變電所接地設(shè)計(jì)問題的探討

1、【摘要】文章綜述了變電所接地設(shè)計(jì)方面的一些基本概念,以及對合格地網(wǎng)應(yīng)有的全面認(rèn)識。結(jié)合具體工程設(shè)計(jì),對一般接地方法進(jìn)行了分析和探討,提出了一些安全、可靠、切實(shí)可行的做法,以利于變電所的安全運(yùn)行,控制工程造價(jià).1前言接地網(wǎng)作為變電所交直流設(shè)備接地及防雷保護(hù)接地,對系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。由于接地網(wǎng)作為隱性工程容易被人忽視,往往只注意最后的接地電阻的測量結(jié)果。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的升高及容量的增加,接地不良引起的事故擴(kuò)大問題屢有發(fā)生。因此,接地問題越來越受到重視。變電所地網(wǎng)因其在安全中的重要地位,一次性建設(shè)、維護(hù)困難等特點(diǎn)在工程建設(shè)中受到重視。另外,在設(shè)計(jì)及施工時(shí)也不易控制,這也是工程建設(shè)中

2、的難點(diǎn)之一。因此,為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行,如何降低接地工程造價(jià),本文從設(shè)計(jì)的角度談?wù)勛冸娝拥卦O(shè)計(jì)中的有關(guān)問題。2關(guān)于接地電阻2.1接地電阻電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程(SDJ879)中對接地電阻值有具體的規(guī)定,一般不大于0.5。在高土壤電阻率地區(qū),當(dāng)接地裝置要求做到規(guī)定的接地電阻在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上極不合理時(shí),大接地短路電流系統(tǒng)接地電阻允許達(dá)到5,但應(yīng)采取措施,如防止高電位外引采取的電位隔離措施,驗(yàn)算接觸電勢,跨步電壓等。根據(jù)規(guī)程規(guī)定,主要是以發(fā)生接地故障時(shí),接地電位的升高不超過2000V進(jìn)行控制,其次以接地電阻不大于0.5和5進(jìn)行要求。因此,人們普遍認(rèn)為,110kV及以上變電所中,接地電阻值小于0.

3、5即認(rèn)為合格,大于0.5就是不合格,不管短路電流有多大都不必采取措施。這是不合理的。2.1.1接地的實(shí)質(zhì)是控制變電所發(fā)生接地短路時(shí),故障點(diǎn)地電位的升高,因?yàn)榻拥刂饕菫榱嗽O(shè)備及人身的安全,起作用的是電位而不是電阻,接地電阻是衡量地網(wǎng)合格的一個(gè)重要參數(shù),但不是唯一的參數(shù)。2.1.2隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大,一般情況下單相短路電流值較大。在有效接地系統(tǒng)中單相接地時(shí)的短路電流一般都超過4kA,而青海地區(qū)變電所大部分接地電阻又很難做到0.5。因此,從安全運(yùn)行的角度出發(fā),不管在什么情況下,都應(yīng)該驗(yàn)算地網(wǎng)的接觸電勢和跨步電壓,必要時(shí)應(yīng)采取防止高電位外引的隔離措施。2.2接地短路電流分析 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故

4、障時(shí),產(chǎn)生的接地短路電流經(jīng)三種途徑流入系統(tǒng)接地中性點(diǎn)。(1)經(jīng)架空地線桿塔系統(tǒng);(2)經(jīng)設(shè)備接地引下線,地網(wǎng)流入本站內(nèi)變壓器中性點(diǎn);(3)經(jīng)地網(wǎng)入地后通過大地流回系統(tǒng)中性點(diǎn)。而對地網(wǎng)接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流。所以,正確地考慮和計(jì)算各部分短路電流值,對合理地設(shè)計(jì)地網(wǎng)有著很大的影響。2.2.1架空地線系統(tǒng)的影響對于有效接地系統(tǒng)110kV以上變電所,線路架空地線都直接與變電站內(nèi)出線架構(gòu)相連。當(dāng)發(fā)生接地短路時(shí),很大一部分短路電流經(jīng)架空地線系統(tǒng)分流,因此,在計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮該部分分流作用,發(fā)生接地故障時(shí),總的短路電流是一定的,只要增大架空地線的分流電流,就可減小入地短路電流,因此,降低架空地

