一、變電站接地概述
接地網(wǎng)作為變電所交直流設(shè)備接地及防雷保護(hù)接地,對系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。由于接地網(wǎng)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(jié)果。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的升高及容量的增加,接地不良引起的事故擴(kuò)大問題屢有發(fā)生。因此,接地問題越來越受到重視。變電所地網(wǎng)因其在安全中的重要地位,一次性建設(shè)、維護(hù)困難等特點(diǎn)在工程建設(shè)中受到重視。另外,在設(shè)計(jì)及施工時也不易控制,這也是工程建設(shè)中的難點(diǎn)之一。因此,為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行,降低接地工程造價,應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)、合理的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路。
二、接地電阻降阻方法
為了達(dá)到降低接地網(wǎng)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(zhì)電學(xué)性質(zhì),減小地的電阻率ρ和介電系數(shù)ε。
接地網(wǎng)是在接地系統(tǒng)的基礎(chǔ),由接地環(huán)(網(wǎng))、接地極(體)和引下線組成,以往常有種誤解,把接地環(huán)作為接地的主體,很少使用接地體,在接地要求不高或地質(zhì)條件相當(dāng)優(yōu)越的情況下,接地環(huán)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(huán)可以起到輔助接地地作用,主導(dǎo)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(jì)算傳統(tǒng)地網(wǎng)接地電阻的公式(僅以接地環(huán)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(wǎng)面積;
H(m)------------埋設(shè)深度;
L(m)------------接地極長度(m) ;
A---------------形狀系數(shù)。
式(1)表明,傳統(tǒng)的接地方式在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下,要想達(dá)到設(shè)計(jì)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(kuò)大接地面積,每擴(kuò)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)ε不容易改變,而接地電阻R與接地網(wǎng)電容C成反比:從理論上分析,接地網(wǎng)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(wǎng)面積與接地電阻成反比。減小接地網(wǎng)接地電阻,增大接地網(wǎng)面積是可行途徑。一個有多根水平接地體組成的接地網(wǎng)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(jì)算公式,當(dāng)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(jù)電容概念,增加垂直接地體可以增大接地網(wǎng)電容。當(dāng)增加的垂直接地體長度和接地網(wǎng)長、寬尺寸可比擬時,接地網(wǎng)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(wǎng),其電容主要是由它的面積尺寸決定,附加于接地網(wǎng)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(wǎng)不應(yīng)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(qiáng)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(qū)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(nèi),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(shè)原地電阻率為ρ2,將r至2r范圍內(nèi)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與RX之比為: R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2
當(dāng)ρ1<<ρ2,上式改寫為: R=RX/2=ρ2/4πr
