變電站雙層立體復(fù)合地網(wǎng)研究

李文杰（河南省電力勘測設(shè)計院，河南　鄭州　450007）

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變電站雙層立體復(fù)合地網(wǎng)研究

李文杰（河南省電力勘測設(shè)計院，河南鄭州450007）

在占地面積小的半戶內(nèi)變電站設(shè)計中，常規(guī)單層地網(wǎng)難以滿足接地電阻及地網(wǎng)安全性要求。本問結(jié)合工程實際，接地材料選用銅覆鋼，遵循技術(shù)先進、造價合理、性價比最優(yōu)的變電站接地網(wǎng)設(shè)計原則，結(jié)合常見接地網(wǎng)布置型式，確定了不等間距等壓縮比0.7的接地網(wǎng)布置方案，利用土建施工開挖條件，給出了雙層復(fù)合式接地網(wǎng)設(shè)計方案。采用地網(wǎng)安全分析軟件對本站接地網(wǎng)進行了安全性校驗。經(jīng)計算，雙側(cè)立體復(fù)合地網(wǎng)滿足要求。

變電站；雙層立體復(fù)合地網(wǎng)

1　變電站接地技術(shù)研究概述

1.1研究接地網(wǎng)設(shè)計的意義

接地網(wǎng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員安全的重要措施，其最重要的功能就是將故障電流安全地引入地下，從而達到抑制故障電位上升，限制跨步電勢和接觸電勢在允許范圍，控制地表電位梯度。接地網(wǎng)接地性能的優(yōu)劣深受設(shè)計、生產(chǎn)部門的重視。隨著我國電網(wǎng)變電容量的持續(xù)增加，變電站接地網(wǎng)的入地短路電流逐漸增大，為確保電力系統(tǒng)安全運行，要求接地網(wǎng)接地電阻值愈小愈好。但是又面臨人均可利用耕地資源比較低的現(xiàn)實國情，故許多變電站選址建設(shè)時，多選擇巖土、山石較多的地方，此類地區(qū)土壤電阻率相對較高。據(jù)統(tǒng)計，目前在我國變電站的建設(shè)中，為維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障人身和電氣設(shè)備的安全，用于接地網(wǎng)的費用占變電站總投資的比例呈上升趨勢。與此同時，隨著城市的發(fā)展，城市電網(wǎng)建設(shè)步伐加快，越來越多的城市中心220kV變電站正在規(guī)劃和建設(shè)，城市變一般采用全戶內(nèi)或半戶內(nèi)布置方式，220kV、110kV配電裝置采用GIS設(shè)備，變電站圍墻內(nèi)面積遠小于普通郊區(qū)220kV變電站，從而大大增加了接地網(wǎng)設(shè)計的難度。我國普遍采用的計算方法越來越不能滿足設(shè)計要求。因此加強對變電站接地系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究，在滿足變電站跨步電勢和接觸電勢在安全值內(nèi)的情況下，降低接地系統(tǒng)投資，是十分迫切和必要的。

1.2國內(nèi)外接地網(wǎng)設(shè)計現(xiàn)狀

目前，在接地系統(tǒng)設(shè)計方面，我國主要采用基于均勻土壤和經(jīng)驗公式的簡單公式及均勻網(wǎng)格的方法，然而對于降低變電站接地網(wǎng)接地電阻沒有較好的方案，通常利用的方法主要有：①擴大接地網(wǎng)面積；②采用降阻劑；③增加垂直接地極的方法；以上三種經(jīng)常使用的方案效果并不明顯。

而且在變電站接地網(wǎng)的設(shè)計、施工、驗收的過程，均以滿足接地電阻要求為主要目標(biāo)，僅在設(shè)計滿足電阻值后，簡單校核變電站站址地表的接觸電勢、跨步電壓以及電位分布。國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》（GB/T50065-2011）中用于接地電阻、接觸電勢和跨步電壓計算的解析計算公式，沒有考慮土壤的不均勻性。特別是對于復(fù)雜形狀的接地網(wǎng)，該標(biāo)準(zhǔn)只能初步估算變電站內(nèi)地表面電位升的平均值，不能計算變電站內(nèi)任意點的電位，無法分析變電站內(nèi)任意點的接觸電勢和跨步電壓，不利于接地網(wǎng)的全面安全設(shè)計。隨著大容量高速計算機的發(fā)展，從70年代開始，國外開始將計算機數(shù)值計算方法引入到接地計算中來，為解決地網(wǎng)上土壤表面電位分布的計算問題，提供了有效的途徑。

