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        變電站接地工程設計施工方案

        發布日期:2016-06-08訪問量:2521 次

        一、變電站接地概述 接地網作為變電所交直流設備接地及防雷保護接地,對系統的安全運行起著重要的作用。由于接地網作為隱性工程容易被人忽視,往往只注意最后的接地電阻的測量

        一、變電站接地概述
        接地網作為變電所交直流設備接地及防雷保護接地,對系統的安全運行起著重要的作用。由于接地網作為隱性工程容易被人忽視,往往只注意最后的接地電阻的測量結果。隨著電力系統電壓等級的升高及容量的增加,接地不良引起的事故擴大問題屢有發生。因此,接地問題越來越受到重視。變電所地網因其在安全中的重要地位,一次性建設、維護困難等特點在工程建設中受到重視。另外,在設計及施工時也不易控制,這也是工程建設中的難點之一。因此,為保證電力系統的安全運行,降低接地工程造價,應采用最經濟、合理的接地網設計思路。
        二、接地電阻降阻方法
        為了達到降低接地網接地電阻之目的,首先需要從理論上研究降低接地電阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出,降低接地電阻有以下兩種途徑,一是增大接地體幾何尺寸,以增大接地體的電容C;二是改善地質電學性質,減小地的電阻率ρ和介電系數ε。
        接地網是在接地系統的基礎,由接地環(網)、接地極(體)和引下線組成,以往常有種誤解,把接地環作為接地的主體,很少使用接地體,在接地要求不高或地質條件相當優越的情況下,接地環也能夠起到接地的作用,但是通常的情況下,這是不可行的,接地環可以起到輔助接地地作用,主導作用是用接地體來完成的。決定接地電阻大小的因素很多,下面先來分析一下計算傳統地網接地電阻的公式(僅以接地環接地時)。
        式中:
        р
        Ω.m-----土壤電阻率;
        d(m)------------
        鋼材等效直徑;
        S
        m2---------地網面積;
        H(m)------------
        埋設深度;
        L(m)------------
        接地極長度(m) ;
        A---------------
        形狀系數。
        式(1)表明,傳統的接地方式在土壤電阻率已經確定的情況下,要想達到設計要求的電阻必須有足夠的接地面積,要降低接地電阻只有擴大接地面積,每擴大4倍的接地面積,接地電阻會降低一倍。
        式(2)、(3)表明,在上述的接地網中,要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的尺寸,但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地電阻的一些常用的合理的方法。
        1
        、增大接地網面積
        由上面接地電阻的物理概念,大地電阻率ρ和介電系數ε不容易改變,而接地電阻R與接地網電容C成反比:從理論上分析,接地網電容C主要由它的面積尺寸決定,與面積成正比,所以接地網面積與接地電阻成反比。減小接地網接地電阻,增大接地網面積是可行途徑。一個有多根水平接地體組成的接地網可以近似地看成一塊孤立的平板,借用平板接地體接地電阻計算公式,當平板面積增大一倍時,接地電阻減小29.3%。
        2
        、增加垂直接地體
        依據電容概念,增加垂直接地體可以增大接地網電容。當增加的垂直接地體長度和接地網長、寬尺寸可比擬時,接地網由原來的近似于平板接地體趨近于一個半球接地體,電容會有較大增加,接地電阻會有較大減小。由埋深為零半徑為r的圓盤和半徑為r的半球電容之比4εr/2πεr可得,接地電阻將減?。常叮?。但是對于大型接地網,其電容主要是由它的面積尺寸決定,附加于接地網上有限長度(2~3m)的垂直接地體,不足以改變決定電容大小的幾何尺寸,因而電容增加不大,亦接地電阻減小不多。所以大型接地網不應加以增加垂直接地體作為減小接地電阻的主要方法,垂直接地體僅作為加強集中接地散泄雷電流之用。唯一有效的途徑是采用深井接地。
