《變電站避雷針接地裝置的計算設(shè)計案例》5100字

變電站避雷針接地裝置的計算設(shè)計案例綜述接地部分的理論研究正如在避雷針章節(jié)中所介紹的，在避雷針中存在著將雷電流引到大地的部分。是防護的支柱力量。那么為什么這些器件要接地呢？在自然界中大地的電位為0，即使加入很多電荷也會迅速擴散中和而不會使大地電位發(fā)生變化。所以當(dāng)接收到極大的雷電過電壓時，防雷裝置可以通過天然或人工接地體將導(dǎo)體與大地進行連接。接地體和接地引下線構(gòu)成了接地裝置。接地體埋在地下。引線導(dǎo)出電流。接地體有故意制造的和天然的，人工的是特別用于接地。接地體又可以按照它安裝的空間位置分為水平和垂直兩種。垂直接地體就是垂直裝入土壤中的具有泄流和均壓功能的接地體了。它由于不同用法分成三類。工作接地：為良好工作而設(shè)置。在設(shè)備正常運行時接地電極上有一些三相不平衡的電荷。接地電阻10歐以下。保護接地：外殼和大地連接。在發(fā)生漏電事故時減小流過生物的電流以庇護工人的一種安全裝置，例如開關(guān)或變壓器的外殼和支架一樣。接地電阻10歐以下。防雷接地：是防雷裝置上不可或缺的必要設(shè)備。它由接閃器、引下線、接地線、接地極部分構(gòu)成。防雷接地在雷電沖擊所產(chǎn)生巨量雷電流的情況下將電荷成功導(dǎo)流到地下，從而防止了雷電流產(chǎn)生的大氣過電壓的產(chǎn)生。接地電阻30歐以下。接地電阻包括有與泥土挨著的。有泥土的。有接地體自己的。等于接地體的電勢Ue與電流Ie相除。 （2-5）在本論文中，我們將著重介紹防雷接地。沖擊接地電阻Ri是大氣放電時的接地電阻。一般情況是穩(wěn)態(tài)電阻。在防雷接地的計算中會有一些因素對結(jié)果有很大的影響，當(dāng)巨大雷電流沖擊下會在接地導(dǎo)體的周圍產(chǎn)生一個很大的電流密度。土壤發(fā)生擊穿并發(fā)生火花放電。這種擊穿就類似于將接地體的尺寸擴大到整個火花放電區(qū)域之中，因為放電順利將土壤擊穿就可以使這時土壤的電阻減小。這就是火花效應(yīng)所帶來的影響。由于接地體自身有一個單位長度電感L0，電壓降在電感上會出現(xiàn)。當(dāng)雷電流流入地上距離較遠的地方，電流波的幅值會相比原值降低，這就意味著距離雷擊點較遠的防雷保護接地體所起作用就會變小，類似于接地電阻變大?？梢钥闯鲆陨蟽煞N效應(yīng)會分別對沖擊時設(shè)備與大地電阻的大小發(fā)生一定的影響，我們可以利用雷電入侵時與正常運行時的大小進行比值表示兩者關(guān)系。它與土壤電阻值、雷電流波型、不同形相的接地體等條件有關(guān)。這個比值叫做沖擊系數(shù)： αi=式中：Ri——沖擊接地電阻Re——工頻接地電阻在一般情況下由于我們希望在雷電沖擊時可以更順利得將雷電流泄入大地，接地電阻更小，所以αi<1。同樣的，在接地體周圍土壤發(fā)生火花效應(yīng)時也會出現(xiàn)沖擊電阻變小αi小于1的情況。由于接地體的電感影響嚴重的時候也會出現(xiàn)沖擊接地電阻較大αi>1的情況。在一般工作中可以用一些工頻交流的測量儀測出接地裝置的穩(wěn)態(tài)電阻，另外一些形狀常見的接地裝置的工頻電阻可以用以下公式進行計算：1.接地體為單獨時當(dāng)l>>d時 Re=ρ式中：Ρ——土壤電阻率，?·m；L——接地體制造尺寸，m；d——圓形接地鋼管的二倍半徑，m。公式（2-7）說明，可以直接將圓鋼或者鋼管帶入。那如果其它形狀的接地體的幾何尺寸可以進行利用下式折算并帶入：等邊角鋼:d=0.84b（b為每條邊的長度)扁鋼:d=0.5b(b為其寬度數(shù)值)。2.