上标水力发电厂接地网降阻改造

来源:期刊VIP网所属分类:电力发布时间:2012-07-18浏览:

  内容摘要: 本文结合上标水电厂接地网的降阻改造工程的成功经验,介绍了各种降阻方法,并着重介绍了接地模块和降阻剂的降阻方式,详细介绍了电厂接地网改造的计算分析和采用多种方式共同降阻的具体实施。通过改造使接地电阻由原来的3.6Ω降到了1.53Ω,通过分析认为继续降阻将极不经济,在验算跨步电压和接触电压满足要求的情况下,完成了降阻改造工作。最后根据整个工程的经验总结了发电厂特定现场环境下接地网降阻的的经验和想法,提出了对接地网降阻的一些新的认识,认为降阻工作因因地制宜,根据现场条件确定最佳方案才能取得最好的效果。

  关键词:水电厂 接地网 降阻

  引言

  随着电网容量的增加及设备对防雷要求的不断提高,接地网在电力系统中的作用越来越被重视。近年来,很多电力企业都投入较大的资金和技术力量改造接地网,降低接地电阻。但由于接地系统受客观条件限制,且接地电阻影响因素较多,其接地系统建设改造并非能完全达到预期要求,往往有很多投入巨大财力物力,但收效甚微。特别是发电企业,因地处偏远、山地,土壤电阻率较高,接地电阻往往高于设计要求,而改造成本高,收效不明显,成为影响安全生产的一大难题。本文结合上标水力发电厂接地改造的经验,特别是其中采用的接地模块和多种降阻方式相结合的方法,值得进一步研究,有一定的推广意义。

  1、上标水电厂的接地网介绍

  1.1 基本介绍:

  上标水力发电厂位于浙江省丽水市景宁畲族自治县境内,是标溪流域开发的第一期工程。电站装机2*8000kw,经110kv升压站送入电网,由于土壤电阻率偏高其接地电阻严重超标,虽经过改造但接地电阻仍然高于规程规定的标准值。该电站的环境和现有接地电阻测试情况如下:电站地处多雷山区,四面环山,西北面有一山坳空地埋设了接地网,整个水电厂所处地表面为砂石,底下为花岗岩。整个地网面积约10000m2,结构为水平地网,包括引水钢管都已并入地网,平均土壤电阻率大约为1200Ω·m,地网以不等格水平接地体为主,先后几次用不同的方法对地网进行了测量,接地电阻均大于2Ω。最近一次测试于2005年7月8日,测试环境为:天气晴、气温38℃、连续10天未下雨,测试由厂设备部与中科讯公司一起对厂区内用于改造区域的土壤电阻率作了测试,分别采用10、20、30米的间隔布置四点法测量,得到1830Ω·m、1640Ω·m和1470Ω·m的土壤电阻率;并在2个方向对厂内现有地网接地电阻进行测量,测量采用大电流延长线法,电流极400米,电压极200米,往空地方向是4.5Ω,往厂门口方向3.6Ω,远高于规范要求的标准值。

  1.2 改造目标

  上标电厂全厂共用一套接地系统,特别是随着电网容量的增加,电厂监控自动化设备的不断增加,接地电阻偏大成为电厂安全生产的一个严重隐患。特别是电厂接地网敷设超过15年,腐蚀较严重,且近年又发生因反击烧坏模块的事故。电厂方决定全面改造建设接地网,保证满足电网规划发展范围内的地网的安全要求。根据规范要求提出接地网的改造目标:

  1.2.1接地电阻应达到R≤2000/I=2000/2000=1Ω

  1.2.2地面跨步电压(站内):Ek=(174+0.7ρ)/t1/2=1873.8V

  外延部分: Ek=(174+0.7ρ)/t1/2=1040.5V

  (式中t接地短路电流持续时间,按2次电击考虑,取0.7 秒;ρ地面土壤电阻率站内取2000Ω·m,外延取1000Ω·m)

  1.2.3设备接触电压Ej=(174+0.17ρ)/t1/2=611.9V

  (式中t接地短路电流持续时间,按2次电击考虑,取0.7 秒;ρ地面土壤电阻率站内取2000Ω·m)