故接地電阻減小的百分?jǐn)?shù)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(dāng)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(guī)律,往往在達(dá)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(zhì),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(dá)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(wǎng)的埋深只是增大接地網(wǎng)的電容。利用電容的概念,電容具有儲藏電場能量的本領(lǐng),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(zhì)中,即整個電廠中:介電質(zhì)中的能量密度,既與介電系數(shù)有關(guān),又與電場的分布有關(guān),因此,比起接地網(wǎng)的幾何尺寸小得多的有限埋深,所增加的儲藏能量的介質(zhì)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(shè)水下接地網(wǎng)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(biāo)不推薦使用該法。但結(jié)合基地航天測試實(shí)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(shè)水下接地網(wǎng)
在有適宜水源的地方敷設(shè)水下接地網(wǎng),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(shè)水下接地網(wǎng)施工比較簡便,接地電阻比較穩(wěn)定,運(yùn)行可靠,但應(yīng)注意水下接地網(wǎng)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(jié)構(gòu)物中的鋼筋骨架、金屬結(jié)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(shè)的接地帶的連接作用得到加強(qiáng)。
三、變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
1、接地電阻
《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(SDJ8—79)中對接地電阻值有具體的規(guī)定,一般不大于0.5Ω。在高土壤電阻率地區(qū),當(dāng)接地裝置要求做到規(guī)定的接地電阻在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上極不合理時,大接地短路電流系統(tǒng)接地電阻允許達(dá)到5Ω,但應(yīng)采取措施,如防止高電位外引采取的電位隔離措施,驗(yàn)算接觸電勢,跨步電壓等。根據(jù)規(guī)程規(guī)定,主要是以發(fā)生接地故障時,接地電位的升高不超過2000V進(jìn)行控制,其次以接地電阻不大于0.5Ω和5Ω進(jìn)行要求。因此,人們普遍認(rèn)為,110kV及以上變電所中,接地電阻值小于0.5Ω即認(rèn)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(shí)質(zhì)是控制變電所發(fā)生接地短路時,故障點(diǎn)地電位的升高,因?yàn)榻拥刂饕菫榱嗽O(shè)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(wǎng)合格的一個重要參數(shù),但不是唯一的參數(shù)。
隨著電力系統(tǒng)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(tǒng)中單相接地時的短路電流一般都超過4kA,而青海地區(qū)變電所大部分接地電阻又很難做到0.5Ω。因此,從安全運(yùn)行的角度出發(fā),不管在什么情況下,都應(yīng)該驗(yàn)算地網(wǎng)的接觸電勢和跨步電壓,必要時應(yīng)采取防止高電位外引的隔離措施。
接地短路電流分析當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時,產(chǎn)生的接地短路電流經(jīng)三種途徑流入系統(tǒng)接地中性點(diǎn)。(1)經(jīng)架空地線—桿塔系統(tǒng)(2)經(jīng)設(shè)備接地引下線,地網(wǎng)流入本站內(nèi)變壓器中性點(diǎn)(3)經(jīng)地網(wǎng)入地后通過大地流回系統(tǒng)中性點(diǎn)。而對地網(wǎng)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(jì)算各部分短路電流值,對合理地設(shè)計(jì)地網(wǎng)有著很大的影響。
