220kV变电站的防雷接地设计问题探讨

220kV变电站的防雷接地设计问题探讨摘要：为保证设备及人员安全，变电站需要合理配置防雷接地设施。由于接地电阻的存在，电流流过接地体会引起电位升高，可能对设备造成反击，破坏二次设备绝缘，电流在地中扩散时，在地面出现的电位梯度会使人体遭受接触电势和跨步电势的作用，必须对接触电阻值进行限制。220kV变电站室配电网主供电源，其防雷接地具有典型性，对相关问题进行探讨。关键词：变电站；防雷接地；接地电阻1变电站防雷接地概述为避免遭受雷电危害，针对直击雷、感应雷或雷电波侵入，变电站通常分别设置不同的措施。对直击雷，通过设置避雷针、避雷线或避雷带，并配以相应的接地装置以便把雷电流导入大地，将雷电与大地的异种电荷充分中和；对感应雷一般通过保证接地不同设备的接地与带电部分在空气中和地中距离来防止反击；对雷电波侵入，在进出线、母线及其他相应位置设置避雷器，并以最短路径将避雷器接地。接地是将电气设备某些部位、电力系统某些点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道、稳定电位、提供零电位参考点，确保电力系统及电气设备安全稳定运行及人身安全。变电站接地除应利用自然接地极外，还须通过设置人工接地装置，来保证接地电阻，以满足接触电势和跨步电势要求，保证设备及人员安全。对于110kV及以上有效接地系统，一般要求地电位升(groundpotentialrise,GPR)<2kV[1]，相应的接地电阻应为R<2000/I(I为最大接地故障不对称电流有效值)。实际工程中，部分变电站短路电流过大，地电位升控制在2kV难度很大。二次系统承受干扰电压和工频耐压试验表明，短路电流较大或土壤电阻率较高区域，地电位升允许提高到5kV，但应验证接触电势和跨步电势要求，同时应保证10kV及以下避雷器的安全性。220kV变电站防雷接地特点220kV变电站根据配电装置型式可以分为常规户外变电站、户外GIS变电站和全户内变电站。户外变电站通过设置独立避雷针或构架避雷针进行防直击雷保护，GIS一般不需要设置专门的直击雷保护，但应做好接地，户内变电站一般在屋顶设置避雷带来防直击雷保护。根据进出线形式，一般在进出线、母线及主变高中低压侧均设置避雷器来防止雷电波侵入造成的破坏。变电站的接地电阻与土壤电阻率成正比，与接地面积的开方成反比。常规户外变电站占地面积较大，一定程度上，降低接地电阻相对容易；户外GIS占地面积较小，户内变电站占地面积最小，接地设计难度较大，在接地电阻无法满足要求的情况下，需要采取附加措施。220kV变电站的防雷接地设计问题探讨3.1接地网材料选择目前主要使用的接地材料是钢材和铜材，钢材成本低廉，耐腐蚀性差；铜材耐腐蚀性好，但成本高，有鉴于此，铜覆钢材也有很广阔的应用场合。选择接地材料的出发点是接地网在变电站设计使用寿命内免维护，接地导体尺寸须考虑热稳定，同时应考虑变电站设计使用寿命内的腐蚀总量。铜接地体导电性能较钢接地体好，接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，多数情况两种腐蚀同时存在。土壤腐蚀性是客观并长期存在的，针对具体工程，应充分调研土壤特性，合理选择接地材料。对于常规户外变电站，一般采用热镀锌钢材作为接地材料；对于户内变电站或户外GIS变电站，由于接地网维护和修复难度大、成本高，一般选用铜接地材料。此外，接地材料的选择应充分考虑土壤的酸碱腐蚀性，在中性或酸性土壤中，接地装置宜选用热镀锌钢，在强碱性土壤或高腐蚀介质的中性土壤中，宜选用铜接地或铜覆钢材。