  1.2.4设备接地引下线及地网主干线必须满足4KA短路电流、后备保护2S的热稳定要求。

  1.2.5设计寿命:大于30年

  1.2.6改造目标:采用现代科技手段,对上标一级电站接地网实施降阻,使其工频接地电阻值降到1Ω及1Ω以下。接触电势,跨步电压满足安全要求。

  2、上标水电厂接地网降阻改造

  2.1 设计思路

  在工程中采用过的降阻措施很多,如利用地质钻孔埋设长接地极、局部换土、使用降阻剂、利用地下水的降阻作用、深井或超深井接地、引外接地、扩大接地网面积、深孔爆破接地技术以及使用低电阻模块等。针对这些降阻措施的使用条件、降阻效果以及存在的问题分别作具体分析:

  2.1.1 利用地质钻孔埋设长接地极

  根据接地理论分析,接地网边缘设置长接地极能加强边缘接地体的散流效果,可以起到降低接地电阻和稳定电网电位的作用。如果用打深井来装设接地极,则施工费很高,如利用地质勘察钻孔埋设长接地极,施工费用将大大节省。但需要注意:利用地网边缘的地质钻孔;间距不小于接地极长的两倍;钻孔要伸入地下含水层方可利用,实测数据表明,未插入到含水层的长接地极降阻效果差。

  2.1.2 局部换土

  用换土的方法来降低高土壤电阻率区接地网接地电阻,这是大家公认的有效措施之一。用电阻率较低的土壤替换电阻率高的土壤。这种方式较常见,用的也比较多,当接地网面积大时,要对整个所区实施换土是不可能的。通常采用局部换土,只对水平接地带和垂直接地极的全部或部分实施换土。

  2.1.3 使用降阻剂

  在高土壤电阻率区的接地网施工中使用降阻剂,无论是变电和发电工程例子都很多。20世纪的70年代到80年代,使用较多的是膨润土降阻剂和碳基类降阻剂。据了解,多个使用降阻剂的工程,接地完工后测量接地电阻情况都不错,但由于缺乏长期的跟踪监测,对降阻剂性能的长久性和对接地极材料的腐蚀性的信息量返回少。确实有部分质量差的降阻剂,降阻效果不能长久,对接地网造成腐蚀,引起各地对降阻剂使用意见分歧。

  2.1.4 利用地下水的降阻作用

  利用站(厂)区地下水和地下含水层来降低接地电阻是非常经济有效的措施。但工程投入较大,且地质影响大,不确定因素多。

  2.1.5 深井接地

  采用深井或超深井(井深超过100m)接地来降低接地电阻,在西南地区虽然有多个工程,但每口井的施工费用超过10万,而且效果的预见性差,应用并不普遍。实践证明,在地下有含水层时,深井或超深井接地,是十分有效的降阻措施。在实施之前,应进行地质勘察,同时,要与其它措施作经济技术比较,特别要避免打井无效造成的浪费。

  2.1.6 引外接地

  当附近有低土壤电阻率区(水塘、水田、水洼地等),可以敷设辅助接地网与站内主接地网连接,这种方式叫引外接地。这也是降低接地电阻的有效措施。据了解,引外接地在国内应用比较多。引外接地需注意:距离不能太远,接地体要深埋,要作好安全保护措施,防止因跨步电位差引起人员和牲畜的触电事故发生,必须保证引外接地的安全性。

  2.1.7 扩大接地面积

  我们知道,在均匀分步的土壤电阻率条件下,接地电阻与接地网面积的平方成反比,接地网面积增大,则接地电阻减小,因此,利用扩大接地网面积来降低接地电阻是可以预见的有效降阻措施。但是工程受条件限制。

  2.1.8 深孔爆破接地技术

  爆破接地技术是最新的科研成果。具体方法是:在地中垂直钻30m~120m的深孔,被插入接地电极,然后沿孔的整个深度,隔一定的距离。放置定量的这样实施爆破,将岩石爆裂爆松,然后将调成糊状的低电阻材料,用压力机压入深孔中的缝隙,从而达到通过低电阻率材料将地下大范围的岩石内部沟通,加强接地极与岩土的接触,达到降低接地电阻的目的。但由于不同地质条件下爆破裂缝的等效计算半径不一样,不同地区应用需进行试验,才能确定炸药用量和爆破制裂的规律。对施工技术经验要求较高。