        3
        、人工改善地電阻率
        在高電阻率地區采用人工改善地電阻率的方法,對減小接地電阻具有一定效果。例如,對于一個半徑為r的半圓球接地體而言,其接地電阻的50%集中在自接地體表面至距球心2r的半圓球內,如果將r至2r間的土壤電阻率降低,可使接地電阻大大減小。
        設原地電阻率為ρ2,將r至2r范圍內的電阻率為ρ2的土壤用低電阻率的材料ρ1置換,則半圓球接地體的接地電阻為:RX=(ρ1+ρ2)/4лr
        置換前的接地電阻RX為: RX=ρ2/2πr
        R
        RX之比為: R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2
        ρ1<<ρ2,上式改寫為: R=RX/2=ρ2/4πr
        故接地電阻減小的百分數為50%。另外由上式可以看出,用低電阻率的材料置換半球附近高電阻率的土壤,相當于將半球接地體的半徑由R增大到2R,由于接地體幾何尺寸的增加,而使接地電阻減小。
        4
        、深埋接地體
        在地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方,可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。地的電阻率隨深度而減小的規律,往往在達到一定深度后,地電阻率會突然減小很多。因此利用大地性質,深埋接地體后,使接地體深入到地電阻率低的地層中,通過小的地電阻率來達到減小接地電阻的目的。
        對于地電阻率隨地層深度的增加而減小不大的地方,由于地電阻率變化不大,增加接地網的埋深只是增大接地網的電容。利用電容的概念,電容具有儲藏電場能量的本領,它所儲藏的能量,不是儲藏在極板上,而是儲藏在整個介電質中,即整個電廠中:介電質中的能量密度,既與介電系數有關,又與電場的分布有關,因此,比起接地網的幾何尺寸小得多的有限埋深,所增加的儲藏能量的介質空間極為有限;在有限空間中的能量密度又小,儲藏的總能量也就增加不多,即電容增加不大,所以對減小接地電阻作用不大,不宜采用深埋接地體的方法減小接地電阻。深埋接地體和敷設水下接地網可以大大降低直流電阻,但對降低交流電阻作用不大,故國軍標不推薦使用該法。但結合基地航天測試實際情況,主要是低頻信號,此法簡單,效果明顯,可以使用。
        5
        、敷設水下接地網
        在有適宜水源的地方敷設水下接地網,由于水的電阻率比地電阻率小的多,可以取得比較明顯的減小接地電阻的效果。而且敷設水下接地網施工比較簡便,接地電阻比較穩定,運行可靠,但應注意水下接地網距接地對象的距離一般不大于1000m。
        6
        、利用自然接地體
        充分利用混凝土結構物中的鋼筋骨架、金屬結購物,以及上下水金屬管道等自然接地體,是減小接地電阻的有效措施,而且還可以起引流、分流、均壓作用,并使專門敷設的接地帶的連接作用得到加強。
        三、變電站接地網設計應注意的問題
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        、接地電阻
        《電力設備接地設計技術規程》(SDJ8—79)中對接地電阻值有具體的規定,一般不大于0.5Ω。在高土壤電阻率地區,當接地裝置要求做到規定的接地電阻在技術經濟上極不合理時,大接地短路電流系統接地電阻允許達到,但應采取措施,如防止高電位外引采取的電位隔離措施,驗算接觸電勢,跨步電壓等。根據規程規定,主要是以發生接地故障時,接地電位的升高不超過2000V進行控制,其次以接地電阻不大于0.5Ω進行要求。因此,人們普遍認為,110kV及以上變電所中,接地電阻值小于0.5Ω即認為合格,大于0.5Ω就是不合格,不管短路電流有多大都不必采取措施。這是不合理的。
        接地的實質是控制變電所發生接地短路時,故障點地電位的升高,因為接地主要是為了設備及人身的安全,起作用的是電位而不是電阻,接地電阻是衡量地網合格的一個重要參數,但不是唯一的參數。
