电所不远处，某单位对另一座220kV变电所进行改造时，打了十多口100m的深井和斜井，仅从4Ω降至3Ω，与0.5Ω的目标值相去甚远，导致79万合同金额无法收取，而且还影响了变电站的投运，造成了一定经济损失。
非常遗憾的是，这种类似案例仍时有发生，导致的重大损失时有所闻，而且这种损失短期内还无法避免，主要是土壤电阻率的勘测和分析非常费时、复杂且难度大，一般的设计人员很难做好。面对土壤结构复杂、变化较大的系列视在电阻率值，国内设计师多采用线性方式取平均值，或者本章参照《实用电力接地技术》推荐的将测得的视在电阻率ρ的值作为0.75a（电极间距）处的真实值来计算。这样的后果就是多个单位根据同一组土壤电阻率数据设计接地方案时，设计方案往往各不相同，设计值跟实际值也常存在着较大的差异。
2.4.2 秦皇岛某220kV变电站工程案例
站区地网面积为133.5m×190m。
共取30个测点，根据不同电极间距测视在电阻率，计算平均值见表2-2。
表2-2 秦皇岛某220kV变电站视在电阻率（20m测点）
1.接地电阻值要求R≤0.5Ω
显然，表层电阻率相当理想，可是考虑到电阻率往下呈逐渐升高的趋势，该勘测设计院还是将数据发给多个其他单位的专家以听取意见，结果，全都认为133.5m×190m的水平地网即可使接地电阻值降至0.5Ω。
但是，后来的实践事实表明，水平地网仅使接地电阻值降至1.3Ω。
2.土壤电阻率分层原理解析
为什么最终结果跟众多设计者的初始设计计算相差如此之大？关键在于该变电站下方存在着复杂的土壤分层，各层之间的土壤电阻率差异较大，较难分析，再加上勘测不到位，所以分析不准就是必然性的了。
下面举例说明。表2-3给出了一组视在电阻率数据。考虑到目前仍有众多的勘测设计院习惯只测20m甚至更短的电极间距的视在电阻率，故先给出的是20m电极间距的视在电阻率，可估算一下土壤电阻率状况。
表2-3 一组视在电阻率数据例子
其实，除非借助电脑软件，否则，很难估准电阻率状况。
将式（2-4）输入电脑，制成两层土壤的视在电阻率曲线图，通过该曲线图可模拟反演出表2-3中的数据为一种典型的理想的两层电阻率的系列视在电阻率值，20m以上电阻率为80Ω·m，20m以下为1200Ω·m。
图2-7所示为实测视在电阻率与分析土壤电阻率分层情况（80Ω·m-20m-1200Ω·m）曲线。平滑曲线为理想的视在电阻率，与表2-3中的视在电阻率值高度一致。
图2-7 实测视在电阻率与80Ω·m-20m-1200Ω·m标准视在电阻率曲线
图2-8所示为实测视在电阻率与分析土壤电阻率分层情况（80Ω·m-20m-1800Ω·m）曲线，曲线与表2-3中的实际视在电阻率值几乎保持一致，仅在20m极间距处，曲线跟实际值之间表现出微小的误差。但这是在完全理想的情况下解析得到的。在实际中，电阻率往往都是不均匀的，存在着一定的波动，如果曲线跟实测值之间的误差能像图2-8所示的这么小，则认为电阻率的分层解析已经比较精确了。
不过，图2-8所示模拟分析出来的土壤分层结构却是，20m以上视在电阻率为80Ω·m，20m以下为1800Ω·m。这样曲线的下层电阻率与实际值相差600Ω·m。
图2-8 实测视在电阻率与80Ω·m-20m-1800Ω·m标准视在电阻率曲线
因此，即使是最高级的电脑软件，也未必能分析准20m下层土壤视在电阻率情况。为此，须增大最大极间距离amax，以进一步测准20m以下的视在电阻率状况。
图2-9中，从上到下4根视在电阻率曲线，代表了两层土壤结构的4种模型：上层土壤视在电阻率均值为ρ=80Ω·m，厚度均值为d=20m；下层土壤视在电阻率分别为1800Ω·m、1500Ω·m、1200Ω·m和1000Ω·m。通过观察4根视在电阻率曲线我们可以发现，当最大极间距离amax值小于20m时，几乎不可能将4根视在电阻率曲线区别开来，此时很难准确解析实际分层土壤视在电阻率。当最大极间距离amax小于60m时，4根视在电阻率曲线仍保持了较大的一致性，如果土壤水平分层相对均匀，土壤分层状况大致可以解析出来，如果土壤电阻率在水平方向存在着一定的分层状况或者比较不均匀，那么实测值的波动很容易导致解析值跟实际分层状况产生较大误差。当最大极间距离amax达到200m时，4条电阻率曲线已经明显分叉开来，此时土壤的分层解析工作就容易得多，也准确得多。
图2-9 实测视在电阻率与4种两层土壤模型的电阻率曲线
2.4.3 秦皇岛某220kV变电站工程案例的进一步分析
至此，我们再回头分析表2-2给出的土壤视在电阻率，则容易理解众多的设计者均得出某220kV变电站站内水平地网可以降至0.5Ω的原因了。由于初始提供的20m内电极间距的视在电阻率最大值仅为112.3Ω·m，不少专家便以此认为整个地网的等值电阻率也应该比100Ω·m多一些，故水平地网的接地电阻应该可以降至约0.5Ω。