架空地線系統(tǒng)的影響對于有效接地系統(tǒng)110kV以上變電所,線路架空地線都直接與變電站內(nèi)出線架構(gòu)相連。當(dāng)發(fā)生接地短路時,很大一部分短路電流經(jīng)架空地線系統(tǒng)分流,因此,在計(jì)算時,應(yīng)考慮該部分分流作用,發(fā)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(shè)計(jì)重要的一個分支。架空地線采用良導(dǎo)體,正確利用架空地線系統(tǒng)分流,將使地網(wǎng)的設(shè)計(jì)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(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流(也就是流經(jīng)變電器的零序電流)。如此計(jì)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(yīng)的允許值就比較大,設(shè)計(jì)也容易滿足。另外,對于一個給定的地網(wǎng),其接地電阻也基本確定:從R≈0.5ρ/S可知,對實(shí)際的接地網(wǎng)面積減少有很大影響。
2、接地裝置的設(shè)計(jì)
土壤電阻率的測量工程土壤電阻率的測量是工程接地設(shè)計(jì)重要的第一手資料,由于受到測量設(shè)備、方法等條件的限制,土壤電阻率的測量往往不夠準(zhǔn)確。我省地處青藏高原東部,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,變電所占地雖然不大,但多為不均勻地質(zhì)結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)在的實(shí)測,往往只取3~4個測點(diǎn),過于簡單。建議提高測量精度,設(shè)計(jì)采用《設(shè)計(jì)手冊》中提供的計(jì)算平均電阻率的方法,使設(shè)計(jì)誤差值減小。
接地網(wǎng)布置根據(jù)地網(wǎng)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(wǎng)面積(m2);R—地網(wǎng)接地電阻(Ω);地網(wǎng)面積一旦確定,其接地電阻也就基本一定,因此,在地網(wǎng)布置設(shè)計(jì)時,應(yīng)充分利用變電所的全部可利用面積,如果地網(wǎng)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(fù)合型地網(wǎng)。根據(jù)R=0.5ρ/S可知,接地網(wǎng)的接地電阻與垂直接地極的關(guān)系不大。理論分析和試驗(yàn)證明,面積為30×30m2—100×100m2的水平地網(wǎng)中附加Φ40mm×2.5m的垂直接地極若干,其接地電阻僅下降2.8~8%。但是,垂直接地極對沖擊散流作用較好,因此,在獨(dú)立避雷針、避雷線、避雷器的引下線處應(yīng)敷設(shè)垂直接地極,以加強(qiáng)集中接地和散泄雷電流。例如,在330kV阿蘭變電所的接地設(shè)計(jì)中,通過計(jì)算,接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)全部由水平接地體構(gòu)成,只在避雷針,避雷器附近敷設(shè)少量垂直地極,實(shí)際運(yùn)行證明效果是較好的。
地網(wǎng)均壓網(wǎng)的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定,當(dāng)包括地網(wǎng)外圍4根接地線在內(nèi)的均壓帶總根數(shù)在18根以下時,宜采用長孔接地網(wǎng)。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(shù)一般為8~12根左右,故根據(jù)規(guī)程規(guī)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(wǎng)縱、橫向均壓帶相互交錯,因此地網(wǎng)的分流效果優(yōu)于長孔地網(wǎng),均壓效果比長孔地網(wǎng)好且可靠性。
2、長孔地網(wǎng)均壓線與主網(wǎng)連接薄弱,均壓線距離較長,發(fā)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(shè)備損壞。當(dāng)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(wǎng)的均壓帶縱橫交錯,當(dāng)某條均壓線斷開時,對地網(wǎng)的分流效果影響不大。因此,建議在變電所地網(wǎng)設(shè)計(jì)時,采用正方孔均壓網(wǎng)設(shè)計(jì),以提高接地安全性。
3、接地網(wǎng)的腐蝕
接地網(wǎng)的腐蝕狀況在八十年代及以前變電所的設(shè)計(jì)中,很少或根本就沒有考慮地網(wǎng)的腐蝕問題。由于地網(wǎng)腐蝕引起的安全事故屢有發(fā)生,如接地引下線斷開使高壓運(yùn)行設(shè)備處于無接地狀態(tài),地下主網(wǎng)腐蝕斷裂使地網(wǎng)分割成幾塊,發(fā)生接地時使二次設(shè)備燒壞等。另外,由于地網(wǎng)屬隱蔽工程,埋于地下后不易檢查、修復(fù)等,因此,從設(shè)計(jì)的角度應(yīng)加大對地網(wǎng)腐蝕的調(diào)查研究,以便有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。一般變電所的設(shè)計(jì)年限按25~30年考慮,但地網(wǎng)的實(shí)際安全壽命只有10~15年左右,與變電所的設(shè)計(jì)年限極不配套。加之,由于系統(tǒng)容量的增加,短路水平的提高,腐蝕后的地網(wǎng)更不能滿足安全運(yùn)行的要求。