地中的垂直正立于接地體好幾個時在此設(shè)計中由于變電站占地面積較大，一根避雷針其力甚微，這時我們就得好幾根一起用，此時n根避雷針的接地電阻不是以前學(xué)過那種直接除，而是采用以下方法： Re'=式中：η——利用系數(shù)任務(wù)書預(yù)設(shè)為0.73.水平接地體 Re=ρ2πL式中：L——所有的接地鋼管總的長度，m；h——平行于大地接地體的埋入土壤里的距離，m；d——接地體的直徑，m；A——形狀利用系數(shù)。除了上述工頻接地電阻，我們也可以利用上式推算出好幾根共同構(gòu)成時。Ri Ri'=R（2-10）式中，ηi4.一般在設(shè)計的立體復(fù)合接地網(wǎng)的工頻接地電阻為： Re=ρB式中：L——全部埋于土中的接地體的尺寸，m；n——正立于地面引下鋼管的數(shù)量，m；l——正立于地面引下鋼管的長度，m；S——接地網(wǎng)的總共所占面積，m2；B——按l/S（1/2）所確定的一個系數(shù)。變電站所裝設(shè)的接地裝置一、垂直接地體的選擇根據(jù)接地電阻大小可知當(dāng)接地體長度太長時會產(chǎn)生電感效應(yīng)。從而使接地電阻Ri變大，這是不希望看到的，并根據(jù)電氣手冊得知，在土壤電阻率為題中所設(shè)400?時，一般接地體長度為2～3米。故在本設(shè)計中將接地體的長度選于1m，2m，3m，4m之中。除了垂直接地體的長度問題，還有在整個變電站布置的根數(shù)問題，由論文2]中的圖標(biāo)可以得出垂直接地體的數(shù)量不變時，其降阻率會隨根數(shù)越長變越大，但是當(dāng)長度達到一個數(shù)據(jù)時降阻率就會趨于飽和湯雷，220KV大定坊變電站接地網(wǎng)改造新技術(shù)研究.[D].南京：南京理工大學(xué)，2008：21-23圖圖STYLEREF1\s27垂直接地體的長度與其降阻率的關(guān)系圖圖STYLEREF1\s28垂直接地體與利用系數(shù)的關(guān)系由n根垂直接地體共同組成的聯(lián)合接地體的沖擊接地電阻Ri Ri'=R1根垂直接地體的接地電阻Re為： Re按照題意可知Ri'=10Ω，ηi Re= Re=當(dāng)n=3時, Rl=1m，Reρ2πl(wèi)l=2m,Reρ2πl(wèi)l=3m，Reρl=4m。Reρ當(dāng)n=4時, Rl=1m，Reρ2πl(wèi)l=2m,Reρ2πl(wèi)l=3m，Reρl=4m。Reρ當(dāng)n=6時, Rl=1m，Reρ2πl(wèi)l=2m,Reρ2πl(wèi)l=3m，Reρl=4m。Reρ當(dāng)n=8時, Rl=1m，Reρ2πl(wèi)l=2m,Reρ2πl(wèi)l=3m，Reρl=4m。Reρ結(jié)合以上計算，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)根數(shù)在3、4、6根時接地體的直徑普遍偏大。且在8根時的利用率也可以達到最高，在變電站對稱性設(shè)計時，8根的直徑小，覆蓋面積大。8根相比6根更適合。下面針對8根垂直接地體我們將根據(jù)現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行驗證。根據(jù)金工手冊3]及電氣手冊NOTEREF_Ref101437681\h[1]中所說，埋入地下的鋼接地體要求管壁厚度不可低于3.5mm郭玉林，簡明金工手冊.[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2011：85-94，則我們可選用以下兩種：郭玉林，簡明金工手冊.