变电站接地设计之要点分析

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摘要:变电站接地设计关系到电网安全运行,有效、可靠的接地是变电站安全运行的基本保证,对确保人身、设备安全至关重要。文章主要介绍了变电站接地设计的要点,分析了解决变电站接地问题的常用措施。

关键词:变电站;接地设计;电网安全;接地网;接地引下线

中图分类号:TM764文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)07-0007-02

变电站接地设计关系到电网安全运行,有效、可靠的接地是变电站安全运行的基本保证,对确保人身、设备安全至关重要。当前,电力系统容量的不断增加,短路电流也不断增大,同时,土地资源的紧张也要求站址面积小型化,这些都对变电站接地设计提出了较高的要求。

一、影响接地设计的因素

接地的实质是当变电站发生接地短路时,控制故障点地电位的升高,因为接地主要是为了设备及人身的安全,起作用的是电位而不是电阻,接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数,但不是唯一的参数。接地装置的电位Ug=IR,因此要想使该电位满足要求,其一要降低接地电阻R,其二要使入地电流I减小。下面就对这两方面作简要分析:

(一)接地电阻

变电站电气接地装置主要敷设以水平接地极为主的人工接地网,人工接地网的外缘闭合,各角做成圆弧形,计算接地电阻的简易公式为R≈0.5ρ/,土壤电阻率ρ和地网面积S是影响接地电阻的主要因素,了解了这些原因有利于针对不同情况因地制宜改善接地装置。

1.土壤电阻率。(1)砂的含水量与电阻率的关系。含水量越大则电阻率越小,根据这种特性,有些地方或利用地下水作为降阻措施,或敷设水下接地网作为降阻措施,这些措施都可以有效的降低接地电阻。(2)温度与电阻率的关系。当水分由水变为冰时,电阻率在0℃出现一个突然的上升,当温度再下降时,电阻率出现十分明显的增大,而温度从0℃上升时,电阻率仅平稳的下降,因此,接地装置应埋设在多年冻土层下,一般埋深为0.6～0.8m即可。(3)土壤的致密与否对电阻率的影响也是很大的,其根本原因是土壤越致密则接触电阻越小。在接地体周围小范围内使用化学降阻剂,使接地电阻大大减小的效果,实际上也是包括了消除接触电阻的原因在内。

2.地网面积。地网面积的大小是影响接地电阻的主要因素,但近年来,由于变电站设计的技术革新,大大减小了地网的面积,当接地电阻不能满足要求时,必须向外扩展更大的面积,但这又牵扯到与有关部门的协调问题,实施较为困难。

(二)入地短路电流

当系统发生接地故障时,产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。(1)经架空地线―杆塔系统;(2)经设备接地引下线,地网流入本站内变压器中性点;(3)经地网入地后通过大地流回系统中性点。

而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以,正确地考虑和计算各部分短路电流值,对合理地设计地网有着很大的影响。

据规程(DL/T621-1997)规定,接地电流按考虑系统5~10年发展后最大运行方式确定,并计及各中性点的短路电流分配及地线分流。计算时,应先确定在系统最大运行方式时的单相接地短路电流值,然后利用下列公式计算入地短路电流,取两式中较大的I值。

I=(Imax-In)(1-Ke1); I=In(1-Ke2)

式中:Imax――接地短路时的最大电流A;

I――入地短路电流A;

In――发生最大接地短路电流时,流经变电站接地中性点的最大接地短路电流A;

Ke1、Ke2变电站内、外短路时地线的工频分流系数。

由以上公式分析,入地短路电流的大小与流回变电站接地中性点的短路电流、架空地线的分流系数有关。

对于有效接地系统110kV以上变电站,线路架空地线都直接与变电站内出线架构相连。当发生接地短路时,很大一部分短路电流经架空地线系统分流,因此,在计算时,应考虑该部分的分流作用,发生接地故障时,总的短路电流是一定的,只要增大架空地线的分流电流,就可减小入地短路电流,因此,降低架空地线的阻抗也是安全接地设计重要的一个方面。架空地线采用良导体,正确利用架空地线系统分流,将使地网的设计条件更为有利。

从上述分析可知,入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流,再减去流经变压器中性点的电流(也就是流经器的零序电流)。如此计算,入地短路电流值相对比较小。由于接地电阻允许值R≤2000/I,所以接地电阻相应的允许值就比较大,设计也容易满足。另外,对于一个给定的地网,其接地电阻也基本确定:从R≈0.5ρ/可知,对实际的接地网面积减少有很大影响。

通过以上分析,降低接地电阻和入地电流可以降低地电位,保证设备和人身安全,但单纯为满足地电位2000V的要求,而采取一系列的措施势必然造成技术的困难和经济的浪费,即使入地电流I为10kA,其R值也要求不大于0.2Ω,况且随着电力系统短路容量的增加,入地短路电流一般均大于10kA,在有限的接地网内要达到如此小的接地电阻困难是比较大的。因此行标《交流电气装置接地》(DL/T 621-1997)又规定若不满足此要求,则应满足本标准6.2.2的要求且不大于5Ω,要求采取防止转移电位引起的危害、防止站内3～10kV避雷器受到反击并验算接触电位差和跨步电位差,从而改善站内电位的分布,形成1个均衡电位接地系统。

二、接地网设计的要点和措施

(一)接地网设计要点

1.接地网的接地电阻主要与接地网的面积有关。加在地网上的2～3m的垂直接地极,对减小接地电阻的作用不大,一般仅在避雷器、避雷针(线)等处作加强集中接地散泄雷电流用,或为稳定地网在中间或外缘增设几个。