  2.1.9 低电阻模块

  低电阻模块是近年新兴的一种接地技术。低电阻接地模块简称“接地宝”,是一种以非金属材料为主体的接地体,它由导电性、稳定性较好的非金属矿物和电解物质组成, 之所以能获得低接地电阻的基本原因是在相同的外形尺寸,比较金属材料成倍地增大接地体和土壤层之间的接触面积,从而增大了接地体本身的散流面积;减少了按地体和土壤之间的接触电阻;本身具有很强的吸湿性和保 湿性,充分发挥了接地体中电解物质的导电作用,在高土壤电阻率高山地区应用广泛。

  上标水电厂所处的土壤电阻率为800Ω·m~1800Ω·m之间,属高土壤电阻率地区,现场地势狭窄,传统的单一降低接地电阻的方法在上标电厂实施起来受地理环境等客观条件的限制,困难很大,只有通过其他综合的方法进行降阻。

  通过认真的研究和考察,电厂认为打深井、利用地下水和深孔爆破技术对施工要求高,费用大,在本地区应用成功实例少,且电厂地处高山,地质坚硬,不适宜采用。改造方案应结合现场具体情况,尽量利用传统、效果稳定、可预见性强并综合先进技术手段的降阻措施。鉴于非金属模块在相似条件下的工程应用成功实例,决定采用以非金属模块降阻为主,综合换土、使用降阻剂、外引低土壤电阻率和扩大接地面积等综合手段进行接地网改造。因外引接地和扩大接地面积受条件限制,只能在现有的现场条件下,尽量利用可使用面积作为辅助方法。

  2.2 方案具体的介绍

  2.2.1 非金属接地模块和降阻剂

  新近推出的非金属接地模块降阻是比较可行的方法,此方法已经在我省电力高山微波站成功应用(高山微波站土壤电阻率较高,往往在2000Ω·m以上)。成功地将台州狮子岩、丽水黄降、浦江199这三个省局微波站接地电阻从15Ω左右降到5Ω以下,且上述三个站的实测结果和非金属降阻模块计算设计值相吻合。

  非金属接地模块广泛应用于机场、雷达站、广播电视发射基地及火电厂的降阻工程,效果明显,特别是对高土壤电阻率地区。本次改造选用该产品从技术上来讲是可行的,同时计算结果所需材料也符合高性价比的要求。

  非金属接地模块是以非金属材料---碳同位素为主体的接地体,由导电性、稳定性较好的非金属矿物和其他物质组成,通过高压机械加工成型,高温煅烧而成的新型接地体;拥有独特的可扩散亲水性表面活性剂成分,通过扩散提供土壤导电必须的电解络合离子从而改善周围土壤的电阻率,使散流效果更好;经多次大电流冲击后,阻值不增大,无变硬、发脆、断裂等现象发生,使用寿命大于30年;特别适合于高电阻率土壤地区使用,若接地点周围为沙石或岩石地层,降阻效果特别明显;而且本产品无污染、无毒害、抗腐蚀,使用十分方便。本产品经过改良特制,专门用于高电阻率土壤的接地降阻工程。

  新型的降阻剂是纯物理性,它完全排除了具有腐蚀性质的电解质,主要用非电解质的碳素粉末作导电材料,添加其他特殊物质,其导电性不受酸、碱、盐、高低温及干湿度所限;因碳素导电物不溶于水,因此也不会与金属发生化学反应;浆液与土壤是有限混渗,凝固后不因地下水位下降、天气干旱而阻值变化,不因雨水季节而流失,因此其性能更稳定,寿命更长。降电阻剂是一种良好的导电体,将它使用于接地体和土壤之间,一方面能够与金属接地体紧密接触形成足够大的电流流通面;另一方面,它能向周围土壤渗透,降低周围土壤电阻率,在接地体周围形成一个变化平缓的低电阻区域。 降电阻剂有较强的吸水性和保湿性能,使用降阻剂后,能长期地保持电极附近土壤中的湿润状态。凝固后的降阻剂呈中性PH=7.1,结构紧密,对电极有防腐蚀保护作用。 除此之外,降阻剂还具有良好的均压作用,改善电位分布,从而降低跨步电压和接触电压,保证人身安全。本产品经过改良特制,专门用于高电阻率土壤的接地降阻工程,降阻效果极其明显。