接地網(wǎng)的防腐設(shè)計(jì)接地網(wǎng)的材料一般為扁鋼和圓鋼,其腐蝕狀態(tài)應(yīng)根據(jù)變電所當(dāng)?shù)氐母g參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但一般情況下其腐蝕參數(shù)很難測定。因此,在工程設(shè)計(jì)沒有實(shí)際數(shù)據(jù)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(jì)算。在計(jì)算時,還應(yīng)考慮不同敷設(shè)部位腐蝕情況不同的影響,可參考以下數(shù)據(jù)。采用扁鋼接地網(wǎng)的年腐蝕率,當(dāng)接地網(wǎng)部位為水平接地體時年腐蝕速度:0.1 -0.12 mm/a;為設(shè)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。
對于一般變電所地網(wǎng)的設(shè)計(jì)年限不應(yīng)小于30年,對于重要樞紐變電站的地網(wǎng)壽命應(yīng)按50年考慮。這兩種情況都不大于規(guī)程規(guī)定的設(shè)計(jì)年限,但更接近于實(shí)際。關(guān)于地網(wǎng)材料的選用問題,常規(guī)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(zhì)的接觸面不一致,扁鋼約為50%左右,但由于其腐蝕機(jī)理不完全一致,腐蝕結(jié)果基本上一致,這已從陜西電網(wǎng)和青海電網(wǎng)地網(wǎng)腐蝕調(diào)查報(bào)告中已得到確認(rèn),而且規(guī)程中也提供了不同的腐蝕數(shù)據(jù)。因此,關(guān)于接地材料選用扁鋼還是圓鋼沒有很大差別。關(guān)于防腐的設(shè)計(jì)問題,一般應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)年限內(nèi),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(wǎng)安全性設(shè)計(jì)的兩個重要參數(shù),新規(guī)范中指出這兩參數(shù)不應(yīng)超過下列數(shù)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(xù)時間(s)從以上可知,新規(guī)范中ut、u0比設(shè)計(jì)規(guī)程要求的條件更苛刻,更趨于安全,但給地網(wǎng)的設(shè)計(jì)帶來的困難也更大。對于一個給定的變電所,短路產(chǎn)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(shè)計(jì)地網(wǎng)的一個方面。因此,ρ+是一個比較重要的數(shù)據(jù)。當(dāng)變電所的接觸電勢、跨步電壓不滿足要求時,設(shè)備區(qū)可采用做絕緣操作平臺,做局部均壓網(wǎng),道路采用礫石、碎石或?yàn)r青混凝土等高土壤電阻率路面結(jié)構(gòu)來處理,不宜采用磚、方磚等材料,故地面施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。
5、地網(wǎng)的敷設(shè)深度
規(guī)程和新規(guī)范中明確指出,接地網(wǎng)的埋設(shè)深度宜采用0.6m,《設(shè)計(jì)手冊》中又補(bǔ)充到,在凍土地區(qū)宜敷設(shè)于凍土層以下,現(xiàn)設(shè)計(jì)中一般將地網(wǎng)全部埋設(shè)于凍土層以下。
地網(wǎng)敷設(shè)深度對最大接觸系數(shù)的影響最大接觸電勢是地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的一個重要參數(shù),地網(wǎng)設(shè)計(jì)的問題之一就是如何降低地網(wǎng)的最大接觸電勢。地網(wǎng)的接觸電勢的最大接觸系數(shù)Kjm與地網(wǎng)的埋深有如圖2所示的關(guān)系。從圖2可以看出,接地網(wǎng)的埋深由零開始增加時,其接觸系數(shù)是減少的,但埋深超過一定范圍后,Kjm又開始增大。這是因?yàn)榈鼐W(wǎng)圖2 最大接觸系數(shù)Kjm和埋深h的關(guān)系曲線(接地網(wǎng)面積A=40×40m2,接地體直徑d=0.01m,網(wǎng)孔個數(shù)n=400個)敷設(shè)深度的不同,在網(wǎng)孔中心地面上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的變化決定的,引起網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間產(chǎn)生的電位差不同。當(dāng)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(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間的電位差又開始增大,因此,規(guī)程中規(guī)定的敷設(shè)深度是合理的。