事实上，仅依靠20m内电极间距的视在电阻率值，即使通过高级电脑软件，仍无法得出此变电站的准确电阻率分层。通过后来的两次进一步勘测，我们发现，在电极间距达到60m时，视在电阻率渐渐增至231Ω·m；电极间距增至200m时，视在电阻率则增至879Ω·m（见表2-4）。
表2-4 秦皇岛某220kV变电站视在电阻率（200m测点）
如果此时再重估某土壤电阻率，我想应该没有人会认为计算某水平地网的等效视在电阻率比100Ω·m多一些了。因此，通过增加最大极间距离amax获得更多深层土壤视在电阻率信息是很必要的：
1）如果最大极间距离amax过小，那么再高级的电脑软件都无法分析准确。
2）只要最大极间距离amax增大到一定距离（如DL 475—2006《接地装置工频特性参数的测量导则》推荐的“拟建接地装置最大对角线的2/3”甚至更长），一般的设计师都能通过直观大致判断出深层土壤电阻率值。
不过需要说明的是，在实际工程应用中，由于土石分布高度不均，理想的土壤分层往往并不存在，只能尽可能地使模拟视在电阻率分层接近实际视在电阻率分层。
像某220kV变电站，当电极间距最长延至60m时，测量出来的土壤视在电阻率可反演出来的一近似的三层土壤分层模型，根据此模型计算出来的水平地网接地电阻比实测值小18.6%；当电极间距最长延至200m时，测量出来的土壤视在电阻率也可反演出一近似的三层土壤分层模型，根据此模型计算出来的水平地网接地电阻值比实测值小5.4%。显然，后者在更大范围内测量了土壤视在电阻率数据，结果也更接近实际值，并据此设计计算出深井加斜井的进一步降阻措施。深井斜井施工完毕后，实测值跟最后的设计值基本一致，为0.69Ω。
2.4.4 某勘测设计院的改进措施及启发意义
在秦皇岛某220kV变电站接地工程完成后，某勘测设计院深刻认识到传统接地理念的缺陷以及现有标准规范的局限（如DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》等均不含土壤电阻率的分层方法），并采取了如下改进措施：
1）购进CDEGS软件包，并专门派人去华北电力大学学习其应用技术以及先进的设计理念。
2）进一步强化勘测工作，加大在勘测方面的投入。之前测量时一般只取20m的最大电极间距。之后又增加了26m、33m等更多的电极间距，最大电极间距一般取260m。测点数量随着电极间距的增大而适当减少，电极间距超过20m后，一般只测3个点。
3）注意与施工工程公司的互动，提醒或者建议施工公司（很多是专业的接地公司），在投标前应作进一步的详细勘测，取得更加详细的视在电阻率数据，从而将方案修正得更加完善。
此后至今5年多，再无发生过类似某220kV变电站的偏差，而且，一般都能比较准确地一次设计到位。
反观其他设计院，常认为出现较大的设计偏差是常态，甚至认为这是很正常的事。因此，很多设计院在初始设计时一般只敢考虑一半的预算费用，剩下的一半留作二次甚至三次改造使用，这显然不及综合了跨步电压、接触电压等多方因素的一次性成功的设计经济、合理，很容易造成较大的浪费，延误变电站的投产。之所以发生上述种种弊端的一个重要原因就是缺乏周密的电阻率勘测工作。像在南方两广地区，很多设计院采用四极法勘测土壤电阻率时，最大电极间距常常只取10m，一些则干脆放弃了土壤电阻率的四极测量方法，直接根据地勘材料估计，如此，设计不准就是必然性的了。
因此，作者认为，某勘测设计院在接地方面的改进措施应代表着国内变电站接地今后的发展趋势。不过，并非所有的设计院都能购买得起CDEGS软件包或者有某勘测设计院那样的学习、深造机会。事实上，就接地而言，也没必要买CDEGS软件包，可以通过如下其他方式替代完成：
1）土壤电阻率分析无疑是最难、最关键的一环，不过却可以通过电脑将式（2-4）编成程序，绘成成曲线图，模拟实测视在电阻率，反演出电阻率分层情况，这可以通过Matlab、C语言等多种方法实现。甚至还能通过Excel实现，不过这需要精湛的技巧。本节的几个视在电阻率分层解析图就是通过Excel绘制的。另外，除了电脑软件，还可以通过手工计算来实现，本书参考文献[7，12]均有介绍，方法基本一致，读者可以参照。
2）水平地网和垂直接地体的等值电阻率可通过本书第3章推荐的相关公式进行计算。水平地网等值电阻率推荐利用式（3-16）进行计算；垂直接地体推荐利用式（3-17）～式（3-20）进行计算。
2.4.5 结论
1）如果需要预先准确设计好变电站地网接地电阻值，则在采用四极法测量土壤电阻率时，最大电极间距应足够长，建议取“拟建接地装置最大对角线的2/3”或者“最大对角线长度”。
2）四极法所测视在电阻率值与具体深度的实际电阻率值意义截然不同，切不可采用一些文献中推荐的将实测ρ值作为0.75a深处的数值等线性方法进行反演，而应通过编制视在电阻率曲线图模拟实测视在电阻率的方式来进行反演。
3）计算变电站地网的接地电阻值时，水平地网、垂直接地体的等值电阻率也不宜采用线性方式大致估算，而应通过本书参考文献[12]给出的相关公式进行计算。