變電站工程防雷接地系統(tǒng)可靠性分析

【摘要】隨著重慶市電力公司智能化電網(wǎng)的建設(shè)，對新建變電站防雷接地系統(tǒng)提出了更高的要求。變電站防雷接地是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，也是工程施工單位面臨的難題之一，本文以地勘、軟件仿真以及防雷接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的探討，分析提高變電站接地系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】變電站；接地系統(tǒng)；高密電；跨步電壓

變電站的接地網(wǎng)是用于工作接地、防雷接地、保護(hù)接地的重要設(shè)施，是確保人身、設(shè)備、電網(wǎng)安全的重要環(huán)節(jié)。接地網(wǎng)屬于隱蔽工程，在施工和運(yùn)行中容易被忽視。當(dāng)出現(xiàn)雷擊等事故時(shí)，如接地網(wǎng)有缺陷，短路電流無法在土壤中擴(kuò)散，則會(huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)電位升高，設(shè)備金屬外殼帶電而危及人身安全以及擊穿二次保護(hù)裝置的絕緣，甚至損壞設(shè)備，擴(kuò)大事故，破壞電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)變電站防雷接地網(wǎng)對提高電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行極為重要。2010年至2012年，本人有幸擔(dān)任了重慶電網(wǎng)110KV南岸天文變電站和110KV巴南海棠變電站新建工程的項(xiàng)目經(jīng)理，結(jié)合工作實(shí)踐就變電站工程防雷接地系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析。

1、變電站防雷接地的特點(diǎn)

變電站發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)有強(qiáng)大的單相短路電流從接地點(diǎn)注入地中，可能產(chǎn)生很高的接地電壓。根據(jù)變電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繼電保護(hù)動(dòng)作最高允許接地電壓為2000V，因此接地電阻應(yīng)滿足：R≤2000/I（其中Rj為接地裝置的接地電阻，Ω；I為計(jì)算用的流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，A）。當(dāng)I大于4000A時(shí)，可得R不大于0.5Ω?，F(xiàn)在變電站防雷接地設(shè)計(jì)中，不論戶內(nèi)式還是戶外式變電站，接地電阻一般按不大于0.5Ω設(shè)計(jì)。

由于變電站各級電壓母線接地故障電流越來越大，在接地設(shè)計(jì)中要滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求R≤2000/I是非常困難的?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對接地電阻值規(guī)定要放寬到5Ω，但是放寬是有附加條件的，這就是需要滿足接地標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)工程的具體條件，在不超過5Ω的某一個(gè)范圍內(nèi)都是合格的。這就為我們接地設(shè)計(jì)和施工增加了靈活性，不必在變電站的接地工程中花費(fèi)巨額投資，追求0.5Ω的接地電阻值。所以，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并沒有降低對接地網(wǎng)整體性的要求，而是對接地網(wǎng)的安全性要求更高更全面了，這就是接地設(shè)計(jì)必須遵循的原則和電網(wǎng)運(yùn)行對接地網(wǎng)的考核要求。

變電站的接地網(wǎng)一般為網(wǎng)格式地網(wǎng)，論形式可分為長孔接地網(wǎng)和方孔接地網(wǎng)。水平接地帶間距通常為5.0-8.0m。除了在避雷針（線）和避雷器需加強(qiáng)分流處裝設(shè)垂直接地極外，在地網(wǎng)周邊和水平接地帶交叉點(diǎn)設(shè)置2.5-6.0m的垂直接地極，進(jìn)所大門口設(shè)帽檐式均壓帶，接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)是水平地網(wǎng)與垂直接地極相結(jié)合的復(fù)合式地網(wǎng)。另有一些工程采用不等間距網(wǎng)格布置，是以水平接地帶為主的地網(wǎng)。不等間距的網(wǎng)格布置尺寸的確定有2種方式：①由接地計(jì)算程序輸入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算確定；②根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，在采用不等間距網(wǎng)格布置時(shí)，盡量將水平接地帶靠近設(shè)備，以便縮短設(shè)備引下線長度。

2、目前變電站防雷接地面臨的主要問題

2.1接地網(wǎng)系統(tǒng)

