惠黎变电站接地方案

220kV安徽惠黎变电站

一次接地系统设计计算书

XXXXXXX企业

1概述

变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、呆障运行人员和电气

设备安全的主线保证和重要措施，其最重要8勺功能就是将故障电流安全地引

入地下，限制地电位上升，控制地表电位梯度以限制跨步电位差和接触电位

差在安全值内。

在既有B勺设计方案中，安徽惠黎220kV变电站（如下简称惠黎站）接地

系统拟采用镀铜材料。作为国家电网企业基建推广新技术，铜覆钢（电镀镀

铜材料包括在该类产品中）材料目前开始积极应用于国内工程。

本助目一次接地系统设计、分析及计算如下：

2惠黎站站址水文地质条件（岩勘汇报无，有关资料缺乏）

2.1地质条件

2.2水文条件

2.2.1地下水腐蚀性评价

一、地下水对混凝土构造的腐蚀性鉴定

1、根据环境类型鉴别

根据（GB50021-2023）（2023年版）规范附录G,工程场地8勺环境类型属

于II类.根据水中硫酸盐S042-、镁盐Mg2+含量.按(GB50021-2023)表12.2.1

鉴定。表中数值按干湿交替考虑，地下水对混凝土构造的腐蚀性鉴定成果列

于表2.2-1中。

表2.2-1根据环境类型鉴定地下水对混凝土构造的腐蚀性

GB50021-2023规范指标本项鉴定成果

试验

蚀

腐蚀介质指标值

干湿交替按干湿交替考虑

(mg/L)

级

<300

硫酸盐

含量300—1500

S042-1500-3000

(mg/L)>3000

<2023

镁盐

含量2023—3000

Mg2+3000-4000

(mg/L)>4000

2、根据地层渗透性鉴别

拟建站址场地地下水为弱透水层中B勺地下水，根据地下水的PH值，按照

(GB50021-2023)(2023年版)规范表12.2.2,鉴定地下水对混凝土构造B勺

腐蚀性的成果列于表2.2-2中。

表2.2-2根据地层渗透性鉴定地下水对混凝土构造的腐蚀性

腐蚀pH值试验指标值

鉴定成果

等级GB50021-2023规范值(pH值)

微>5.0

弱5.0—4.0

中4.0—3.5

强<3.5

二、ftU下水对混凝土构造中钢筋B勺腐蚀性鉴定

根据水中氯盐C1-含量，按(GB50021-2023)(2023年版)表12.2.4,

鉴定地下水对混凝土构造中钢筋的腐蚀性，鉴别成果列于表2.2-3o

表2.2-3根据水中C1-含量鉴定地下水对混凝土构造中钢筋的腐蚀性

(GB50021-2023)规

试验本项鉴定成果

蚀腐蚀范指标

指标值

介质

干湿交替(mg/L)按干湿交替考虑

级

<100

—氯盐

100—500

含量

500—5000

Cl-(mg/L)

>5000

根据上述水质腐蚀性鉴定成果，拟建场地的地下水对混凝土构造具弱腐

蚀性；对钢筋混凝土构造中的钢筋具强腐蚀性。

3入地故障电流计算

3.1惠黎站规模

惠黎站建设规模规划如下：

3.2入地故障电流及持续时间

3.2.1入地故障电流的)计算

入地故障电流是分析接地系统安全指标的基础。电力系统发生短路故障

时，只有一部分短路电流经接地网流入大地，其他部分经变压器中性点、与

地网相连B勺架空地线、电力电缆的屏蔽层流回系统。

入地故障电流为：

【G=DfXS/xCpXlf(3-1)

式中：

Sf——分流系数，需要根据系统的构造计算得到；

CP一一考虑到系统未来的发展的规划系数，惠黎站的短路电流已给出，

暂按常规取1;

Df一一衰减系数，与故障时延有关;

If一一接地故障对称电流.kA。

下表提供了对于不同样的故障时延和X/R比值8勺衰减系数经典值。

表3-1经典8勺衰减系数值

衰减系数

故障时延tf(s)50Hz对应B勺周期

X/R=10X/R=20X/R=30X/R=40

0.052.51.26851.41721.49651.5445

0.1051.14791.26851.35551.4172

0.20101.07661.14791.21251.2685

0.30151.05171.10101.14791.1919

0.40201.03901.07661.11301.1479

0.50251.03131.06181.09131.1201

0.7537.51.02101.04161.06181.0816

1.00501.01581.03131.04671.0618

综合变电站实际状况，Df取L2在大多数状况下已经有足够裕度，因此

取12

变电站内、外发生接地短路时，经接地网入地的电流可分别按下二式计

算：

I=(，max-，“岛(3-2)