[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2011：85-94當(dāng)n=8根，l=3m，d=0.061m時，選用外徑d=63mm，系列2，壁厚4.0mm的普通鋼管，重量5.82kg/m或當(dāng)n=8根，l=4m，d=0.015m時，選用外徑d=16mm，系列2，壁厚4.0mm的普通鋼管，重量1.18kg/m當(dāng)l=3m，選用外徑d=63mm外徑，此時單根接地體的接地電阻： Reρ總接地體的接地電阻： Ri'=Rin?單根重量： M=3*5.82=17.46kg當(dāng)l=4m，選用外徑d=16mm外徑，此時單根接地體的接地電阻： Reρ2πl(wèi)總接地體的接地電阻： Ri'=Rin?單根重量： M=4*1.18=4.72kg將其匯總為表格：圖圖STYLEREF1\s29接地裝置參數(shù)匯總要將垂直接地體安裝于地下，不僅要對其管徑有所要求，還對壁厚有一定要求。根據(jù)《簡明五金手冊》NOTEREF_Ref101437830\h[3]表2-2及電氣手冊NOTEREF_Ref101437681\h[1]表2-3，可以得知垂直接地體壁厚不低于3.5mm，為了讓接地體更結(jié)實。防化學(xué)元素破壞。對于本設(shè)計中的埋于地下垂直接地體，鋼管壁厚不可過小，本設(shè)計中為了重量較輕以減少經(jīng)費，選用壁厚4.0mm的普通鋼管。圖圖STYLEREF1\s210五金手冊上各類型鋼管數(shù)據(jù)圖圖STYLEREF1\s211電氣手冊的接地體最小尺寸綜述以上，我們可以得知以垂直接地體根數(shù)為8根，長度為4m，外徑0.016m，壁厚4.0mm系列2普通鋼管的所需經(jīng)費較低且防護能力較強，符合設(shè)計所需要求。二、水平接地體的選擇一般情況下，在發(fā)電廠或者本設(shè)計中變電站中，光靠垂直接地體是不足以散流其中較大的工頻電流的，需要將其與均壓網(wǎng)相配合。垂直接地體一方面可以作為類似避雷針的集中接地裝置，另一方面它可以與水平接地網(wǎng)相結(jié)合以更好的降低接地電阻。水平接地網(wǎng)主要起到均壓，降低電壓的作用。根據(jù)《電氣手冊》及《交流電氣設(shè)備接地》，對本設(shè)計中水平接地網(wǎng)的整體面積、布置間隔、埋地深度、使用接地材料進行探討：接地體材料：根據(jù)規(guī)程，由于易化學(xué)侵蝕的裸鋁導(dǎo)體不牢靠戈東方，電力工程電氣設(shè)備手冊.[M].北京：中國電力出版社，1998，銅質(zhì)導(dǎo)線造價較高，所以建議利用鋼質(zhì)。根據(jù)電氣手冊NOTEREF_Ref101437681\h[1]（表16-18），地下接地體的扁鋼要求截面大于48mm2，厚度要超過4mm，考慮在電阻率較高的地區(qū)土壤腐蝕速度較慢，所以采用了50×5mm2扁鋼。戈東方，電力工程電氣設(shè)備手冊.[M].北京：中國電力出版社，1998水平接地網(wǎng)整體面積：范圍越大的水平接地網(wǎng)。對變電站接地電阻減小更有幫助。所以在本設(shè)計中采用全站格柵網(wǎng)格布置。電氣手冊NOTEREF_Ref101437681\h[1]規(guī)定水平接地體的間距不小于5m。一般來說網(wǎng)孔越密，降阻性能越好，但是通過計算發(fā)現(xiàn)即使間距為5米時，降阻效果類似10米間隔，所以出于經(jīng)濟性考量。且由于變電站面積為90×70m的形狀，為了便于安裝，所以采用10m的間隔。在整個變電站下敷設(shè)10×10m2的網(wǎng)孔。