3.2接地网设计变电站接地网通常以水平接地网为主、垂直接地极为辅构成复合地网。水平地网根据导体布置可分为等间距或不等间距。由于端部效应与邻近效应，等间距布置的地网，边角网孔电势比中心网孔电势高，而且随着地网面积与网孔数的增多，其差值也不断增加。在不等距布置的情况下，中部导体得以更充分的利用。较短的垂直接地极由于受水平接地极屏蔽的影响，对地网接地电阻所产生的改善效果较弱，但对一些设备接地可以加强散流，避雷器、构架避雷针、变压器中性点等位置应设置集中垂直接地装置。在接地网的边沿可设置一定数量的垂直接地极，扩大接地面积，加强散流。实际设计中，应根据变电站站址土壤条件合理设置接地网。对于面积狭小的城市220kV变电站应充分考虑岩层特性、土壤电阻率、地下水等相关因素，充分利用深井接地的优点，优先考虑采用深井接地，深井深度应以接至渗水层为宜；对于非城市变电站，一般地处郊区或村镇，应充分调研周边实际情况，通过经济技术论证，选择外引接地、深井接地或其他综合降阻措施。3.3降低接地电阻的措施针对工程实际，应根据入地电流计算变电站的电阻值R，并据此计算地电位升和相应的接触电势和跨步电势，均满足要求才能保证设备和人身安全。随着电力系统发展，短路电流增长趋势明显，对R<2000/I的限值，有些项目很难实现，根据参考文献［2］规定，有效接地系统的电力设备的接地电阻要求为：R<2000/I或R<0.5Q（当I>4000A）。在高土壤电阻率地区，接地电阻如按规定值要求，在技术经济上极不合理时，允许有较大的数值。但必须采取措施以保证发生接地短路时，在该接地网上接触电势和跨步电压均不超过允许的数值；不发生高电位引外和低电位引入；3kV~10kV阀式避雷器不动作。为了降低地电位升，保证人身和设备安全，在经济技术合理的范围内必须降低接地电阻。常用的降阻措施主要包含以下几种：（1）外引接地（2）深井接地（3）采用降阻剂（4）加装接地模块（5）电解离子接地极。外引接地受周围场地及土壤特性限制，有较大的局限性；当下部岩层或土壤电阻率较低时，可采用深井接地；降阻剂有一定的腐蚀性，对接地体及周遭环境有一定影响；接地模块具有耐腐蚀、接地电阻稳定等特点，它由导电性、稳定性较好的非金属矿物和电解物质组成，缺点是接地模块市场混乱，良莠不齐；电解离子接地极，由合金化合物组成，导体外部一般为紫铜管能耐压腐蚀物质，内部填充特制电解化合物，能充分吸收空气中的水分，有效降低电阻并保持稳定，缺点是成本过高。深井接地是根据站区面积采用长垂直接地极，增设一定数量的接地深井（一般不少于4座），利用底层土壤和地下水电阻率较低，能有效降低接地电阻。当降阻难度太大，经济技术不合理时，可与相关部门协商，在不影响二次设备工作和不引起10kV及以下避雷器动作的前提下，通过提高接触电势、跨步电势允许值来保证人身和设备安全。4220kV变电站防雷接地设计要点（1） 适当配置直击雷防护措施。220kV户外或架空线为主的变电站一般采取适当高度的构架避雷针或独立避雷针进行直击雷防护，局部不在保护范围内的主控室等建筑可以增设避雷带进行保护；220kV全户内变电站在屋顶设避雷带进行防直击雷保护。（2） 合理设置避雷器。根据进出线方式、配电装置型式，在进出线侧、架空与电缆连接处、架空线与GIS套管连接处，主变进线的三侧、主变中性点，各段母线均应设置避雷器，防止雷电波侵入，保护电气设备绝缘。（3） 根据统短路电流水平及（包括腐蚀性），合理选择接地材料，结合变电站站址及周边岩层、土壤特性及地下水深度情况，经济技术比较后选择合理的降阻措施。（4） 与二次接地协调，防止对二次