人=/»2(3-3)

式中：

Imax——发电厂和变电站内发生接地短路时的最大接地短路电流.kA;

In一一发电厂和变电站内发生接地短路时流经其设备中性点8勺电流，

kA;

Sfl、Sf2——分别为厂站内、外发生接地短路时B勺分流系数。

经计算，并结合《国家电网企业十八项电网重大反事故措施》第14.1.1.3

条B勺规定：“在新建工程设「中，校验接地引下线热稳定所用电流应不不不

小于远期也许出现8勺最大值，有条件地区可按照断路器额定开断电流考核”，

远景惠黎站站内最大入地故障电流按29.53kA考虑。

3.2.2人地故障电流的持续时间

根据规范规定，变电站B勺继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地

后备保护、断路器失灵保护和自动重叠闸时，t可按式(3-4)取值。

，之+%(3-4)

式中：tm---主保护动作时间，s;

tf一一断路器失灵保护动作时间，s;

tO---断路器开断时间，So

根据本站设备容量配置，综合考虑远期扩建需求，经计算，接地设计中

故障电流持续时间按0.4s考虑。

3.3热稳定校验

按GB50065-2023《交流习气装置的接地》，未考虑，腐蚀时，接地线8勺最

小载面应符合下式规定：

SgN亡R

式中：Sg--接地线B勺最小截面，mm2;

Ig一一流过接地线的短路电流稳定值，A;

te——短路8勺等效持续时间，s;

c一一接地线材料B勺热稳定系数，钢取70,镀铜圆钢钢取128,铜取210。

注：有关有稳定系数C的取值.技术阐明如下:

材料的C值取决于材料的导电率和最大容许温度。铜覆钢材料伴随铜层

B勺腐蚀导电率有所下降，材料B勺C值也对应减小，但伴随系统规模及传播功

率B勺增长，变电站短路电流水平却会增长。因此，结合近远期，确定合理B勺

c值成为铜覆钢材料截面选择中B勺重要问题。

1)IEEE规定的JC值

IEEEstd80-2023列出了多种材料的热稳定系数值，其中镀铜钢材料(新

国标GB50065-2023中定义为铜覆钢材料，如下统一为铜覆钢)的最大容许温

度为1084C,其热稳定系数参照值为135mm2/(Aesl/2);钢B勺最大容许温

度1510c.其热稳定系数参照值为123mm2/(A«sl/2)0

11.3.1.2Formulasimplification

TheformulamEnglishunitscanbesi叫hfiedtothefollowing:

AMUL1Kf及

where

如nlistheareaofconductorinkcmil

IisthermsfaultcurrentinkA

isthecurrentdurationins

istheconstantfromTable2forthemateiialatvariousvaluesofTm(fusingtemperatureor

limitedconductortemperaturebasedon11.33)andusingambienttemperature(J)of40eC

Table2—Materialconstants

MatmalConductivity<%iV。J

Copper,annealedsoft-dia^-n100.010837.00

Copper,commercialhard-drawn97.010847.06

Copper,commercialhard-drawn97.025011.78

Copper-cladsteelwire40.0108410.45

Copper-cladsteelwire30.0108412.06

Copper-cladsteelrod20.0108414.64

AluminumECGrade61.065712.12

Aluminum5005Alloy53.565212.41

Aluminum6201Alloy52.565412.47

Aluminum-cladsteelwire20.365717.20

Steel102010.8151015.95

Stainlesscladsteelrod9.8140014.72

Zinc-coatedsteelrod8.641928.96

Stainlesssteel3042.4140050.05

*See11.3.3forcommentsconcerningmaterialselection.

经计算，C值如下表所示:

表3.3-1IEEE规定的铜覆钢C值

(mm2/A•si

材料材料导电率(%)Tm(℃)

/2)