5、線的阻抗也是安全接地設(shè)計(jì)重要的一個(gè)分支。架空地線采用良導(dǎo)體,正確利用架空地線系統(tǒng)分流,將使地網(wǎng)的設(shè)計(jì)條件更為有利。2.2.2入地短路電流從上述分析可知,入地短路電流是總的接地短路電流減去架空地線的分流,再減去流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流(也就是流經(jīng)變電器的零序電流)。如此計(jì)算,入地短路電流值相對比較小。由于接地電阻允許值R2000I,所以接地電阻相應(yīng)的允許值就比較大,設(shè)計(jì)也容易滿足。另外,對于一個(gè)給定的地網(wǎng),其接地電阻也基本確定:從R0.5/S可知,對實(shí)際的接地網(wǎng)面積減少有很大影響。3關(guān)于接地裝置的設(shè)計(jì)問題3.1土壤電阻率的測量工程土壤電阻率的測量是工程接地設(shè)計(jì)重要的第一手資料,由于受到測量設(shè)備、方

6、法等條件的限制,土壤電阻率的測量往往不夠準(zhǔn)確。我省地處青藏高原東部,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,變電所占地雖然不大,但多為不均勻地質(zhì)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的實(shí)測,往往只取34個(gè)測點(diǎn),過于簡單。建議提高測量精度,設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)手冊中提供的計(jì)算平均電阻率的方法,使設(shè)計(jì)誤差值減小。 3.2接地網(wǎng)布置根據(jù)地網(wǎng)接地電阻的估算公式:R0.5/S式中土壤電阻率(·m),S接地網(wǎng)面積(m2)R地網(wǎng)接地電阻()地網(wǎng)面積一旦確定,其接地電阻也就基本一定,因此,在地網(wǎng)布置設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分利用變電所的全部可利用面積,如果地網(wǎng)面積不增加,其接地電阻是很難減小的。3.3垂直接地極的作用在110kV變電所中,一般采用水平接地線為主,帶有垂直接

7、地極的復(fù)合型地網(wǎng)。根據(jù)R=0.5/S可知,接地網(wǎng)的接地電阻與垂直接地極的關(guān)系不大。理論分析和試驗(yàn)證明,面積為30×30m2100×100m2的水平地網(wǎng)中附加長2.5m, 40mm的垂直接地極若干,其接地電阻僅下降2.88%。但是,垂直接地極對沖擊散流作用較好, 因此,在獨(dú)立避雷針、避雷線、避雷器的引下線處應(yīng)敷設(shè)垂直接地極,以加強(qiáng)集中接地和散泄雷電流。例如,在330kV阿蘭變電所的接地設(shè)計(jì)中,通過計(jì)算,接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)全部由水平接地體構(gòu)成,只在避雷針,避雷器附近敷設(shè)少量垂直地極,實(shí)際運(yùn)行證明效果是較好的。3.4地網(wǎng)均壓網(wǎng)的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定,當(dāng)包括地網(wǎng)外圍4根接地線在內(nèi)的均壓帶

8、總根數(shù)在18根以下時(shí),宜采用長孔接地網(wǎng),如圖1(a)所示:(a)n=8(b)n=8圖1由于110kV變電所占地面積一般不超過100×100m2,考慮均壓線間屏蔽作用,均壓線總根數(shù)一般為812根左右,故根據(jù)規(guī)程規(guī)定,一般采用長孔方式布置,但存在以下幾個(gè)方面的問題。3.4.1方孔地網(wǎng)縱、橫向均壓帶相互交錯(cuò),因此地網(wǎng)的分流效果優(yōu)于長孔地網(wǎng),均壓效果比長孔地網(wǎng)好且可靠性高,如圖1(b)所示。3.4.2長孔地網(wǎng)均壓線與主網(wǎng)連接薄弱,均壓線距離較長,發(fā)生接地故障時(shí),沿均壓線電壓降較大,易造成二次控制電纜和設(shè)備損壞。當(dāng)某一條均壓線斷開時(shí),均壓帶的分流作用明顯降低,而方孔地網(wǎng)的均壓帶縱橫交錯(cuò),當(dāng)某條