若接地裝置的接地電阻過大，接地裝置的地電位就會(huì)抬高，《交流電氣裝置的接地》規(guī)程中規(guī)定，因此要求接地網(wǎng)電位低于2KV。事實(shí)上對于大接地短路電流系統(tǒng)，隨著電力系統(tǒng)容量的增大，流經(jīng)接地網(wǎng)的入地短路電流也大大增加，可能高達(dá)10KA以上，即使接地電阻在0.5Ω，接地電壓也高達(dá)5KV以上。在這種情況下，如接地網(wǎng)的均壓、分流和限流措施不好，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，就會(huì)造成電網(wǎng)的局部地帶跨步電壓和接觸電壓過大，可能發(fā)生人身電擊傷害事故。在變電站接地裝置局部腐蝕、導(dǎo)體截面不等、土壤電阻率不均勻、設(shè)備接地引下線過長等情況下以及在故障短路電流作用下，都將導(dǎo)致接地網(wǎng)中出現(xiàn)高的電位差。

2.2土壤因素

位于高土壤電阻率地區(qū)的變電站，在不采取任何降阻措施的情況下，要達(dá)到0.5Ω的設(shè)計(jì)要求非常困難。多年來，設(shè)計(jì)人員大多采用外引接地體（實(shí)為增大接地網(wǎng)面積）、深埋接地體、換土回填、添加降阻劑、采用深井接地等手段來降低接地電阻，勉強(qiáng)使變電站在投運(yùn)初期達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的0.5Ω，但隨著變電站運(yùn)行時(shí)間的推移，降阻手段將逐年失效接地電阻仍會(huì)逐年上升，突破設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。因此，高土壤電阻率地區(qū)的接地設(shè)計(jì)如硬性采取各類降阻措施，不一定能達(dá)到很好的效果且在經(jīng)濟(jì)上極不合理，很有必要探討不同地區(qū)、不同條件的變電站接地電阻統(tǒng)一采用不大于0.5Ω的標(biāo)準(zhǔn)是否合適[2]。

2.3地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

變電站的接地裝置，大多數(shù)都是以水平接地極為主，外緣閉合，內(nèi)部敷設(shè)若干均壓導(dǎo)體的接地網(wǎng)。在以往的設(shè)計(jì)中，均壓導(dǎo)體一般按等間距布置。由于端部效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，各均壓導(dǎo)體散流很不均勻，接地網(wǎng)邊緣部分的導(dǎo)體散流大約是中心部分的3～4倍，因此，地網(wǎng)邊緣部分的電場強(qiáng)度比中心部分高，電位梯度較大，整個(gè)地網(wǎng)的電位分布不均勻，且不均勻程度隨接地網(wǎng)面積的增大和網(wǎng)孔數(shù)的增多而越來越嚴(yán)重。因此，接地網(wǎng)采用不等間距布置均壓導(dǎo)體更為合理。該布置形式中部間距大，邊緣間距小，大大減少了電位梯度分布不均勻。

3、接地新技術(shù)的應(yīng)用

3.1高密電法測量土壤電阻率

土壤電阻率的準(zhǔn)確性也關(guān)系到接地的質(zhì)量，由于土壤結(jié)構(gòu)、層次較為復(fù)雜，土壤電阻率分布不均勻，針對高土壤電阻率地區(qū)，采用高密電法測量土壤電阻率代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方式。高密電法是采用高密度測點(diǎn)的電法勘探新技術(shù)，觀測精度高，數(shù)據(jù)采集可靠，由電腦程序控制給電極供電，各種地下隱患如裂縫、洞穴、軟弱夾層在探測成果圖上有明顯、直觀的反映，提高了野外工作效率而且更形象的反映出巖土體的電斷面的電性分布和結(jié)構(gòu)特征，從而獲得豐富的地質(zhì)信息，提高解決實(shí)際問題的能力。

3.2異頻大電流接地電阻測試技術(shù)

接地阻抗應(yīng)該是接地裝置對遠(yuǎn)方電位零點(diǎn)的阻抗。目前傳統(tǒng)的接地阻抗測量方法為三極電位補(bǔ)償法（圖1），包括我國電力部門仍大量使用的0.618法和30度夾角法。根據(jù)使用儀器的不同，又產(chǎn)生了許多的測量方法，如電壓一電流法、電橋法（搖表法）、電位計(jì)法等。

接地阻抗測量的主要干擾是工頻干擾。由于電力系統(tǒng)三相負(fù)荷不平衡及輸電線路三相電參數(shù)不對稱，在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中就有不平衡電流經(jīng)接地網(wǎng)工頻干擾電流。

異頻測量是指使用異頻電源注入接地網(wǎng)的電流信號頻率避開工頻，以便于從測量信號中去除干擾信號，利用頻譜技術(shù)提取有用信號，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能消除地網(wǎng)中的工頻及高頻干擾，提高了接地電阻測量的準(zhǔn)確性。