铜镀钢绞线40108410.45189

铜镀钢绞线30108412.06164

铜镀圆钢20108414.64135

镀锌钢8.641928.9668

2）国标规定的C值

GB50065-2023充足考虑到我国土壤类型的多样性和腐蚀成因8勺复杂性,

为保证铜覆钢材料的合用性，采用设计冗余量前置B勺方式，通过减少导体最

大容许温度，减小热稳定系数取值，为导体截面积计算留出安全有效的1设计

冗余量，并最终确定了700C、800C、900c的分档对应规定，如表3.3-2

所示。对照表3.3-1和表3.3-2可见：GB50065-2023规定B勺C值与IEEE相

比已留有一定B勺裕度。

表3.3-2GB50065-2023规定的铜覆钢C值

最大容许温度C导电率40%导电率30%导电率20%

铜镀视绞线铜镀钢绞线铜镀钢棒

700167144119

800173150124

900179155128

3）设计取值

综合考虑惠黎站土壤地质条仁状况及地下水对金属导体的腐蚀状况，提议按

照GB50065-2023的）列表取值，即导电率20%铜镀圆钢的）C值取128。

3.4土壤腐蚀性及镀铜层厚度规定

3.4.1按GB50065-2023《交流电气装置B勺接地》，接地装置B勺防腐蚀

设计，应符合下列规定：

(1)计及腐蚀影响后，接地装置的)设计使用年限，应与地面工程的设计

使用年限相称；

(2)接地装置的防腐蚀设计，宜按当地的腐蚀数据进行；

(3)在腐蚀严重地区，敷设在电缆沟中的)接地线和敷设在屋内或地面上

B勺接地线宜采用热镀锌，对埋入地下R勺接地体宜采用适合当地条件8勺防腐蚀

措施。接地线与接地极或接地极之间8勺焊接点，应涂防腐材料。

根据我国在20世纪50-60年代提出“以钢代铜，以铝代铜”的技术原

则，与其他地区相似，西北电网系统330kV变电站接地网同样采用镀锌扁钢,

因运行日久，产生不同样产重程度B勺锈蚀，伴随电网规模迅速扩大，短路电

流不停升高，原有接地网逐渐不满足运行规定，尤其是在雷电或变电站近区

短路电流的冲击下，电位抬升对二次系统干扰严重，影响电网的安全可靠运

行。

西北地区某站镀锌扁钢地网腐饨图

根据场站所处区域，综合考虑变电站不低于40年使用寿命原因，因此有

必要考虑金属在土壤中8勺腐蚀问题。

3.4.2镀铜层厚度的选择

GB50065-2023第4.3.6条规定：计及腐蚀影响后，接地装置的)设计使

用年限，应与地面工程的)设亡使用年限相称。本项目变电站接地装置的设计

使用年限暂按40年考虑。因此，需根据防腐蚀规定，确定铜覆钢的铜层厚度。

(1)有关原则及规定规定的镀铜层厚度

GB50065-2023第4.3.4条规定：铜层厚度不应不不小于0.25mm。

(2)根据土壤条件确定B勺镀铜层厚度

如6.1节所述，参照国内外研究成果，结合黄河站站址水文地质条件，

铜言腐蚀率可取为。.002mm/ao按国标规定8勺最小镀铜层厚度0.25mm校验,

即通过40年的全寿命有效期腐蚀.镀铜层厚度剩余量为:0.25-0.002*40=

0.13mm,满足使用规定。

3.5接地体截面选择

接地导体应具有良好的防腐能力并能反复通过大的故障电流，接地系统

8勺寿命应不不不小于地面重要设备的寿命。一般至少规定30年以上使用寿

命，惠黎变电站接地系统B勺使用寿命按40年考虑。

电气设备接地线的截面，应按接地短路电流进行热稳定校验。钢接地线

H勺短时温度不应超过400C,铜接地线不应超过450C。根据热稳定条件，在

没有考虑腐蚀时，接地装置接地导体B勺截面不合适不不小于连接至该接地装

置B勺接地引下线截面的75%。

接地材料采用镀铜圆钢，其接地引下线的最小截面为：

其中：Ig取值29.53KA

te取值0.4s

C取值128

计算可知，引下线最小截面积为145.91mm2,计及40年全寿命周期8勺腐

蚀损耗，选直径16、截面积201mm2镀铜圆钢。

由于接地装置接地导体的截面不合适不不小于连接至该接地装置的接地

引下线截面的)75吼因此，主地网水平接地体的最小截面为：

S=145.91mm2x0.75=109.43mm2

主地网水平接地体选直径13.2、截面积136.84nlm2镀铜圆钢。

3.6接地体连接方式

变电站的)接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的)、牢固的连接

才能保证接地网B勺运行可靠性。

(1)老式B勺钢接地体连接

钢接地体之间B勺连接均为老式的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体

接头部位B勺镀锌层，有也许导致点腐蚀B勺出现，严重影响接地体的寿命。此

外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于要地体的I导电性能也

有影响。

并且焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压

接和螺栓连接略好，焊接接头B勺性能还要取决于操作技术工B勺纯熟程度，