敷設(shè)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(jié)性凍土地區(qū)。如按規(guī)程規(guī)定,將地網(wǎng)敷設(shè)在0.6m深度時,冬季將使地網(wǎng)處于凍土層中。由于土壤凍結(jié)后其電阻率將增大為原來的3倍以上,對地網(wǎng)接地電阻有一定的影響。目前采用的地網(wǎng)是以水平接地線為主邊緣帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng),冬季垂直接地極大部分伸于下層非凍結(jié)土壤中。此時土壤結(jié)構(gòu)可以等效為兩層電阻率不同的土壤結(jié)構(gòu)。有研究表明,對于處于雙層土壤介質(zhì)中的垂直電極,其各部分的散流密度與周圍介質(zhì)的電阻率成反比,除了在電極尖端處,具有ρiJi=常數(shù)(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(dāng)電極有一部分進(jìn)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(wǎng)的接地電阻也將主要取決于地網(wǎng)的非凍結(jié)土壤。因此,在季節(jié)性凍土地區(qū),采用這種帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng)是有很大的優(yōu)點(diǎn)的,如果在冬季由于土壤的凍結(jié),而對接地電阻沒有很大的影響時,就沒有必要把地網(wǎng)都埋于凍土層以下。將地網(wǎng)埋于凍土層以下,對地網(wǎng)的接地電阻來講肯定是有利的。但是如果單純?yōu)榉笤O(shè)地網(wǎng)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(guī)程中還規(guī)定,接地電阻應(yīng)滿足一年四季變化的要求,這在實(shí)際工程中很難做到,冬季土壤的凍結(jié)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(jìn)行綜合比較,合理控制。因此,在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)合理的確定地網(wǎng)的埋設(shè)深度。
變電所地網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行,在具體工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮地網(wǎng)布置,敷設(shè)深度,腐蝕及熱穩(wěn)定校驗(yàn)等方面。對合格地網(wǎng)的概念應(yīng)有全面的認(rèn)識,接地電阻應(yīng)按實(shí)際的流經(jīng)地網(wǎng)入地的短路電流計(jì)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(wǎng)要求的主要因素。因此,在保證變電所接地的安全條件下,應(yīng)綜合考慮各種因素,合理地設(shè)計(jì)接地裝置以便于變電所的安全運(yùn)行和施工,降低工程造價。
四、材料選擇與施工工藝的優(yōu)化
單使用接地環(huán)要達(dá)到某個接地電阻值,接地環(huán)包圍的面積S和土壤電阻率有關(guān)。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1Ω的地網(wǎng)站地應(yīng)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(shè)一個這樣的地網(wǎng),但是對于這樣大型的建筑即使是以聯(lián)合接地的辦法,考慮到要求獨(dú)立地的設(shè)備,一個地網(wǎng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在建筑林立的城市和地形復(fù)雜的山地要求大面積可供施工的的土質(zhì)空地是不太可能的,及時在地理?xiàng)l件許可的地方,由于開挖量大、耗材多,費(fèi)工費(fèi)料工程費(fèi)用高,是不可取的。所以,需要運(yùn)用更好的接地材料和施工設(shè)計(jì)方法。
要達(dá)到設(shè)計(jì)接地電阻要求,克服環(huán)境條件的制約,有把握的達(dá)到良好穩(wěn)定的接地效果,應(yīng)從三方面入手進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。
1、因地制宜的設(shè)計(jì)方案
通常的防雷接地的接地電阻是10Ω,實(shí)際上有弱電設(shè)備的感應(yīng)防雷都要求4Ω或1Ω的接地電阻。這里常常有個誤區(qū),認(rèn)為作到10Ω、4Ω或1Ω的接地電阻就滿足了設(shè)計(jì)要求,而沒有考慮季節(jié)因數(shù)。因?yàn)?,土壤電阻率是隨季節(jié)變化的,規(guī)范所要求的接地電阻實(shí)際上是接地電阻的最大許可值,為了滿足這個要求,地網(wǎng)的接地電阻要達(dá)到:
R=Rmax/ω
式中:Rmax----接地電阻最大值,就是我們說的10Ω、4Ω或1Ω的接地電阻
ω-----是季節(jié)因數(shù),根據(jù)地區(qū)和工程性質(zhì)取值,常用值為1.45
所以,我們所說的接地電阻實(shí)際是:
R=6.9Ω-------- Rmax=10Ω