1.3降低接地電阻設(shè)計方案

為了保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行，降低變電站接地電阻，常用的解決方案由以下幾種方案：

1.3.1引外接地

在變電站主接地網(wǎng)區(qū)域外土壤電阻率較低的區(qū)域敷設(shè)輔助接地網(wǎng)，通過將主接地網(wǎng)與之相連接，從而實現(xiàn)降低接地電阻的目的。這種方案在很多地區(qū)受地理條件影響無法實現(xiàn)。

1.3.2增大接地網(wǎng)面積

在土壤條件比較均勻情況下，接地電阻跟接地網(wǎng)面積的平方根近似成反比，地網(wǎng)面積越大，其接地電阻也就越低。增大地網(wǎng)的面積無疑是降低接地電阻的一種行之有效的方法。但對于一些建在山區(qū)的變電站無法有效擴大其地網(wǎng)面積，另外對于建在市區(qū)內(nèi)的變電站，通過擴大接地網(wǎng)面積來降低接地電阻，在技術(shù)經(jīng)濟上極其不合理。

1.3.3合理利用變電站周圍自然接地體

若變電站周圍有水電站進水口攔污柵、建筑物的鋼骨架、進水閘門以及水管等具有較低接地電阻的自然接地體，在變電站接地網(wǎng)設(shè)計中，可考慮接地網(wǎng)主網(wǎng)連接這些自然接地體，從而降低主網(wǎng)的接地電阻。這種方案在技術(shù)上容易實現(xiàn)，并且經(jīng)濟性也較好，但是，故障狀態(tài)下低電位引入、高電位引出，將會引發(fā)安全問題。

1.3.4增加地網(wǎng)的埋深

在同等條件下增加地網(wǎng)的埋深可減小接地電阻，但降阻效果一般。

1.3.5采用深井接地

土壤隨著深度的增加電阻率越來越穩(wěn)定，采用接地井降低接地電阻，是一種有效解決方案，并且不受氣候和季節(jié)的影響，在城市以及山區(qū)變電站設(shè)計中可以考慮此種解決方案。

1.3.6采用局部換填低電阻土壤

土壤電阻率直接影響接地電阻。在土壤電阻率高的變電站設(shè)計中，可以采用局部換填電阻率較低的土壤或低電阻率材料的方案，從而降低接地電阻。

以上降低接地電阻的方法都有一定的局限性，在實際應(yīng)用過程中可以相互配合，以獲得明顯的降阻效果。

2　接地材料選擇

由于部分工程入地短路電流也較大，接地材料的內(nèi)阻可能會對接地網(wǎng)的安全性能產(chǎn)生影響，造成地電位分布不均，且電流注入點不同也會對接地網(wǎng)的安全性能產(chǎn)生影響。因此要求接地網(wǎng)設(shè)計需要從安全性及經(jīng)濟性兩方面綜合考慮。目前常用的接地網(wǎng)材料主要有銅材、鋼材及銅覆鋼。

2.1熱鍍鋅扁鋼

熱鍍鋅扁鋼是目前國內(nèi)使用最多的接地材料，它主要利用高溫?zé)峤r所形成的鋅合金層本身的防腐特征。鋼材是逐層被腐蝕，鋅的平均腐蝕率比鋼略小，在土壤中對鋼起到了一定的陰極保護作用，因此鍍鋅層有一定的抗腐蝕性，鋼材經(jīng)熱鍍鋅后抗腐蝕能力有所提高。熱鍍鋅鋼在一般土壤中，年平均腐蝕厚度為0.065mm，但我國生產(chǎn)的熱鍍鋅層一般只有0.05～ 0.06mm，即鍍層只有一年的保護作用，且如果鍍鋅層被破壞，會造成鍍鋅鋼的點蝕就。

2.2銅絞線

銅絞線是用銅制成的多股絞線，純銅絞線柔軟易彎，單卷長度長，而銅排單根長度較短。由于銅之間連接通常采用放熱焊接，因此，銅絞線與銅排相比，能節(jié)省焊點，運輸及施工更加方便，價格也只比扁銅貴不到10%，是較好的接地導(dǎo)體。