(2)铜接地体连接

铜接地体重要有如下两种种连接方式：

方式一：铜银焊接法

扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之

间R勺连接都可以使用铜银焊连接法，常用8勺铜银焊接有乙快焊、电弧焊等，

但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺

栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工B勺纯熟程度，尤其是铜

焊，虽然是持有特殊工种上岗证，也比较轻易出现某些厚接缺陷，无法从表

面观测合格与否。使用铜焊时，尤其是大截面导体8勺铜岸，对于现场的操作

和施工环境有比较高8勺规定，不过电力工程接地系统都是在野外，施工环境

恶劣，无法满足铜焊所需的焊接环境。基于以上原因，铜银焊连接法在电力

工程接地系统实际施工中很少应用。

方式二：放热焊接法

放热焊接运用活性较强的铝把氧化铜还原,整个过程需时很短（仅数秒），

反应所产生H勺热量足以使被焊接的）导线端部融化形成永久性的I分子合成。铜

基放热反应的公式是：

3Cu20+2Al-A1203+6Cu+热量（2-4）

放热焊接接头B勺特性：外形美观一致；连接点为分子结合，没有接触面,

更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀；具有较大的散热面积，通电流能

力与原导体相似；接头电阻低，能承受故障大电流冲击，不至熔断。

放热焊接可以完毕多种导线间不同样方式的连接，如直通型、丁字型、

十字型等：还可以完毕不同栏材质导线B勺连接。这种焊赛方式操作简朴、焊

接速度快，并且接头的耐腐蚀性好、电阻低、连接可靠，在国际上获得了大

规模的应用。

放热焊接B勺长处：焊接措施简朴，轻易掌握；无需外接电源或热源；供

焊接用B勺材料、工具很轻、搬动以便；焊接速度快捷，节省人工；从焊接头

B勺外观上便能鉴定焊接的质量；可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、多种合金

钢，包括不锈钢及高阻加热热源材料。因此，在国外放热焊接己通过UL原则

严格论证，并被IEEEStd80大纲等规程中指定为接地导体8勺连接方式。

4方案描述阐明及计算：

综合考虑地网的使用年限、地网材料、接地电阻、地质状况、湿度温度

等引然原因B勺影响

1、变电站主地网使用直径13.2、截面积136.84mm2镀铜0钢制成5米*5

米B勺均压网格地网；接地网的外缘闭合，埋设深度为0.8m。主地网外缘闭环

水平导线敷设GEM25长期有效物理性柔性模块，以增强降阻效果。

2、在水平地网外缘闭合环上笈8mB勺水平间隔设置36组单组深度为6.1m8勺

镀铜钢棒垂直地极，每组垂直接地极由5根014.2mm,L=l.22m的镀铜钢棒

棒构成，整个外缘闭合环垂直接地系统使用镀铜钢棒180根；垂直地极与水

平地网采用放热焊接连接：

3、水平网内部分，根据设备设施H勺详细布置位置另设置了24组深度

3.24m（水平地网导线0.8m埋深+2*1.22m棒深）的接地泄流垂直地极，合计

使用镀铜钢棒垂直地极48根。

4、设计资料不全，临时笈这个方案计算。

采用水平复合主地网方案B勺有关计算如下：

1水平均压环接地电阻：

凡力0.5隼

（根据GB50065-2023）

其中：p---土壤电阻率500Q.m

A---接地网面积81X68=5508m2

Rsx3.369Q

均压网外缘闭合环敷设GEM25柔性模块辅助降阻后，接地电阻值减少为

2.357Q

2地网最外缘闭合环上布设B勺单组6.1m深垂直接地极接地电阻：

2万*八d）（根据GB50065-2023）

其中：p---土壤电阻率5000.m

1一一单组垂直接地极深度6.1m

d——单根垂直接地极等效直径1.42cm

Rv=93.174Q

3总计36组9.76m深垂直接地极并联后，其接地电阻为:

（根据BS7430-1991）

=4.329Q

4均压闭合环网与垂直接地网并联后的）复合地网总电阻:

总一"凡+此、

其中：n一一并联屏蔽系数，取L25

R总=1.9080

附件:

表1美国纯铜土壤埋置试验成果

土壤编号埋置时间（年）平均腐蚀速度（mm/a）

3113.70.00030

27160.00043

36160.00068

213.50.0069

5140.0011

7140.0011

913.40.0012

260.00044

13.4

300.00031

13.4

410.00099

13.4

470.0011

13.4

613.30.00036

1013.20.0030

2413.20.00066

18.10.0022

208.10.0014

380.0010

880.00076

1280.010

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