R=2.75Ω------ Rmax=4Ω
R=0.65Ω------- Rmax=1Ω
這樣,地網(wǎng)才是合乎規(guī)范要求的---在土壤電阻率最高的時候(常為冬季)也滿足設(shè)計(jì)要求。
接地工程本身的特點(diǎn)就決定了周圍環(huán)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(shè)計(jì)接地工程是不可行的。設(shè)計(jì)的優(yōu)劣取決于對當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境的諸多因數(shù)的綜合考慮。土壤電阻率、土層結(jié)構(gòu)、含水情況、季節(jié)因數(shù)、氣候以及可施工面積等等因數(shù)決定了接地網(wǎng)形狀、大小、工藝材料的選擇。
廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料(最常用的如扁鋼)、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼,也常用銅材替代,主要用于接地環(huán)的建設(shè),這是大多接地工程都選用的;接地體有金屬接地體(角鋼、銅棒和銅板)這類接地體壽命較短,接地電阻上升快,地網(wǎng)改造頻繁(有的地區(qū)每年都需要改造),維護(hù)費(fèi)用比較高,但是從傳統(tǒng)金屬接地極(體)中派生出類特殊結(jié)構(gòu)的接地體(帶電解質(zhì)材料),使用效果比較好,一般稱為離子9或中空)接地系統(tǒng);另外就是非金屬接地體,使用比較方便,幾乎沒有壽命的約束,各方面比較認(rèn)可。降阻劑分為化學(xué)將阻劑和物理降阻劑,化學(xué)降阻劑自從發(fā)現(xiàn)有污染水源事故和腐蝕地網(wǎng)的缺陷以后基本上沒有使用了,現(xiàn)在廣泛接受的是物理降阻劑(也稱為長效型降阻劑)。在以下的討論中以非金屬接地塊、物理降阻劑和離子接地系統(tǒng)為代表進(jìn)行探討。下面將設(shè)計(jì)中考慮的主要因素進(jìn)行簡要的說明。
1)、地網(wǎng)形式
地網(wǎng)的形狀直接影響接地達(dá)到的效果和達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需要的地網(wǎng)站地積。首先應(yīng)建立接地環(huán)(或接地面),提倡使用水平接地極(常用的是外部接地環(huán))和水平垂直接地體配合使用。在很容易達(dá)到接地目的,要求低的接地中可以選用平面的接地方法(接地環(huán)接地);一般應(yīng)用接地體和接地環(huán)配合使用,形成三維的結(jié)構(gòu)。
三維的接地有三種不同類型:等長接地、非等長接地和法拉第籠式接地。A、等長接地用相同的接地體,這種方式接地體的埋設(shè)深度基本一致,施工方便同時可以取得較好的效果。B、非等長接地是更科學(xué)的接地方式,采用不同的接地體相互配合,由于接地體長度和埋設(shè)深度不同,大大的加大了等勢面積,突破地網(wǎng)面積局限。要求設(shè)計(jì)人員對多種接地工藝有一定認(rèn)識,本身施工并不困難,使用得當(dāng)可以完成相當(dāng)難度的接地工程。這種方法夜叫“半法拉第籠”接地工藝。C、法拉第籠式接地是多層水平接地網(wǎng),用垂直接地體相互連接形成籠式結(jié)構(gòu)。由于施工量大,并不常用。在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮地網(wǎng)集膚效應(yīng)、跨步電壓等因數(shù)。
2、巖土條件
A、巖土類型
巖土直接關(guān)系接地的難度,設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一就是的是巖土的土壤電阻率,但僅僅考慮土壤這個參數(shù)是不夠的,還要考慮開挖(鉆進(jìn))難度、破碎還是整體巖石、持水能力等因數(shù)。有的巖土電阻率高,但是在整體巖石之間常有較好的土壤間隙層,在這樣的環(huán)境中,避開整體巖石,在間隙中開挖灌降阻劑效果很好。阿壩卡吉嶺通訊機(jī)站,土壤電阻率4500Ω.m,原聯(lián)合地網(wǎng)接地電阻率68Ω,上述施工后接地電阻降為9.4Ω。
B、地形制約
施工環(huán)境常常是受到各種情況的制約,按照理想的模式考慮大面積的地網(wǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。有專家認(rèn)為,接地面積一定后,如果接地極長度不超過地網(wǎng)1/20,要想突破局限是不可能的,即使做成整塊銅板也沒有用的。實(shí)踐中也應(yīng)證了這一理論。所以,當(dāng)?shù)匦尉窒迺r,我們可以考慮地網(wǎng)的縱深方向,使用離子接地系統(tǒng)或深井施工工藝。西昌某航天觀測站,土壤電阻率1100Ω.m,設(shè)備需要4Ω信號-屏蔽獨(dú)立地,考慮季節(jié)因數(shù),應(yīng)作到2.75Ω,而可供施工的面積只有8平方的狹長位置,采用加長(20m)離子接地系統(tǒng)3套安裝后,達(dá)到2.5Ω的接地電阻。
C、含水情況