埋地深度：根據(jù)規(guī)程NOTEREF_Ref101437913\h[4]中要求在土壤電阻率大小為300~2000Ω/m時。接觸網(wǎng)埋入土地中的深度不應(yīng)小于0.5m，所以在本設(shè)計中采用埋地深度為0.8m。本站將采用50×5mm2扁鋼沿全站布置為10×10m2的網(wǎng)孔尺寸，埋地深度為0.8m，并與垂直接地體組合以減小接地電阻。接下來對效果進行驗證。復(fù)合接地網(wǎng)的工頻接地電阻Re Re=ρ?(BS+1L+n?l B=11+4.6?式中：L——全部躺平埋于土中的接地體的尺寸，任務(wù)中為90?8+70?10=1420m；l——正立于地面引下鋼管的長度，上章中為4m；n——正立于地面引下鋼管的根數(shù)，上章中為8根；S——接地網(wǎng)所占面積，等于全站面積——70*90=6300m2；h——水平接地體埋深，0.8mB=R由此可以看出，將垂直與水平接地體組合后會將原先的垂直接地體網(wǎng)的綜合電阻由原來的10Ω降低至現(xiàn)在的5Ω，大大提升了接地體的降阻能力。由于此接地網(wǎng)的電阻小于任務(wù)要求的10Ω，所以此復(fù)合接地網(wǎng)可以使用。根據(jù)《交流電氣設(shè)備接地》NOTEREF_Ref101437913\h[4]（DL/T621-1997）中計算方形網(wǎng)的Re： Re=0.213?ρS?式中：Ρ——一米深的泥土有400Ω的阻抗；H——全部躺平埋于土中的接地體埋深，0.8m；S——接地網(wǎng)所占面積，等于全站面積：70*90=6300m2；D——水平接地極的直徑，（扁鋼采用0.5b=0.025m）；L——全部水平接地體總長度，任務(wù)中為90?8+70?10=1420m；B——同復(fù)合接地網(wǎng)計算時的系數(shù)。R接地網(wǎng)表面最大接觸電位差:（公式來自《交流電氣設(shè)備的接地》） Utmax=Ktmax×Ug式中：KtmaxUg Kemax=Kd?KL Kd=0.841?0.225lgd n=2?LL0?(L0 Kn=0.076+0.776n Ks=0.234+0.4141 KL式中：L——全部水平接地體總長度，任務(wù)中為90?8+70?10=1420m；L0S——接地網(wǎng)所占面積，等于全站面積：70*90=6300m2；d——水平接地極的直徑，（扁鋼采用0.5b=0.025m）Kn=2?KKK所以：最大接觸電位差為：Utmax=根據(jù)《交流電氣設(shè)備的接地》NOTEREF_Ref101437913\h[4]得知接觸電壓與跨步電壓允許值為：接觸電壓： Ut=174+0.17?Pt÷t式中：Ptt——主保護動作時間，一般220kV線路中為0.2s接觸電壓： Ut帶入上式得出接地裝置的電位差為:1571.42V以下時可以正常布置。變電站表面在正常人邁出一步時兩腳間的電位差Usmax水利電力部電力科學(xué)研究所，交流電氣設(shè)備的接地.水利電力部電力科學(xué)研究所，交流電氣設(shè)備的接地.[J].DL/T621-1997,1997 Usmax=Ksmax×Ug Ksmax=1.5?a2?In a2=0.35?n?2n1.14×（ β=0.1?n=0.1?8.91=0.298 式中：S——接地網(wǎng)所占面積，等于全站面積——70*90=6300m2；d——水平接地極的直徑，（扁鋼采用0.5b=0.025m）h——埋深，0.8mT——跨步距離：一般人體采用0.8maK所以，水平接地網(wǎng)作用下。最大正常人邁出一步時兩腳間電位差為：Usmax根據(jù)《交流電氣設(shè)備的接地》NOTERE