        隨著電力系統容量的不斷增大,一般情況下單相短路電流值較大。在有效接地系統中單相接地時的短路電流一般都超過4kA,而青海地區變電所大部分接地電阻又很難做到0.5Ω。因此,從安全運行的角度出發,不管在什么情況下,都應該驗算地網的接觸電勢和跨步電壓,必要時應采取防止高電位外引的隔離措施。
        接地短路電流分析當系統發生接地故障時,產生的接地短路電流經三種途徑流入系統接地中性點。(1)經架空地線桿塔系統(2)經設備接地引下線,地網流入本站內變壓器中性點(3)經地網入地后通過大地流回系統中性點。而對地網接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流。所以,正確地考慮和計算各部分短路電流值,對合理地設計地網有著很大的影響。
        架空地線系統的影響對于有效接地系統110kV以上變電所,線路架空地線都直接與變電站內出線架構相連。當發生接地短路時,很大一部分短路電流經架空地線系統分流,因此,在計算時,應考慮該部分分流作用,發生接地故障時,總的短路電流是一定的,只要增大架空地線的分流電流,就可減小入地短路電流,因此,降低架空地線的阻抗也是安全接地設計重要的一個分支。架空地線采用良導體,正確利用架空地線系統分流,將使地網的設計條件更為有利。
        入地短路電流從上述分析可知,入地短路電流是總的接地短路電流減去架空地線的分流,再減去流經變壓器中性點的電流(也就是流經變電器的零序電流)。如此計算,入地短路電流值相對比較小。由于接地電阻允許值R≤2000I,所以接地電阻相應的允許值就比較大,設計也容易滿足。另外,對于一個給定的地網,其接地電阻也基本確定:R≈0.5ρ/S可知,對實際的接地網面積減少有很大影響。
        2
        、接地裝置的設計
        土壤電阻率的測量工程土壤電阻率的測量是工程接地設計重要的第一手資料,由于受到測量設備、方法等條件的限制,土壤電阻率的測量往往不夠準確。我省地處青藏高原東部,地質結構復雜,變電所占地雖然不大,但多為不均勻地質結構?,F在的實測,往往只取34個測點,過于簡單。建議提高測量精度,設計采用《設計手冊》中提供的計算平均電阻率的方法,使設計誤差值減小。
        接地網布置根據地網接地電阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中:ρ——土壤電阻率(Ω?m);S—接地網面積(m2);R—地網接地電阻(Ω);地網面積一旦確定,其接地電阻也就基本一定,因此,在地網布置設計時,應充分利用變電所的全部可利用面積,如果地網面積不增加,其接地電阻是很難減小的。
        垂直接地極的作用在110kV變電所中,一般采用水平接地線為主,帶有垂直接地極的復合型地網。根據R=0.5ρ/S可知,接地網的接地電阻與垂直接地極的關系不大。理論分析和試驗證明,面積為30×30m2—100×100m2的水平地網中附加Φ40mm×2.5m的垂直接地極若干,其接地電阻僅下降2.88%。但是,垂直接地極對沖擊散流作用較好,因此,在獨立避雷針、避雷線、避雷器的引下線處應敷設垂直接地極,以加強集中接地和散泄雷電流。例如,在330kV阿蘭變電所的接地設計中,通過計算,接地網的設計全部由水平接地體構成,只在避雷針,避雷器附近敷設少量垂直地極,實際運行證明效果是較好的。
        地網均壓網的設計根據設計規程規定,當包括地網外圍4根接地線在內的均壓帶總根數在18根以下時,宜采用長孔接地網。由于110kV變電所占地面積一般不超過100×100m2,考慮均壓線間屏蔽作用,均壓線總根數一般為812根左右,故根據規程規定,一般采用長孔方式布置,但存在以下幾個方面的問題。
        1
        、方孔地網縱、橫向均壓帶相互交錯,因此地網的分流效果優于長孔地網,均壓效果比長孔地網好且可靠性。2、長孔地網均壓線與主網連接薄弱,均壓線距離較長,發生接地故障時,沿均壓線電壓降較大,易造成二次控制電纜和設備損壞。當某一條均壓線斷開時,均壓帶的分流作用明顯降低,而方孔地網的均壓帶縱橫交錯,當某條均壓線斷開時,對地網的分流效果影響不大。因此,建議在變電所地網設計時,采用正方孔均壓網設計,以提高接地安全性。
