10变电站接地设计详解(补充说明)

变电站接地设计〔补充〕变电站接地网是变电站设备的重要局部，首先它为变电站内各种电气设备供给公共参考地，更重要的，在系统发生接地故障时起到快速泄放故障电流，改善地网金属导体和场区地表地电位分布的作用，保障故障状态下一、二次设备和人员安全。实际工程中， 一般是统一敷设一接地网， 称主接地网， 而在避雷针和避雷器四周下面， 再加设一组集中的防雷接地体， 加强泄放雷电流之用，从而构成发电厂 变电站完整的接地装置。表征变电站地网的主要电气参数有：接地电阻、接触电势、跨步电势、接地电位升和转移电势 。—、地网设计的步骤和方法〔一〕 调查土壤特性土壤电阻率是打算地网参数的重要参数 在发电厂 用物探法和电探法测量土壤电阻率的分布状况， 并重视站区土壤电阻率随季节的变化状况， 然后经过对实测数据的分析处理获得设计时所需要的土壤电阻率。除此之外还应调查站区土壤对一般钢 金属材料的腐蚀状况， 为地网设计选择正确的金属材料和截面供给依据。〔二〕 入地故障电流的计算在接地网设计中首先按下面两式算出流经接地装置的入地短路电流I值，然后取下面两式中较大的 I值。当短路故障发生在地网内时，在流经接地点的短路电流 Imax中，由电站供给的那局部电流〔In〕可以通过接地线直接流回电源中性点， 不会在地网接地电阻上形成压降。由于避雷线的存在， 由系统供给的短路电流〔Imax-In〕中的一局部可以经避雷线及杆塔的接地电阻回路返回系统， 不会在电站的接地电阻上形成压降。因此，经地网入地而造成地网电位上升的短路电流只有：当短路故障发生在地网外时， 明显此时流经大地经地网返回的短路电流将由电站本身供给。同样， 由于避雷线的存在， 短路电流的 In重量中将有一局部以避雷线为回路直接返回电源中性点，此时经地网返回的电流为：Imax ——接地短路点的最大接地短路电流；In—— 流经变电站接地中性点的最大接地短路电流；K e ——为短路时， 与变电所接地网相连的全部避雷线的分流系数据专家分析，Ke应由避雷线的出线回路数确定， 出线为 1路时，取0.15；2路时取0.28；3路时取 0.38；4路时取 0.47；5路以上时取 0.5~0.58，且应依据出线所跨走廊的分流效果做出相应的增减。Ke2——所外接地时， 避雷线向两侧的分流系数，一般取 0.18，这仅适于变电所内有变压器中性点接地的所外接地 。〔三〕 地网导体材料及截面的选择导体材料选择选择导体材料时应考虑导体的热稳定性、在土壤中的腐蚀速度、导电性、材料本钱及来源等。目前世界上普遍承受的接地材料是铜和钢两种。热稳定性在大接地短路电流系统中，入地故障电流一般在几千安到几十千安，将在导体中产生很高的热量，入地故障电流持续时间取决于系统主保护动作时间和断路器的分闸时间，在极短时间内导体产生的热量来不及向四周土壤集中， 几乎全部热量都用来使导体温度上升。 当温度超过肯定值及经土壤自然冷却后， 导体的机械强度会猛烈下降，特别是在导体之间的连接处遇到短路电流电动力的作用， 同时， 导体温度上升，到达金属材料的熔点时， 导体将会熔化。这两种缘由都会使接地引线和地网导体断裂接地， 地网失去作用而使系统故障扩大，造成巨大经济损失。每种导体材料都有一短时最高允许温度和熔点。钢的热稳定性比铜好。土壤对金属导体的腐蚀性土壤对导体的腐蚀程度可以用腐蚀速度来表示 。导体的平均腐蚀速度可以用导体单位时间内单位面积上所失去的重量来表示， g/cm2·a；又可以用单位时间内金属外表的腐蚀深度来表示， mm/a。