一般來說,濕潤的土壤導(dǎo)電性較好,但是,實(shí)際工程中我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)含水量超過飽以后,接地效果反而不好。當(dāng)?shù)氐紫掠谐睗瘢拥伢w深入到這一層時,降阻效果會好得多。例如,云尾移動通訊站,土壤電阻率測量值1200歐,使用接地塊240塊,接地電阻達(dá)到1歐以下;同樣的,湖南柯壺口變電所也是1200歐的從土壤電阻率,地表破碎沙石層,但是開挖150mm發(fā)現(xiàn)潮濕土層,埋設(shè)接地塊80只,原預(yù)計(jì)達(dá)到4歐的地網(wǎng),結(jié)果達(dá)到了1.2歐。
D、施工工藝
真確的施工工藝才能達(dá)到良好的設(shè)計(jì)的實(shí)施效果,看起來不重要的實(shí)施細(xì)節(jié)常常導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因?yàn)榻拥毓こ淌请[蔽工程,當(dāng)施工完成后,錯誤不一定馬上可以檢測到,即使發(fā)現(xiàn)問題補(bǔ)救也是很麻煩的,尤其是防腐細(xì)節(jié)。
使用接地快時,埋設(shè)應(yīng)盡量選擇適合的土層進(jìn)行,預(yù)先開挖80-100cm的土坑(平埋),底部盡量平整,使埋設(shè)的接地塊受力均勻。接地塊水平設(shè)置,用連接線使連接頭與接地網(wǎng)連接,用螺栓連接后熱焊接或熱融接,焊接完成以后應(yīng)去處焊渣等,再用防腐瀝青或防銹漆進(jìn)行焊接表面的防銹處理,回填需要分層夯實(shí),保證土壤的密實(shí)和接地塊與土壤的接觸緊密,底部回填40-50cm后,應(yīng)適量加水,保證土壤的濕潤,令接地塊充分吸濕。使用降阻劑時,為了防腐,包裹厚度應(yīng)在30mm以上。接地用的鋼材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角鋼;40mm×4mm或40mm×5mm的扁鋼;ф 50mm、h>3mm的鋼管。角鋼對角線長的約為70mm,短的約為56.6mm。若包裹厚度為30mm,地網(wǎng)開挖直徑尺寸應(yīng)在130mm。對水平扁鋼來說,由于地面開挖高低不平,扁鋼本身彎曲不直,在施工中許多部位剛剛被降阻劑蓋住。這樣,鋼材實(shí)際上處在兩個介質(zhì)的交界處,大大地加快了腐蝕程度,因此地網(wǎng)開挖尺寸也應(yīng)該加大。我們認(rèn)為垂直極灌降阻劑直徑以130—200mm為好,水平溝以150mm×100mm為好(扁鋼豎放)。這樣做的開挖工程量和降阻劑用量都會增加,但從整體降阻、防腐效果看是合理的。
離子接地系統(tǒng)埋深一般為3000-4000mm,當(dāng)加長時相應(yīng)加深,有條件的用鉆機(jī)施工??讖奖WC100-250mm(根據(jù)接地系統(tǒng)的形式選擇)。施工中應(yīng)保證導(dǎo)電為輔料包裹密實(shí),消除空管和氣泡。
2、接地材料的選型
接地材料是接地的工作主體,材料的選擇很重要。下面對常用的接地材料的屬性做個簡單的介紹。廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料(最常用的如扁鋼)、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼,也常用銅材替代,主要用于接地環(huán)的建設(shè),這是大多接地工程都選用的;接地體有金屬接地體(角鋼、銅棒和銅板)這類接地體壽命較短,接地電阻上升快,地網(wǎng)改造頻繁(有的地區(qū)每年都需要改造),維護(hù)費(fèi)用比較高,但是從傳統(tǒng)金屬接地極(體)中派生出類特殊結(jié)構(gòu)的接地體(帶電解質(zhì)材料),使用效果比較好,一般稱為離子或中空)接地系統(tǒng);另外就是非金屬接地體,使用比較方便,幾乎沒有壽命的約束,各方面比較認(rèn)可。在以下的討論中以降阻劑、非金屬接地塊和離子接地系統(tǒng)為代表進(jìn)行探討。
降阻劑分為化學(xué)將阻劑和物理降阻劑,化學(xué)降阻劑自從發(fā)現(xiàn)有污染水源事故和腐蝕地網(wǎng)的缺陷以后基本上沒有使用了,現(xiàn)在廣泛接受的是物理降阻劑(也稱為長效型降阻劑)。物理降阻劑是接地工程廣泛接受的材料,屬于材料學(xué)中的不定性復(fù)合材料,可以根據(jù)使用環(huán)境形成不同形狀的包裹體,所以使用范圍廣,可以和接地環(huán)或接地體同時運(yùn)用,包裹在接地環(huán)和接地體周圍,達(dá)到降低接觸電阻的作用。并且,降阻劑有可擴(kuò)散成分,可以改善周邊土壤的導(dǎo)電屬性?,F(xiàn)在的較先進(jìn)降阻劑都有一定的防腐能力,可以加長地網(wǎng)的使用壽命,其防腐原理一般來說有幾種:犧牲陽極保護(hù)(電化學(xué)防護(hù)),致密覆蓋金屬隔絕空氣,加入改善界面腐蝕電位的外加劑成分等方法。物理降阻劑有超過二十年的工程運(yùn)用歷史,經(jīng)過不斷的實(shí)踐和改進(jìn),現(xiàn)在無論是性能還是使用施工工藝都已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品了。