3.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

針對較大型的接地網(wǎng)，地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與接地電阻并不是簡單的線性關(guān)系，武漢大學(xué)文習(xí)山教授提出電位在地網(wǎng)中的不均勻分布理論。采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以對接地體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度的滿足了接地的設(shè)計(jì)要求。

CDEGS是加拿大SES公司推出的集成工程軟件包，是目前世界上最先進(jìn)的接地系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)工具，CDEGS的核心主要是計(jì)算在穩(wěn)態(tài)、故障、雷擊和暫態(tài)條件下，由地上或地下導(dǎo)體所構(gòu)成任意形狀網(wǎng)絡(luò)周圍的電磁場分布與導(dǎo)體及地表電位分布。對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對各種方案進(jìn)行校核，使高土壤電阻率地區(qū)的發(fā)、變電站設(shè)計(jì)和改造工作更加科學(xué)合理，提供了一套較完整的系統(tǒng)解決方案。在接地網(wǎng)施工前進(jìn)行模擬的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4放熱焊接

放熱焊接是利用氧化銅與鋁的化學(xué)放熱反應(yīng)來熔融金屬，形成分子間的結(jié)合，反應(yīng)溫度高達(dá)2500℃，局部反應(yīng)溫度高達(dá)3700℃。其優(yōu)點(diǎn)不僅僅體現(xiàn)在不需要電源、氣源，接頭不容易受破壞，且具有良好的抗腐蝕性。

對于高頻的雷電流來講，放熱焊接連接導(dǎo)體比螺栓連接和壓接連接等機(jī)械連接方式的接觸電阻小，增大了瀉流通道，減少了熱效應(yīng)，具有良好的電氣熱循環(huán)性能。

4、新型離子接地材料的使用

4.1離子接地極結(jié)構(gòu)

離子接地極由防護(hù)罩、電極單元、高能回填料組成，離子接地極的本體采用高純度銅材制成，接地極內(nèi)外都加有填充劑。利用電極單元內(nèi)填充劑的吸水保水特性，通過電極單元頂端的呼吸孔吸收空氣中的水分，電極單元內(nèi)填料將吸收的水分和導(dǎo)電離子通過底端的調(diào)節(jié)孔補(bǔ)充到高能回填料和周圍土壤中，能保持離子接地極周圍土壤的含水量，同時(shí)向周圍的土壤中釋放電解離子，增大周圍土壤中的離子濃度，進(jìn)一步降低土壤的電阻率。外填充劑為跟電極單元配套的高能回填料，具有極強(qiáng)的導(dǎo)電瀉流能力、防腐能力、很低的接觸電阻和極強(qiáng)的保持水分的能力，能將雷電沖擊電流或故障電流迅速的釋放到周圍土壤中，進(jìn)一步強(qiáng)化了該系統(tǒng)的性能。離子接地極通過毛細(xì)原理實(shí)現(xiàn)水分保留，無論天氣或周圍環(huán)境如何變化，都能通過呼吸孔吸收空氣中的水分，使土壤保持一定的濕度，以達(dá)到最佳的導(dǎo)電狀態(tài)，且能隨著時(shí)間的推移，逐漸擴(kuò)大周圍土壤的導(dǎo)電面積，系統(tǒng)的性能會(huì)進(jìn)一步提高。

4.2離子接地極優(yōu)點(diǎn)

裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)功能強(qiáng)，不斷向電極周圍土壤補(bǔ)充導(dǎo)電離子，改善周圍土壤電阻率。采用耐腐蝕的高純度銅材，高能回填料采用具防腐性能和耐高壓沖擊的化學(xué)材料為輔料，大大延長其使用壽命。由于電極單元采用低導(dǎo)磁率材料，抗直擊雷感應(yīng)脈沖襲擊強(qiáng)，防雷電二次效應(yīng)。離子接地體所用的一切材料均無毒無污染，屬綠色環(huán)保產(chǎn)品。接地電阻穩(wěn)定性高，幾乎不隨季節(jié)變化而改變。

5、新型接地技術(shù)的綜合應(yīng)用

本文以重慶電網(wǎng)110KV巴南海棠變電站工程為例，來說明新型接地裝置在變電站中的應(yīng)用。變電站位于重慶市巴南區(qū)界石鎮(zhèn)場址附近無大規(guī)模地表徑流，處于淺丘陵頂部及斜坡部位，地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵間溝谷地貌。土壤電阻率約為600Ω.m。變電站短路電流約2000A，設(shè)計(jì)規(guī)定接地電阻達(dá)到0.5Ω及以下。