通常用腐蚀深度表示更精准 建议在进展土壤电阻率测量的同时，还应当测量站区内土壤对铜或钢的腐蚀速度为导体材料和截面的选择供给牢靠的数据 。导体的导电性在大型地网中，当强大的入地故障电流经地网流散时， 因导体电阻的存在， 会造成地网导体上各局部的电位不相等 土壤电阻率越高； 导体导电性越差， 各局部的电位差也越大 。材料的本钱和来源钢的本钱比铜低得多，且矿藏量也比铜多 铜和钢的地网各有优缺点，钢的热稳定性比铜好，且经济 。铜的导电性和耐腐蚀性比钢强， 锌钢的耐腐蚀性又比不镀锌钢好 。一般电气设备的外壳都是钢铁的，地网四周还可能有其他的金属管道，假设地网导体承受铜，将会和与之相近的其他金属材料构成原电池，反而加速钢铁构件的腐蚀 国内变电站设计寿命一般为 25~30年〔但常会通过不断改造和升级使其连续到30年以上〕，接地材料主要有镀锌钢、 镀铜钢和铜材。关于镀锌扁钢接地体的寿命，国内还未见有大规模的调查争论报告，但美国有。 美国国家标准局开挖争论全美 128个接地系统中的 333个不同类型接地极〔 包括镀锌钢，镀铜钢棒等〕，调查了 36500个样本后，得出结论：镀锌钢可用于设计 10年寿命的接地系统， 镀铜钢棒可用于设计 40年寿命的接地系统。在30年中，铜层平均腐蚀厚度为0.17mm 。基于上述调查争论，美国 UL467标准规定镀层厚度要求为0.25mm，如此，寿命大约为44年超过了40年寿命。因此，我国选用镀铜钢作为接地材料是比较适宜的。导体截面积的选择导体截面的选择一般可依据热稳定性要求来确定导体的最小截面， 后依据对地网运行寿命的要求以及实测得到的土壤对地网导体的腐蚀速度计算得到导体截面积， 将两者进展比较取大者，再考虑肯定的裕度，最终确定应中选择的导体截面积 。〔四〕 设计地网布置方式在过去的设计中， 水平地网的均压导体一般按等间距布置 部效应和接近效应， 各均压导体流散电流很不均压， 中部导体流散电流很小，而在边角处导体的流散电流急剧增加， 使得地网内部的地外表电位分布很不均匀， 造成地网边角处的接触电势比中心的接触电势大得多， 这在技术和经济上都是不合理的 。改进的方法是承受不等间距布置均压导体 不等间距水平接地网的设计：当总的均压带根数小于 18根时，长孔的接触电势小于方孔的接触电势， 宜承受长孔接地网；反之，宜承受方孔接地网 另外，承受不等间距布置时，还应看一次设备的分布状况， 考虑是否有利于设备接地 。在大中型地网周边埋设 2～ 3m或远小于地网等值半径的垂直接地体对降低整个接地装置的接地电阻效果不大， 所以在地网的周边一般不敷设垂直接地体 。但假设土壤上层电阻率远比下层电阻率高， 处于简洁枯燥或冰冻的土壤地区，可以在地网周边埋设假设干垂直接地10～50m范围内，它们之间的距离以大于相邻两垂直接地体的总长度为宜。此外，还应重视各种自然接地体的利用。二、地网的接地电阻和接地形式中华人民共和国电力行业标准 DL/T621《沟通电气装置的接地》 第6条的相关要求可简化如下：发电厂、变电所电气装置的接地装置，除利用自然接地极外， 应敷设以水平接地极为主的人工接地网。 人工接地网的外缘应闭合， 外缘各角应做成圆弧形， 圆弧的半径不宜小于均压带间距的一半。 接地网内应敷设水平均压带。 接地网的埋设深度不宜小于0.6m。对于有效接地和低电阻接地系统中发电厂、 电所电气装置保护接地， 一般状况下，接地装置的接地电阻应符合下式：式中R—考虑到季节变化的最大接地电阻〔Ω 〕；I —计算用的流经接地装置的入地短路电流〔 A〕。