9、均壓線斷開時(shí),對地網(wǎng)的分流效果影響不大。因此,建議在變電所地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí),采用正方孔均壓網(wǎng)設(shè)計(jì),以提高接地安全性。3.5接地網(wǎng)的腐蝕 3.5.1接地網(wǎng)的腐蝕狀況在我省八十年代及以前變電所的設(shè)計(jì)中,很少或根本就沒有考慮地網(wǎng)的腐蝕問題。由于地網(wǎng)腐蝕引起的安全事故屢有發(fā)生,如接地引下線斷開使高壓運(yùn)行設(shè)備處于無接地狀態(tài),地下主網(wǎng)腐蝕斷裂使地網(wǎng)分割成幾塊,發(fā)生接地時(shí)使二次設(shè)備燒壞等。另外,由于地網(wǎng)屬隱蔽工程,埋于地下后不易檢查、修復(fù)等,因此,從設(shè)計(jì)的角度應(yīng)加大對地網(wǎng)腐蝕的調(diào)查研究,以便有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。從330kV花園變、110kV西川變、共和變、紅灣變等地網(wǎng)的改造來看,青海地區(qū)地網(wǎng)的腐蝕問題比較嚴(yán)重,

10、花園變運(yùn)行至今才11年左右,而地網(wǎng)接地線的腐蝕率達(dá)40%以上;西川變接地線采用 6mm的圓鋼,幾乎腐蝕斷。一般變電所的設(shè)計(jì)年限按2530年考慮,但地網(wǎng)的實(shí)際安全壽命只有1015年左右,與變電所的設(shè)計(jì)年限極不配套。加之,由于系統(tǒng)容量的增加,短路水平的提高,腐蝕后的地網(wǎng)更不能滿足安全運(yùn)行的要求。3.5.2接地網(wǎng)的防腐設(shè)計(jì)接地網(wǎng)的材料一般為扁鋼和圓鋼,其腐蝕狀態(tài)應(yīng)根據(jù)變電所當(dāng)?shù)氐母g參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但一般情況下其腐蝕參數(shù)很難測定。因此,在工程設(shè)計(jì)沒有實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)(參見表1)。表1接地線和接地體年平均最大腐蝕速度(總厚度)土壤電阻率(.m)腐蝕速度(mm/a)扁鋼圓鋼熱鍍鋅扁鋼50300 0.20.1 0

11、.30.2 0.065 >300 0.10.07 0.20.07 0.065在計(jì)算時(shí),還應(yīng)考慮不同敷設(shè)部位腐蝕情況不同的影響,可參考表2有關(guān)數(shù)據(jù)。表2采用扁鋼接地網(wǎng)的年腐蝕率接地網(wǎng)部位水平接地體設(shè)備引下線電纜溝中的接地帶年腐蝕率mm/a(總厚度)0.10.12 0.20.3 0.47對于一般變電所地網(wǎng)的設(shè)計(jì)年限不應(yīng)小于30年,對于重要樞紐變電站的地網(wǎng)壽命應(yīng)按50年考慮。這兩種情況都不大于規(guī)程規(guī)定的設(shè)計(jì)年限,但更接近于實(shí)際。關(guān)于地網(wǎng)材料的選用問題,常規(guī)選用扁鋼和圓鋼兩種,相同截面的扁鋼與圓鋼與周圍土壤介質(zhì)的接觸面不一致,扁鋼約為50%左右,但由于其腐蝕機(jī)理不完全一致,腐蝕結(jié)果基本上一致。這