  2.2.2 具体措施和方法如下:

  (1)、沿小溪和付厂房间绿化带内放置一条500m长50x5热镀锌扁钢水平接地体连接厂区西侧空地的接地网和水池的水下接地网,每隔5~10m埋设一个非金属接地模块。

  (2)、在入厂道路的两侧绿化带土壤电阻率较低,由于靠山侧的土层较浅,利用价值不高,在靠小溪侧土层较厚,敷设一根50x5热镀锌扁钢,长度约100m,埋设深度为0.7m,同时每间隔5~10m埋设一个特制的非金属接地模块并使用特制的物理降阻剂,共埋设15个接地模块,埋设深度为1.5m。

  (3)、厂门口的水塘宽约25m长约100m,在此敷设水下接地网,有效面积大约为1600m2;小溪内的扁钢和绿化带的扁钢与水塘的水下接地网相连,组成一个闭合的接地网。

  (4)、在厂区西侧靠近临时变的地方有一块面积约50x100m的空地,平均土壤电阻率约为1400Ω·m,根据建厂时的图纸,此处尚未敷设水平接地网。本次改造的主要内容就是利用这片空地和空地上面的山坡、水田区域敷设一个以水平接地网为主辅以垂直接地体和非金属接地模块的综合立体接地网,从山坡到小溪侧,间距8~12m埋设6条纵向水平接地体,长度大约在80~120m不等,另在这6条水平接地体上,间隔8~12m埋设12条横向水平接地体,长度约45m~55m,组成一个大约5000m2的水平接地网。

  (5)、在新建水平接地网的每个交叉点上垂直埋设一个特殊定制的非金属接地模块作为垂直接地极,每个接地模块间的最小距离>5m,每个模块在埋设时配合使用专用的降阻剂。根据现有的可利用空地面积计算,最多可容纳350个左右接地模块,本次工程共使用230个非金属接地模块(包括厂门口绿化带内埋设的15个),经计算单个接地模块的接地电阻为100Ω左右,230个接地模块并联后的电阻为0.95Ω(计算时模块的并联利用系数取K=0.55)。

  (6)、所有水平接地网和垂直接地体都采用平均土壤电阻率<150Ω·m的优质土回填,回填时分层夯实,在岩石较多的地方施加降阻剂,以增加接地散流效果。

  (7)、在地网的外缘增加4~8个直径2米深3米(若是下面土层良好可适当加深)的深坑,里面填充长效物理降阻剂和优质回填土,在中间安装3m长60x60x6的热镀锌,角钢作垂直接地体来改善整个地网的散流效果。具体的位置在施工时根据测量结果而定。

  (8)、在检修车间和厂门口间有一片绿化带,面积大约为100m2,里面敷设水平接地网并敷设非金属模块。引一条水平接地线到厂门外,和绿化带内的水平接地体相连接,另一边引一条水平接地体和检修车间原有的水平接地网相连。

  (9)、整个地网的外缘闭合以增加水平接地网的面积,新建水平地网面积约为6500m2(包括水下地网)。

  (10)、为保证工程能达到预计效果,工程分三步实施,以确定工程效果。一期以埋设120个模块,二期埋设40个模块,其余模块为三期工程。

  2.3 设计计算

  2.3.1、接地短路电流计算

  (1)最大单相接地短路电流IMAX=3.25kA、主变中心点最大短路回流In=1.81kA

  (2)流入主变压器中心点的电流

  I=(IMAX-In)(1-KE)=(3250-1810)(1-0.2)=1152A

  (KE为地网内发生接地短路时,架空地线的分流系数,这里取0.2。考虑到电网的发展,地网的最大接地电流按2000A取值)

  2.3.2、接地电阻目标值计算 R≤2000/I=2000/2000=1Ω

  2.3.3、接地线及地网主干线热稳定校验

  Sg≥Ig/c(te)1/2=4000/70(1)1/2=57mm2

  式中:Sg—接地线的最少截面,mm2;

  Ig—流过接地线的短路电流稳定值,4kA;

  c—接地线的热稳定系数,钢取70;

  t—接地短路的等效持续时间,取1s。

  选用50*5的扁钢截面积为250mm2完全满足短路电流的热稳定需要。

  2.3.4、地网接地电阻计算及设计:

  单体非金属接地模块添加降阻剂后的的接地电阻约为120Ω

  R= RJ /(K* n)

  其中 R---设计目标电阻值;

  RJ---单模块接地电阻;

  K---效率系数;

  n---模块个数。

  当 R =1Ω、K=0.55、RJ=120Ω时

  1=120/(0.55 n)

  n =219(个)

  考虑到不同区域土壤电阻率的差异采用230个接地模块。

  2.3.5、地网允许最大跨步电位差的计算:(DL/T5091—1999)

  故障短路电流持续时间:按2次电击考虑,取0.7 秒土壤电阻率取平均值ρ=1000Ω·m

  Ek=(174+0.7ρ)/t1/2=(174+0.7×1000)/(0.7)1/2=1040.5V

  2.3.6、改造后地网最大跨步电位差、接触电位差计算

  地网采用50mm*5mm镀锌扁铁,地网面积约S=300*50m2,网格大小为6m*8m,敷设深度为h=0 .7m,接地电阻取目标值1Ω,短路最大入地电流取2000A,土壤电阻率取平均值ρ=1000Ω·m ,故障持续时间0.7s。根据上述条件,按DL/T5091—1999计算:

  (1) 发生接地短路时地网最大地电位可按下式计算

  Ug=RI=1*2000=2000v

  (2) 最大跨步电位差为

  Umax=KtmaUg

  式中 Umax--- 最大接触电位差,V;

  Ktmax---最大接触电位差系数;

  Ug--- 接地装置的电位,V。

  n值按矩形地网计算

  n=2(L/L0)(L0/4A1/2)1/2=11.183

  β=0.1n1/2=0.334

  α2 =0.35[(n-2)/n]1.14 (A1/2 /30)β=0.447

  Ksmax = {(1.5-α2 )ln{[h2 +(h+T/2)2]/[h2+(h-T/2)2]}}/ln(20.4A/dh)=0.0629

  Umax=KtmaUg=2000*0.0629=126V

  式中 A---接地网面积, 300*50m2.

  s---接地短路电流的持续时间,0.7秒。

  T---跨步距离T=0.8m;

  L0---接地网的外缘边线总长度,800m;

  L---水平接地极的总长度,3500m。

  升压站内应做8m见方的方孔地网以改善地网均压,由于地表铺设砾石和水泥路面土壤电阻率较高(2000Ω·m以上),故跨步电压决定于接地电阻是否满足1Ω的要求,如地网接地电阻满足1Ω的要求,则跨步电压一定在合格范围以内。

  (3) 站内最大接触电位差计算(式中各参数取值同最大跨步电位差计算)

  Umax=KtmaUg =277V

  Ktmax=KdKlKnKs=0.138

  d=2(50*5/π)1/2* 0.001 =0.0178m

  Kd=0.841-0.225lgd=1.235

  Kl=1.1(L2/L1)¼ =0.703

  Kn=0.076+0.776/n=0.145

  Ks=0.234+0.414lgA½=1.098

  此时地电位为2000V,跨步电位差126V,接触电位差277V,符合DL/T5091—1999。

  本次工程目标值≤1Ω。

  3、上标电厂接地网降阻改造结果

  通过紧张、严格的施工,在一期工程结束后我们对地网进行了测量,实测数据1.83Ω,基本符合设计计算值。在此基础上,二期工程进一步跟进实施。通过共二个多月的施工,顺利完成了一、二期的工程计划(160个模块)。二期工程结束后,为进一步检验施工效果,在连续十天的晴天天气后,专门邀请了杭州意能电力防雷研究检测公司对上标水电厂一级电站进行了接地电阻测量。测量采用30度夹角法(如图4-1),电压极和电流极与主地网距离为600m。测得上标水力发电厂的工频接地电阻为1.53Ω。  

  二期工程结束后,经过对电网运行参数的计算,(考虑电网的发展,接地电流按2000A取值),地电位为3060V,接触电压422.28V,跨步电压192V,满足规程要求。通过一、二期的施工,采用接地模块的降阻对电厂地网还是非常有效,且基本符合理论计算,但必须认识到,其中多种降阻措施的同时使用也是起到比较大的作用,特别是地网外延和降阻剂的使用,应具有非常明显的效果。