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        、接地網的腐蝕
        接地網的腐蝕狀況在八十年代及以前變電所的設計中,很少或根本就沒有考慮地網的腐蝕問題。由于地網腐蝕引起的安全事故屢有發生,如接地引下線斷開使高壓運行設備處于無接地狀態,地下主網腐蝕斷裂使地網分割成幾塊,發生接地時使二次設備燒壞等。另外,由于地網屬隱蔽工程,埋于地下后不易檢查、修復等,因此,從設計的角度應加大對地網腐蝕的調查研究,以便有利于系統的安全運行。一般變電所的設計年限按2530年考慮,但地網的實際安全壽命只有1015年左右,與變電所的設計年限極不配套。加之,由于系統容量的增加,短路水平的提高,腐蝕后的地網更不能滿足安全運行的要求。
        接地網的防腐設計接地網的材料一般為扁鋼和圓鋼,其腐蝕狀態應根據變電所當地的腐蝕參數進行計算。但一般情況下其腐蝕參數很難測定。因此,在工程設計沒有實際數據時按扁鋼腐蝕速度:0.1 -0.2 mm/a;圓鋼腐蝕速度:0.065 -0.07 mm/a;熱鍍鋅扁鋼腐蝕速度:0.065 -0.07 mm/a計算。在計算時,還應考慮不同敷設部位腐蝕情況不同的影響,可參考以下數據。采用扁鋼接地網的年腐蝕率,當接地網部位為水平接地體時年腐蝕速度:0.1 -0.12 mm/a;為設備引下線時年腐蝕速度:0.2 -0.3 mm/a;為電纜溝中的接地帶時年腐蝕速度:0.47 mm/a?! ?/span>
        對于一般變電所地網的設計年限不應小于30年,對于重要樞紐變電站的地網壽命應按50年考慮。這兩種情況都不大于規程規定的設計年限,但更接近于實際。關于地網材料的選用問題,常規選用扁鋼和圓鋼兩種,相同截面的扁鋼與圓鋼與周圍土壤介質的接觸面不一致,扁鋼約為50%左右,但由于其腐蝕機理不完全一致,腐蝕結果基本上一致,這已從陜西電網和青海電網地網腐蝕調查報告中已得到確認,而且規程中也提供了不同的腐蝕數據。因此,關于接地材料選用扁鋼還是圓鋼沒有很大差別。關于防腐的設計問題,一般應考慮在設計年限內,采用熱鍍鋅材料。
        4
        、接觸電勢與跨步電壓
        接觸電勢與跨步電壓是地網安全性設計的兩個重要參數,新規范中指出這兩參數不應超過下列數值:ut=174+0.17ρ+tu0=174+0.7ρ+t式中:Ut——最大允許接觸電勢(V)Uo——最大允許跨步電壓(V)ρ+——人站立處地表面土壤電阻率(Ω?m)t——接地短路持續時間(s)從以上可知,新規范中ut、u0比設計規程要求的條件更苛刻,更趨于安全,但給地網的設計帶來的困難也更大。對于一個給定的變電所,短路產生的最大接觸電勢和最大跨步電壓也確定。從上式中可以看出,用提高ρ+值來提高ut、u0的允許值也是合理設計地網的一個方面。因此,ρ+是一個比較重要的數據。當變電所的接觸電勢、跨步電壓不滿足要求時,設備區可采用做絕緣操作平臺,做局部均壓網,道路采用礫石、碎石或瀝青混凝土等高土壤電阻率路面結構來處理,不宜采用磚、方磚等材料,故地面施工應嚴格按照設計要求進行。
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        、地網的敷設深度
        規程和新規范中明確指出,接地網的埋設深度宜采用0.6m,《設計手冊》中又補充到,在凍土地區宜敷設于凍土層以下,現設計中一般將地網全部埋設于凍土層以下。
        地網敷設深度對最大接觸系數的影響最大接觸電勢是地網設計中的一個重要參數,地網設計的問題之一就是如何降低地網的最大接觸電勢。地網的接觸電勢的最大接觸系數Kjm與地網的埋深有如圖2所示的關系。從圖2可以看出,接地網的埋深由零開始增加時,其接觸系數是減少的,但埋深超過一定范圍后,Kjm又開始增大。這是因為地網圖2 最大接觸系數Kjm和埋深h的關系曲線(接地網面積A=40×40m2,接地體直徑d=0.01m,網孔個數n=400)敷設深度的不同,在網孔中心地面上產生的電場強度的變化決定的,引起網孔中心地面與地網之間產生的電位差不同。當埋深增加到一定深度后,電流趨向于地層深處流動,地面上的電流密度越來越小,因而網孔中心地面與地網之間的電位差又開始增大,因此,規程中規定的敷設深度是合理的。