假设满足不了上式要求， 则可通过技术经济比较增大接地电阻， 不得大于 5Ω，并且应满足如下要求：1〕为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向厂、所外或将低电位引向厂、 所内的设施，应实行隔离措施。 例如，对外的通信设备加隔离变压器； 向厂、 所外供电的低压线路承受架空线，其电源中性点不在厂、 所内接地，改在厂、 所外适当的地方接地；通向厂、所外的管道承受绝缘段， 铁路轨道分别在两处加绝缘鱼尾板等。〕考虑短路电流非周期重量的影响， 当接地网电位上升时， 发电厂、变电所内的 3~10kV阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赐予的能量。〕设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。 GB/T50065《沟通电气装置的接地设计规范》也有类似上述要求。 但在实际操作中，对 110kV及以上等级者往往还需满足接地电阻值不大于 0.5Ω的要求。1、常规地网变电所一般承受网格式地网， 论形式又分为长孔地网和方孔地网，方孔地网耗材多，但均压特性、 冲击特性更优，目前普遍承受方孔地网。很多时候，直接在变电所内铺设水平接地网便可到达接地电阻值要求， 通常称之为常规地网。常规水平地网接地电阻计算式之前已有介绍，一般推举为上式计算结果比同等面积的圆盘公式计算结果高12.8%，一般较实际水平地网接地电阻值也偏高，但误差明显低于12.8%，为当前计算变电所等大型地网最常用的公式。对一座变电站，假设变电所内面积为100m100m，土壤电阻率大致为80Ω·m，那么可以大致估算，在站内铺满水平地网〔一个单元格面积为10m10m〕其接地电阻为假设该接地电阻值满足要求，则无需再进一步扩展地网，但还得计算跨步电压、接触电压，使其满足要求方可。2、长垂直接地极假设常规地网不能将接地电阻降至目标值， 又不能进一步扩网， 需考虑长垂直接地极〔 深井接地〕 或者其他措施。 一般地， 在电阻率上高、下低的状况下，应考虑深井接地，否则很简洁导致巨大的铺张。对电阻率上高低低的状况， 通过布置长垂直接地极， 常会得到意想不到的效果。3、无开挖深埋辐射形接地极接地技术如电阻率上低下高，则不宜深井接地〔布置长垂直接地极〕，对不能进一步水平扩网的状况，以往多布置斜井〔接地棒斜着布置〕方面，可以少受水平地网屏蔽，另一方面，可以更多地利用浅层低电阻率区，从而到达更好的降阻效果。不过， 这里推举比斜井更具优势的无开挖深埋辐射形接地技术。 大体来说，就是在变电站地网边缘往外打斜井，通过无开挖导航设备来实现，到达肯定深度〔如15m深的低电阻率含水层〕 后，沿水平方向往外钻井，至足够长位置后再斜着向上钻出地面， 并在相应位置放置接地极， 由设备钻头将接地极顺斜井往回拉，最终将接地极与站内地网做有效连接。深埋接地体可避开高额的征地费用， 并且还能有效降低或消退跨步电压导致的人身安全威逼。 如此， 可将站内常规水平地网的均压优势和站外辐射形接地极的高效降阻优势结合在一起，成功解决形势下的变电站接地难题，如以下图所示。无开挖深埋辐射形接地技术示意图中间为站内常规水平地网， 主要起均压作用， 射形水平接地极，主要起降阻作用。4、当前变电站接地的几点重要缺陷和隐患随着电力系统容量的不断增加， 流经地网的入地短路电流也越来越大对变电站地网要求也越来越高， 可目前的前期勘测、测量验收、施工、材料选择匹配并没有跟上来，常导致严峻的经济损失和安全隐患。1〕详实的勘测工作格外重要，否则，