  考虑到电厂的地势的局限,配合模块使用进一步延伸地网面积将面临较大的政策处理困难和施工难度。而简单的在现有面积上增加非金属接地模块数量,虽然在模块厂家的理论计算上有效果,但对非金属模块的计算数据并没有得到规程的确认,特别是使用间距过小,考虑相互屏蔽的影响,工程实施存在较大的风险。经过认真的研究,电厂决定工程满足了安全要求,取得了需要的效果,在经济安全的前提下,暂不实施三期工程。

  上标电厂的接地降阻工程虽然没有达到1Ω目标值,但将接地电阻由3.6Ω降到了1.53Ω,跨步电压和接触电压符合规范要求,有效的保证了电厂的安全生产。特别是电厂地处高山,地质坚硬,土壤电阻率较高,现场施工难度大,通过本次施工改造,使接地电阻有了较大幅度的减小,并且工程改造范围小,投资比较经济,达到了改造的预期效果。

  4、经验认识:

  4.1、 改造方案应因地制宜,结合现场情况决定,在条件允许下,应尽可能采用传统有效的办法(如扩大接地网面积、采用降阻剂等)。

  4.2、 在条件限制的情况下,应具体分析,不局限于单一的降阻方法,可结合多种方式。利用一切可利用资源,在经济有效的前提下,充分使用各种降阻方法,以达到最好的降阻效果。

  4.3、 在敷设新接地网时,应充分考虑电网的发展和电厂(变电所)的长期发展规划,要以高要求、高标准设计施工,特别是要充分考虑地网的腐蚀性和热稳定性,计算数据取值宜尽量保守,在安全性的前提下,结合经济有效的原则来设计施工。一般接地网在电厂(变电所)整个工程中所占的投资比例不到1%,而因接地网不合格造成的安全事故或重新改造建设,却将给造成严重的损失。所以,在设计接地网是一定要有充分的认识和负责任的态度。

  4.4、 在接地网施工中,一定要严格按照施工规范,做好接地网的开挖和焊接工作,在使用接地模块和降阻剂时,应充分研究产品特性,由生产厂家配合制定出合格规范的现场施工标准,保证施工质量。

  4.5、 降阻施工一定要有计划,分步实施。特别是使用接地模块时,应在埋设每一单体模块后立即进行测量,如数据与理论值差别较大时,应立即调整重新施工,在单体测试合格后,再进行小区域联网测量,如不合格应重新检查处理。只有严格要求,按部就班的按照工艺要求施工才能保证最后的施工质量和目标要求。

  4.6、 在接地电阻降阻困难的情况下,应结合现场的具体情况,而不盲目追求高标准。通过理论验证,在保证安全性的前提下,特别是保证跨步电压和接触电压满足要求,并采取措施对电位进行隔离的情况下,应综合考虑经济性,适当放宽接地电阻的要求。

  4.7、 接地电阻的测量应避免在雨天和雨后立即测量,应保证连续3天以上晴天天气测量。测量时,测量装置应与线路避雷线断开。接地电阻的测量宜采用独立电源或经隔离变压器供电的电流-电压表法测量,并尽可能加大测量电流,减少干扰,保证数据准确。接地电阻的测量方法宜采用两种方法或两种电极布置方式测量,以便相互验证,提高测量结果的可信度。

  4.8、 加强对接地网的安全管理,要建立起严格的接地网检查、监控制度,定期对接地网进行检查,及时了解接地网腐蚀和变化情况。更要在源头上消除接地故障,加强安全运行管理,防污、防雷、防止误操作,全面保证接地网的安全运行。

  结束语

  接地网的降阻工作是一项比较复杂系统的工程。特别是接地电阻影响因素较多,不同工程环境条件差异较大,只有全面结合现场情况,认真研究施工方案,充分利用现场条件,找出最适合现场特点的方法,制定出最合理的目标,才能真正经济有效的达到预期的效果,保证企业的安全经济运行。

  参考文献:

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  4、国家标准:〈〈工业与民用电力装置的接地设计规范〉〉中国电力出版社2005版

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  6、李景禄等 《实用电力接地技术》 中国电力出版社 2002版

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  10、 李景禄,《实用电力接地技术》[M]中国电力出版社93-99,2002年第一版。67-99

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  12、李景禄《 接地降阻剂应用及存在问题分析 》[J]高电压技术2004.3第30卷65-66

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