12、從陜西電網(wǎng)和青海電網(wǎng)地網(wǎng)腐蝕調(diào)查中已得到確認(rèn),而且規(guī)程中也提供了不同的腐蝕數(shù)據(jù)。因此,關(guān)于接地材料選用扁鋼還是圓鋼沒有很大差別。關(guān)于防腐的設(shè)計(jì)問題,一般應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)年限內(nèi),采用熱鍍鋅材料。3.6接觸電勢與跨步電壓接觸電勢與跨步電壓是地網(wǎng)安全性設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù),新規(guī)范中指出這兩參數(shù)不應(yīng)超過下列數(shù)值:ut=174+0.17+tu0=174+0.7+t式中:Ut最大允許接觸電勢(V)Uo最大允許跨步電壓(V)+人站立處地表面土壤電阻率(·m)t接地短路持續(xù)時(shí)間(s)從以上可知,新規(guī)范中ut、u0比設(shè)計(jì)規(guī)程要求的條件更苛刻,更趨于安全,但給地網(wǎng)的設(shè)計(jì)帶來的困難也更大。對于一個(gè)給定的變電所,

13、短路產(chǎn)生的最大接觸電勢和最大跨步電壓也確定。從上式中可以看出,用提高+值來提高ut、u0的允許值也是合理設(shè)計(jì)地網(wǎng)的一個(gè)方面。因此,+是一個(gè)比較重要的數(shù)據(jù)。當(dāng)變電所的接觸電勢、跨步電壓不滿足要求時(shí),設(shè)備區(qū)可采用做絕緣操作平臺,做局部均壓網(wǎng),道路采用礫石、碎石或?yàn)r青混凝土等高土壤電阻率路面結(jié)構(gòu)來處理,不宜采用磚、方磚等材料,故地面施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。3.7地網(wǎng)的敷設(shè)深度規(guī)程和新規(guī)范中明確指出,接地網(wǎng)的埋設(shè)深度宜采用0.6m,設(shè)計(jì)手冊中又補(bǔ)充到,在凍土地區(qū)宜敷設(shè)于凍土層以下,現(xiàn)設(shè)計(jì)中一般將地網(wǎng)全部埋設(shè)于凍土層以下。3.7.1地網(wǎng)敷設(shè)深度對最大接觸系數(shù)的影響最大接觸電勢是地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參

14、數(shù),地網(wǎng)設(shè)計(jì)的問題之一就是如何降低地網(wǎng)的最大接觸電勢。地網(wǎng)的接觸電勢的最大接觸系數(shù)Kjm與地網(wǎng)的埋深有如圖2所示的關(guān)系。從圖2可以看出,接地網(wǎng)的埋深由零開始增加時(shí),其接觸系數(shù)是減少的,但埋深超過一定范圍后,Kjm又開始增大。這是因?yàn)榈鼐W(wǎng)圖2最大接觸系數(shù)Kjm和埋深h的關(guān)系曲線(接地網(wǎng)面積A=40×40m2,接地體直徑d=0.01m,網(wǎng)孔個(gè)數(shù)n=400個(gè))敷設(shè)深度的不同,在網(wǎng)孔中心地面上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的變化決定的,引起網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間產(chǎn)生的電位差不同。當(dāng)埋深增加到一定深度后,電流趨向于地層深處流動,地面上的電流密度越來越小,因而網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間的電位差又開始增大,因此,規(guī)程

15、中規(guī)定的敷設(shè)深度是合理的。3.7.2敷設(shè)深度對接地電阻的影響目前所遇到的變電所一般都是處于季節(jié)性凍土地區(qū)。如按規(guī)程規(guī)定,將地網(wǎng)敷設(shè)在0.6m深度時(shí),冬季將使地網(wǎng)處于凍土層中。由于土壤凍結(jié)后其電阻率將增大為原來的3倍以上,對地網(wǎng)接地電阻有一定的影響。目前采用的地網(wǎng)是以水平接地線為主邊緣帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng),冬季垂直接地極大部分伸于下層非凍結(jié)土壤中。此時(shí)土壤結(jié)構(gòu)可以等效為兩層電阻率不同的土壤結(jié)構(gòu)。有研究表明,對于處于雙層土壤介質(zhì)中的垂直電極,其各部分的散流密度與周圍介質(zhì)的電阻率成反比,除了在電極尖端處,具有iJi=常數(shù)(其中Ji為處于電阻率為i土壤中的電極部分的散流密度)。此時(shí),當(dāng)電極有一部