2.接地网孔大于16个(均压要求除外),接地电阻减小很慢,对大型接地网,网孔个数也不宜大于32个。过分增加均压带根数并不能无限制的减小最大接触系数,实验研究最大接触系数最多只能减小到0.1～0.15。

3.接地网埋深达一定时,接地电阻减小很慢,一般取0.6～0.8m。

4.在小面积地网内,采用置换或化学方法改善接地体附近的高土壤电阻率,对减小接触电阻有效果,对减小接地电阻作用不大。

5.接地网的四角做成圆弧形可以显著改善接地网外直角处的跨步电势。

(二)常用措施

(1)采取不等间距布置来均衡地网电位;(2)电位隔离;(3)利用地质钻孔埋设长接地极;(4)水平接地带换土与加降阻剂交替使用;(5)长垂直接地极加降阻剂;(6)利用地下水的降阻作用;(7)引外接地;(8)所内超深井接地;(9)利用架空地线杆塔接地系统。

以上方法均有成功经验,在工程中可以根据具体情况进行选择。

三、接地引下线的设置

行标《交流电气装置的接地》(DL/T 621-1997)中仅对接地引下线的截面作了要求,即应该不小于热稳定所允许的截面,并按工程的使用年限计及腐蚀影响,未对每个设备接地引下线的根数作具体要求,在实际工程中各地对此有不同理解。

有关资料指出,高压系统的雷电过电压、操作过电压和短路事故等都会通过干扰源(避雷器、电容器、电压互感器、电流互感器及其它带电容设备)进入二次系统,在二次回路上产生很高的干扰电压,引起保护误动和器件绝缘击穿事故,因此近年来十分强调除在此回路采取相应的抗干扰措施外,还对高压电器接地引下线的有关问题提出要求。有的地区如电流互感器用2根引下线分别接在地网纵横接地带上;电容式电压互感器除用2根接地引下线外,设备三相之间还有连线。接地引下线增加根数加大截面的目的是为了减小引下线的波阻抗,从而降低来自高压系统的干扰电压。

采用2根接地引下线的另一个优点是可以提高接地的可靠性,多年来的运行实践表明设备引下线与地网焊接不良,甚至漏焊、腐蚀等现象屡有发生,运行中又不易发现,以致引发不少事故。近年来,相当重视接地设施和施工,相继下发一系列反措,对旧地网进行开挖检查,对新站接地网严格执行规程和反措的要求,国家电力公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中也专门对接地做了要求,规定变压器中性点应有2根与主接地网不同地点连接的接地引下线,且每根接地引下线均应符合热稳定的要求、重要设备及设备构架等宜有2根与主接地网不同地点连接的接地引下线,且每根接地引下线均应符合热稳定的要求。

在实际工程中,一般做法是按设备基础的形式进行分类,每相设备为独立基础的,则每相设备双接地,若三相合用基础,则每个基础双接地,采用这种方法,一方面可以保证设备的齐全,另一方面可以节约钢材,减小施工难度。

四、接地材料的选择

变电站容量的扩大对接地网安全运行的要求更为严格。在我国,接地网所用的材质主要为普通碳钢。接地网腐蚀通常呈现局部腐蚀形态,发生腐蚀后接地网碳钢材料变脆、起层、松散,甚至发生断裂。近年来,部分经济发达地区开始采用铜材,铜材的性能比钢材好:导电率高、热容量大、耐腐蚀性强,但其价格却较昂贵,差不多是钢材的7～8倍,接地网综合造价约相差2～3倍。

因此,在实际工程中,因地制宜地进行技术经济比较,土质腐蚀性强的地方可考虑采用铜地网,GIS设备对接地要求较高,也可考虑选用铜材。

五、工程实践

某220kV变电站,因其采用优化设计,占地面积仅有1.147ha,土壤电阻率80Ωm,入地电流11kA,其允许接地电阻0.18Ω,接地网采用复合接地网,总面积为13780m2,经计算接地电阻R=0.34Ω,不满足≤0.18Ω的要求,但满足

通过上例分析可以看出,接地电阻并不是衡量接地安全的唯一标准,满足了接触电位差和跨步电位差则不需要再花费巨资降低接地电阻。

又如省某110kV户内变电站,位于市中心,占地面积仅580m2,地下两层,地上三层,站址南北均为居民楼,西侧为道路,东侧为小区花园,本站土壤电阻率约50Ω・m,要求接地电阻小于0.48Ω。接地网原设计为在变电站四周做一圈主接地网,与楼内各层接地带连接,然后利用地质专业留下的4个钻孔井位作接地极,先放入直径为50mm,长20m的钢管,然后注入降阻剂,有3个钻孔深20m,1个钻孔深50m,约需降组剂2t,将这4个深井连接后再与主接地网连接,经计算接地电阻为0.46Ω,但在实际施工时,发现地质专业留下的钻孔因为未采取措施在地基处理时已被埋住,若要利用需重新钻井,后经现场勘察,发现四周有4个施工用的积水井,此处地下水位高,井深约20m,决定在积水井内放入接地钢管,与主接地网连接成网,等施工完毕时用回填土回填密实,经实测接地电阻仅为0.2Ω,接地效果很好,完全满足要求,这种经验值得推广。

通过以上工程的实践可以看出,接地设计可以采取的措施有多种,如何根据实际情况选择最经济、最实用、施工方便并满足要求的方法,是我们在今后的设计中应该注意的问题。

参考文献

[1]曾永林.接地技术[M].北京:水利电力出版社,1979.

[2]杨子仪.当前发电厂、变电所接地网设计综述[J].北京:电气设计技术,2000,(3).

[3]交流电气装置的接地(DL/T 621-1997)[S].

作者简介:丁N(1975-),男,江苏无锡人,无锡市广盈电力设计有限公司工程师,研究方向:电气设计。