非金屬接地體有是在通訊、廣電等部門廣泛使用的工程材料?;境煞质菍?dǎo)電能力優(yōu)越的非金屬材料材料復(fù)合加工成型的,加工方法有澆注成型和機(jī)械壓模成型的,一般來說澆注成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、導(dǎo)電性能差,而且質(zhì)量不穩(wěn)定,一些小型廠家少量生產(chǎn)使用這樣的辦法;機(jī)械壓模法,是使用設(shè)備在幾到十幾噸的壓力下成型的,不僅尺寸精度較高、外觀較好,更重要的是材料結(jié)構(gòu)致密、電學(xué)性能好、抗大電流沖擊能力強(qiáng),質(zhì)量也相當(dāng)穩(wěn)定,但是生產(chǎn)成本較高,批量生產(chǎn)多采用。選型時,盡量采用后者,特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的要求(如電力工作地、防雷接地)時,不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體的特點(diǎn)是穩(wěn)定性優(yōu)越,其氣候、季節(jié)、壽命都是現(xiàn)有接地材料中好的,是不受腐蝕的接地體,所以,不需要地網(wǎng)維護(hù),也不需要定期改造,但是,非金屬接地體施工需要的地網(wǎng)面積比傳統(tǒng)接地面積小很多,但是在不同地質(zhì)條件下也需要的保證足夠接地面積才可以達(dá)到良好的效果。
離子(中空)接地系統(tǒng)是傳統(tǒng)的金屬接地改進(jìn)而來,從工作原理到材料選用都脫胎換骨的變化,形成各種形狀的結(jié)構(gòu)。這些接地系統(tǒng)的共同點(diǎn)是結(jié)構(gòu)部分采用防腐性更好的金屬,內(nèi)填充電解物質(zhì)及其載體組分的內(nèi)填料,外包裹導(dǎo)點(diǎn)性能良好的不定性導(dǎo)電復(fù)合材料,一般稱為外填料。接地系統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)出現(xiàn)的有不銹鋼、銅包鋼和純銅材的。不銹鋼的防腐較鋼材好,但是在埋地環(huán)境中依然會多多少少的銹蝕,以不銹鋼為主體的接地系統(tǒng)不宜在腐蝕性嚴(yán)重的環(huán)境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料,銅包鋼是銅-鋼復(fù)合材料,鋼材表面覆蓋銅,可以節(jié)約大量的貴金屬—銅材。套管法或電鍍法生產(chǎn),表面銅層的厚度從0.01mm到0.50mm,厚度越厚防腐效果越好。純銅材料防腐性能好,但是要耗用大量的貴金屬,在性能要求較高的工程中使用。由于接地系統(tǒng)大多向垂直方向伸展,所以接地面積大多要求很小,可以滿足地形嚴(yán)重局限的工程需要。特別是,補(bǔ)償類型的接地系統(tǒng)有加長的設(shè)計(jì),筆者曾使用過加長至24米的接地系統(tǒng),輔以深井法施工,可以達(dá)到非常好的效果。介紹的接地材料各有優(yōu)勢,但是都有自身的局限。我們提倡各取所長,選擇適當(dāng)?shù)牟牧蠞M足不同的工況。
|
降阻劑 |
非金屬接地體 |
中空接地棒 |
傳統(tǒng)接地 |
類型 |
地網(wǎng)與接地極 |
接地極 |
接地極 |
地網(wǎng)與接地極 |
新建地網(wǎng)施工 |
簡單 |
簡單 |
較簡單 |
簡單 |
改造地網(wǎng)施工 |
復(fù)雜 |
簡單 |
較簡單 |
復(fù)雜 |
適用環(huán)境 |
普通地網(wǎng)通用 |
惡劣地質(zhì)條件 腐蝕環(huán)境較高要求地網(wǎng) |
地網(wǎng)面積小的城市或復(fù)雜山巖環(huán)境 |
通用 |
價格比較 |
低 |
較高 |
較高 |
地好要求低便宜,地壞要求高較貴或很貴 |
抗腐蝕 |
有防腐作用 |
不被腐蝕 |
較好抗腐能力 |
低 |
氣候穩(wěn)定性 |
普通 |
優(yōu)異 |
較好 |
不好 |
使用壽命 |
較長 |
最長 |
長最長 |
短,常需要改造 |
五、本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案
1、引用標(biāo)準(zhǔn)
GBJ65-83 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50059-92 《35-110KV變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50057-94 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》
DL/T621-97 《交流電氣裝置的接地》
2、環(huán)境概況
A、變電站總占地面積為120×60共7200平方米。
B、工程所在地土層平均厚度約為5米估算;
C、工程為110kv變電站;
D、土壤電阻率估測為1000Ω·m;
3、設(shè)計(jì)分析:
根據(jù)規(guī)范,110kv變電站接地要求應(yīng)為0.5Ω。
根據(jù)傳統(tǒng)地網(wǎng)面積——接地電阻的計(jì)算公式計(jì)算:《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ65-83 附表1.1>
R =0.5ρ/√s
=0.5*×1000/173
=2.89Ω
其中:
р(Ω.m)-----土壤電阻率
S(m2)---------地網(wǎng)面積
R(Ω)---------- 接地電阻
根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),僅靠普通環(huán)型地網(wǎng)即使設(shè)置普