5.1計(jì)算機(jī)CDEGS仿真計(jì)算

按照110KV巴南海棠變電站工程設(shè)計(jì)圖在CDEGS中對地網(wǎng)建模，建模結(jié)果如圖2。

圖2中水平接地體為-50mm×6mm鍍鋅扁鋼，垂直接地體為9m長新型離子接地極；經(jīng)CDEGS計(jì)算，接地電阻為0.283Ω。

其跨步電壓的二維及三維視圖顯示可知，高值基本分布于地網(wǎng)的邊界及角落，最高值分布在邊角的580V。由于變電站接地網(wǎng)增加的垂直接地體的泄流通道，變電站內(nèi)部跨步電壓幾乎等同最低值。

5.2變電站接地網(wǎng)的理論計(jì)算

110KV巴南海棠變電站為55m×79m的規(guī)則矩形，水平接地體埋設(shè)深度為0.6m。根據(jù)DL/T621《交流電氣裝置的接地》規(guī)范要求，計(jì)算如下：

5.2.1水平接地體的接地電阻R1：

=4.55Ω

A——水平接地網(wǎng)的面積，4345m2；

ρ——土壤的電阻率，600Ω.m；

5.2.2若將50根垂直離子接地體進(jìn)行并聯(lián)，其接地電阻為R2：

其中單根根垂直離子接地體的接地電阻R21：

R21——單根離子接地體接地電阻，Ω；

R2——離子接地體并聯(lián)后的接地電阻，Ω；

n——垂直接地極的數(shù)目，50；

η——垂直接地體屏蔽系數(shù)，0.8；

ρ——土壤電阻率，600Ω.m；

l——垂直接地極的等效長度，9m；

d——接地極的等效直徑，0.15m；

經(jīng)計(jì)算，得R21=8.42Ω，R2=0.21Ω；

5.2.3變電站綜合接地網(wǎng)的接地電阻R：

=0.251Ω

R1——原地網(wǎng)接地電阻，4.55Ω；

R2——改造新增地網(wǎng)接地電阻，0.21Ω；

η——屏蔽系數(shù)，0.8；

由以上計(jì)算可知，變電站綜合接地網(wǎng)的接地電阻理論計(jì)算為0.251Ω，與CDEGS軟件仿真的0.283Ω基本相符。工程竣工后，最后經(jīng)異頻大電流接地電阻測試，驗(yàn)收接地電阻為0.270Ω，符合接地電阻要求。

5.3跨步電壓驗(yàn)算：

按照DL/T621規(guī)范，跨步電壓要求為：

=594V

式中：ρ—地表土壤電阻率，為600Ω.m；

t—接地短路電流持續(xù)時(shí)間，1s；

Us—跨步電壓允許值，V。

CDEGS軟件仿真最差球形的極端跨步電壓值580V，低于電力規(guī)范594V的要求，跨步電壓的安全性滿足接地要求。

另外，接地網(wǎng)的可靠性還與接地材料的選擇、熱穩(wěn)定校驗(yàn)、施工控制驗(yàn)收等因素具有很大的關(guān)系。在跨步電壓的安全設(shè)計(jì)中，變電站部分區(qū)域鋪設(shè)碎石等措施，可以提高土壤表層的絕緣電阻率來提高安全電壓的數(shù)值也不失為一種較好的解決方式。

6、結(jié)論

6.1新型接地測量裝置的使用，可以增加接地電阻測試的數(shù)據(jù)可靠性；接地系統(tǒng)仿真分析軟件的應(yīng)用，可以優(yōu)化接地方案，符合接地要求的同時(shí)，減少了對接地成本的投入。

6.2由于接地網(wǎng)建造中的諸多不可預(yù)見因素，在全站接地環(huán)網(wǎng)上增加6m長離子接地極配置，進(jìn)一步鞏固接地效果和泄流作用。

6.3使用加厚銅壁及內(nèi)外壁均做特殊處理的離子接地極，可使離子接地極使用壽命達(dá)到變電站50年壽期的要求，為長久使用準(zhǔn)備充分的裕量，減少后期投入。

6.4在高土壤電阻率地區(qū)，降低接地網(wǎng)的接地電阻是比較困難的。在設(shè)計(jì)或改造地網(wǎng)以降低其接地電阻常常遇到很多問題，要對現(xiàn)場進(jìn)行認(rèn)真的勘探、測量，綜合分析比較各種方法的效果和費(fèi)用以及運(yùn)行維護(hù)是否方便來確定采取的措施，有時(shí)候，并不是單單使用一種方法就能夠降低接地電阻，而是要根據(jù)實(shí)際情況采用幾種措施綜合降低接地電阻。

參考文獻(xiàn)

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