16、分進(jìn)入下層土壤時(shí),整個(gè)電極的散流電阻將主要取決于下層土壤。此時(shí)地網(wǎng)的接地電阻也將主要取決于地網(wǎng)的非凍結(jié)土壤。因此,在季節(jié)性凍土地區(qū),采用這種帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng)是有很大的優(yōu)點(diǎn)的,如果在冬季由于土壤的凍結(jié),而對接地電阻沒有很大的影響時(shí),就沒有必要把地網(wǎng)都埋于凍土層以下。將地網(wǎng)埋于凍土層以下,對地網(wǎng)的接地電阻來講肯定是有利的。如果結(jié)合變電所基礎(chǔ)的開挖敷設(shè)地網(wǎng)還可以,如果凍土深度為2m,如大武變電所等最大凍土深度為2.4m,單純?yōu)榈鼐W(wǎng)敷設(shè),將使工程開挖土方量大大增加,施工困難。工程造價(jià)也隨之上升。規(guī)程中還規(guī)定,接地電阻應(yīng)滿足一年四季變化的要求,這在實(shí)際工程中很難做到,冬季土壤的凍結(jié)對接地電阻肯

17、定有影響,但可通過其安全要求的各種因素進(jìn)行綜合比較,合理控制。因此,在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)合理的確定地網(wǎng)的埋設(shè)深度。3.8關(guān)于降阻劑的使用近年來,降阻劑在電力系統(tǒng)接地工程中得到了廣泛的應(yīng)用,接地裝置的主要作用是對接地故障電流的擴(kuò)散,起主要作用的是大地的散流性,而不是地網(wǎng)接觸的局部的土壤電阻率的降低。而降低阻劑的主要作用是降低與地網(wǎng)接觸的局部土壤電阻率,換句話說,是降低地網(wǎng)與土壤的接觸電阻,而不是降低地網(wǎng)本身的接地電阻。其次,對于大型地網(wǎng),由于均壓帶和垂直接地極的存在,屏蔽作用較大,降阻劑的作用一般很小。從110kV甘河灘變,紅灣變等使用效果來看,幾乎沒有作用。國內(nèi)湖南、湖北等地的調(diào)查結(jié)果也大致如此。4

18、關(guān)于接地引下線當(dāng)發(fā)生接地短路時(shí),首先通過接地電流的就是設(shè)備接地引下線,在我省八十年代的設(shè)計(jì)中,往往只取引下線的截面為主網(wǎng)截面的一半,這很不合理。4.1接地線截面的熱穩(wěn)定校驗(yàn) 根據(jù)熱穩(wěn)定條件,接地線的最小截面應(yīng)符合下式要求:SIgt/c式中:S接地線的最小截面mm2Ig流過接地線的短路電流穩(wěn)定值A(chǔ)c材料熱穩(wěn)定系數(shù)(鋼c=70)t短路等效持續(xù)時(shí)間s對于引下線可按上式校驗(yàn),對于主網(wǎng),考慮主網(wǎng)的分流作用,可按上式的0.7倍考慮。關(guān)于短路等效持續(xù)時(shí)間的取值問題,也是近年來引起爭論的問題之一。t值取值的合理與否,對材料使用量有較大的影響。目前各類變電所保護(hù)配置不同,是否考慮主保護(hù)失靈,采用后備保護(hù)動作時(shí)間,以及主保護(hù)拒動與接地短路同時(shí)發(fā)生的概率等,都是值得探討的問題。參照有關(guān)方面的規(guī)定及專題研究,建議對于100kV變電所,取t=1.0s。其次,主網(wǎng)的截面略小些也比較合理,這也是合理設(shè)計(jì)地網(wǎng)的一種措施。4.2接地引下線設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題 4.2.1接地引下線應(yīng)就近入地,并以最短的距離與地中的主網(wǎng)相連。設(shè)備引下線不應(yīng)與電纜溝中的通長扁鋼連接,因其敷設(shè)于電纜溝內(nèi)壁表面的混凝土上,不起散流作用。發(fā)生短路時(shí),易造成局部電位升高,引起電纜絕緣破壞等。4.2.2帶有二次回路的電氣設(shè)備如CT、PT等,為減小接地引下線的阻抗