        敷設深度對接地電阻的影響目前所遇到的變電所一般都是處于季節性凍土地區。如按規程規定,將地網敷設在0.6m深度時,冬季將使地網處于凍土層中。由于土壤凍結后其電阻率將增大為原來的3倍以上,對地網接地電阻有一定的影響。目前采用的地網是以水平接地線為主邊緣帶有垂直接地極的復合型地網,冬季垂直接地極大部分伸于下層非凍結土壤中。此時土壤結構可以等效為兩層電阻率不同的土壤結構。有研究表明,對于處于雙層土壤介質中的垂直電極,其各部分的散流密度與周圍介質的電阻率成反比,除了在電極尖端處,具有ρiJi=常數(其中Ji為處于電阻率為ρi土壤中的電極部分的散流密度)。此時,當電極有一部分進入下層土壤時,整個電極的散流電阻將主要取決于下層土壤。此時地網的接地電阻也將主要取決于地網的非凍結土壤。因此,在季節性凍土地區,采用這種帶有垂直接地極的復合型地網是有很大的優點的,如果在冬季由于土壤的凍結,而對接地電阻沒有很大的影響時,就沒有必要把地網都埋于凍土層以下。將地網埋于凍土層以下,對地網的接地電阻來講肯定是有利的。但是如果單純為敷設地網開挖土層則將使工程開挖土方量大大增加,施工困難。工程造價也隨之上升。規程中還規定,接地電阻應滿足一年四季變化的要求,這在實際工程中很難做到,冬季土壤的凍結對接地電阻肯定有影響,但可通過其安全要求的各種因素進行綜合比較,合理控制。因此,在工程設計中應合理的確定地網的埋設深度。
        變電所地網的設計應結合實際情況進行,在具體工程設計中應重點考慮地網布置,敷設深度,腐蝕及熱穩定校驗等方面。對合格地網的概念應有全面的認識,接地電阻應按實際的流經地網入地的短路電流計算,降低接地電阻、降低接觸電勢和跨步電壓等都是合格地網要求的主要因素。因此,在保證變電所接地的安全條件下,應綜合考慮各種因素,合理地設計接地裝置以便于變電所的安全運行和施工,降低工程造價。
        四、材料選擇與施工工藝的優化
        單使用接地環要達到某個接地電阻值,接地環包圍的面積S和土壤電阻率有關。我們以一個城市常見的土壤電阻率200Ω.m來分析,要做接地電阻的地網站地應為10000平方。即使,對于大型建筑物而言,本身站地很大,也最多可以建設一個這樣的地網,但是對于這樣大型的建筑即使是以聯合接地的辦法,考慮到要求獨立地的設備,一個地網是遠遠不夠的。在建筑林立的城市和地形復雜的山地要求大面積可供施工的的土質空地是不太可能的,及時在地理條件許可的地方,由于開挖量大、耗材多,費工費料工程費用高,是不可取的。所以,需要運用更好的接地材料和施工設計方法。
        要達到設計接地電阻要求,克服環境條件的制約,有把握的達到良好穩定的接地效果,應從三方面入手進行施工設計。
        1
        、因地制宜的設計方案
        通常的防雷接地的接地電阻是10Ω,實際上有弱電設備的感應防雷都要求的接地電阻。這里常常有個誤區,認為作到10Ω、的接地電阻就滿足了設計要求,而沒有考慮季節因數。因為,土壤電阻率是隨季節變化的,規范所要求的接地電阻實際上是接地電阻的最大許可值,為了滿足這個要求,地網的接地電阻要達到:
        R=Rmax/ω
        式中:Rmax----接地電阻最大值,就是我們說的10Ω、的接地電阻
        ω-----
        是季節因數,根據地區和工程性質取值,常用值為1.45
        所以,我們所說的接地電阻實際是:
        R=6.9Ω-------- Rmax=10Ω
        R=2
        75Ω------ Rmax=4Ω
        R=0.65Ω------- Rmax=1Ω
        這樣,地網才是合乎規范要求的---在土壤電阻率最高的時候(常為冬季)也滿足設計要求。
        接地工程本身的特點就決定了周圍環境對工程效果的決定性的影響,脫離了工程所在地的具體情況來設計接地工程是不可行的。設計的優劣取決于對當地土壤環境的諸多因數的綜合考慮。土壤電阻率、土層結構、含水情況、季節因

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