2.3銅覆鋼絞線

銅覆鋼是指作為芯體的鋼表面被銅連續(xù)包覆所形成的金屬復(fù)合材料。采用銅覆鋼材料設(shè)計的變電站接地網(wǎng)，主要優(yōu)點如下：

①電阻率小：銅覆鋼絞線可降低接地電阻，銅覆鋼的連接一般采用放熱焊接，這樣的接頭性能優(yōu)于傳統(tǒng)銅焊以及電弧焊接頭，同時放熱焊接可確保連接件一次成型，接頭質(zhì)量易控制；接頭導(dǎo)電性好、能耐受大電流沖擊、熱穩(wěn)定性達700℃；接頭缺陷少、耐腐蝕性高。②導(dǎo)電特性優(yōu)良：銅覆鋼材料擁有優(yōu)良的導(dǎo)電特性，在相同疏導(dǎo)電流下，銅覆鋼的所需截面積比鍍鋅鋼材小很多。③耐腐蝕性強：銅作為一種耐土壤腐蝕材料，土壤中僅當(dāng)含高酸性和高量時，才能使銅產(chǎn)生點蝕。通過增加銅層厚度，可確保銅覆鋼絞線滿足變電站接地網(wǎng)設(shè)計要求。④高機械強度：常規(guī)接地鍍鋅鋼入地后，表面鍍的鋅層容易掉落。然而銅覆鋼絞線銅層結(jié)合度性能優(yōu)良，在與施工摩擦中不會大幅度影響接地導(dǎo)體的防腐性能。對三種材料優(yōu)缺點的分析，銅覆鋼接地材料在導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性等主要技術(shù)參數(shù)上與銅接地材料相當(dāng)，遠遠優(yōu)于鋼接地材料。銅覆鋼在導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性等方面與銅相當(dāng)，在全壽命周期投資上優(yōu)于銅。綜合考慮推薦在變電站接地網(wǎng)設(shè)計中接地材料選用銅覆鋼。

3　雙層復(fù)合接地網(wǎng)設(shè)計

對于占地面積較小，土壤電阻率偏大的變電站，常規(guī)單層地網(wǎng)難以滿足接地電阻及地網(wǎng)安全性要求，因此提出采用雙層地網(wǎng)將電流引入更深層的土壤散流，可以降低接地電阻、提升地網(wǎng)的安全性能。以雙層地網(wǎng)為主的復(fù)合式地網(wǎng)設(shè)計方案如下：

（1）在變電站圍墻范圍內(nèi)-0.8m設(shè)置一層銅覆鋼絞線水平地網(wǎng)，該層地網(wǎng)采用不等間距等壓縮比0.7布置形式；室內(nèi)環(huán)網(wǎng)采用-70×8熱鍍鋅扁鋼，引出屋外后與-0.8m水平地網(wǎng)可靠連接。

（2）利用土建施工開挖條件，在生產(chǎn)綜合樓條基上方（高度約-4.4m）敷設(shè)一層銅絞線水平地網(wǎng)，該層地網(wǎng)通過銅覆鋼絞線引上與-0.8m層水平地網(wǎng)可靠連接。

（3）在-0.8m層和-4.4m層水平地網(wǎng)內(nèi)部均勻設(shè)置垂直接地極（采用銅覆鋼棒），有助于減小地網(wǎng)的接地電阻和增加短路電流的泄流能力。

（4）充分利用自然接地體。生產(chǎn)綜合樓的基礎(chǔ)需要打樁，由于樁底會深入到地下較深處，可能會觸及地下水源，將樁內(nèi)的鋼筋引出與接地網(wǎng)連接以降低接地電阻，作為輔助垂直接地極。

（5）將電纜隧道底部沿隧道敷設(shè)的接地體和電纜溝內(nèi)的接地線與變電站接地網(wǎng)連接。由于隧道和電纜溝較長，相當(dāng)于外引接地網(wǎng)，可有效降低接地電阻。

李文杰（1987-），女，工程師，研究生，主要從事變電站電氣設(shè)計工作。

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2095-2066（2016）13-0036-02

2016-4-10