35kV變電站立體接地網(wǎng)設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

摘 要：35kV變電站接地網(wǎng)的合理性直接關(guān)系到人身安全問(wèn)題與設(shè)備安全問(wèn)題。隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜性的增高，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，本文闡述了變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：35kV變電站；接地網(wǎng)設(shè)計(jì)；淺談

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）15-0055-02

前 言

變電站是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，站內(nèi)安裝了重要的電氣一次及二次設(shè)備，整站設(shè)置可靠的接地系統(tǒng)，才能保證進(jìn)站人的人身安全及設(shè)備安全。變電站的接地按用途來(lái)分有四種：工作接地、保護(hù)接地、防雷接地和防靜電接地，接地網(wǎng)設(shè)計(jì)要考慮到地區(qū)因素、材料因素、使用年限等。

1 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求

1.1 土壤電阻率測(cè)量要求

測(cè)量方法有土壤式樣分析法、三級(jí)法和四極法。

土壤試樣分析的原理是通過(guò)鉆探得到地下不同深度的土壤試樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，得到隨深度變化的電阻率分布情況。這種測(cè)試方法有一定的誤差，該值包含了電極與土壤試樣的接觸電阻和電極電阻這些未知量。

三級(jí)法的原理是測(cè)量站址規(guī)劃地中的標(biāo)準(zhǔn)垂直接地極的接地電阻，然后利用接地電阻的計(jì)算公式反推出土壤電阻率。改變垂直接地極的深度，得到視在土壤電阻率隨深度變化的曲線，這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)量的深度有限，最多在10m以內(nèi)。

目前，我國(guó)接地電阻測(cè)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦采用的土壤電阻測(cè)量方法是四極法，采用等測(cè)量間距的溫納四極法。四個(gè)測(cè)量電極沿著一條直線被打進(jìn)土壤中，相隔等距a，打入深度b。然后測(cè)量?jī)蓚€(gè)中間電極之間的電壓，用它除以兩個(gè)外側(cè)的電流極之間的電流就給出一個(gè)電阻值R。

1.2 土壤結(jié)構(gòu)模型分析方法

由于天氣變化季節(jié)變化，土壤電阻率也會(huì)不斷變化，這個(gè)土壤模型僅僅是實(shí)際土壤模型的一種近似值，并不是完全的匹配。如果視在電阻率基本上不隨極間距變化，而可以認(rèn)為土壤為均勻土壤模型，但這種情況非常的少見(jiàn)。如果測(cè)試得到的視在電阻率隨測(cè)量極間距變化的曲線是從高到低或從低到高，則可視為雙層土壤模型，對(duì)于兩層及以上的土壤結(jié)構(gòu)，應(yīng)通過(guò)專門(mén)的計(jì)算機(jī)分析軟件分析得到土壤分層參數(shù)。

1.3 水平接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)

降低變電站接地電阻的基本措施是將接地網(wǎng)在水平面上擴(kuò)展或縱向深方面去發(fā)展。應(yīng)注意各種降阻都有其特定的降阻方法，針對(duì)不同地區(qū)不同條件采用不同的方法才能有效地降低接地電阻；各種方法不是獨(dú)立的，在使用上互相配合，來(lái)獲得更好的降阻效果。

1.4 水平接地網(wǎng)設(shè)計(jì)舉例

少量地?cái)U(kuò)大接地網(wǎng)面積對(duì)變電站接地網(wǎng)的接地電阻效果不明顯，當(dāng)接地網(wǎng)的深埋度在1m左右時(shí)，增加深埋度對(duì)降阻效果不明顯。對(duì)于面積狹小的市區(qū)變電站，通常采用長(zhǎng)垂直接地極來(lái)降低接地電阻并可以用良好的接地導(dǎo)體來(lái)分流，減少入地短路電流。對(duì)于非城區(qū)的變電站，除了用以上的方法以外，還可利用適當(dāng)?shù)囊饨拥亍Ｔ谝恍└咄寥离娮杪实貐^(qū)降阻的有效方法是采用長(zhǎng)垂直電極，結(jié)合分層土壤模型，有效的利用地下低電阻率層，以達(dá)到降阻效果。

35kV及以上變電站接地網(wǎng)邊緣經(jīng)常有人出入的道路，應(yīng)鋪設(shè)瀝青、絕緣水泥或鵝卵石。設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算接地電位差和跨步電位差，并應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)加以驗(yàn)證，設(shè)計(jì)水平接地網(wǎng)中的均壓環(huán)。

1.5 使用導(dǎo)體情況

近年來(lái)覆銅鋼材（采用電鍍、在銅液中連鑄和銅套管冷拉等工藝將銅覆于表面的鋼材）在國(guó)內(nèi)也有開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于變電站接地網(wǎng)工程。選擇接地導(dǎo)體（線）、接地極材料的出發(fā)點(diǎn)是，在變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，規(guī)定的使用年限內(nèi)要做到免維護(hù)。其尺寸、材料的要求需綜合考慮接地故障時(shí)電流熱穩(wěn)定的要求，同時(shí)也要考慮變電站在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)導(dǎo)體的腐蝕總量。材料的選擇需要我們使用綜合的技術(shù)分析來(lái)確定。接地導(dǎo)體（線）、接地極材料一般采用鍍鋅鋼。鍍鋅鋼的鍍鋅層必須使用熱鍍鋅的方法，且鍍鋅層厚度滿足國(guó)標(biāo)要求，以滿足接地裝置使用年限。已有的研究表明，土壤電阻率、類別、含鹽量、酸堿度和含水量等因素都會(huì)導(dǎo)致鋼材質(zhì)接地導(dǎo)體（線）、接地極的腐蝕。確定變電站站址土壤的腐蝕率是確定接地導(dǎo)體（線）、接地極截面尺寸的基礎(chǔ)。接地設(shè)計(jì)應(yīng)按照站址當(dāng)?shù)氐耐寥栏g條件選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾头栏g措施。表1中給出了若干土壤腐蝕情況的參考值。

接地網(wǎng)采用鋼材和覆銅鋼材價(jià)格較貴，然而銅和銅覆鋼材比鋼材耐腐蝕性能好，在腐蝕嚴(yán)重的地區(qū)不用鋼而代之以銅是合理的。

1.6 變電站接地網(wǎng)的入地故障電流及地電位升高的計(jì)算

在變電站內(nèi)、線路上發(fā)生接地故障時(shí)，線路上出現(xiàn)接地故障電流。故障電流經(jīng)地線、桿塔分流后，剩余部分通過(guò)變電站接地網(wǎng)流入大地。這部分電流即為接地網(wǎng)的入地接地故障電流（Ig）。而接地故障不對(duì)稱電流有效值（IG）按下式計(jì)算：

IG=Df·Ig

式中：Df——衰減系數(shù)。

Ig與接地故障接地對(duì)稱電流（If）的比值成為故障電流分流系數(shù)Sf。

故障電流分流系數(shù)包括站內(nèi)接地故障和站外接地故障兩種情況。分流系數(shù)受導(dǎo)線、架空線路地線的布置、地線尺寸與材質(zhì)、廠或站接地網(wǎng)與線路塔桿的接地電阻等多種因素的影響，在工程設(shè)計(jì)中宜采用專用的計(jì)算分析程序?qū)ζ鋵ｉT(mén)加以計(jì)算。

不同系統(tǒng)阻抗的分流系數(shù)如表2。

《交流變電站接地安全導(dǎo)則》中采用了Dalziel的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，確定人體安全電流與作用時(shí)間的關(guān)系為I2·T=常數(shù)。可見(jiàn)，電流對(duì)人體的作用大小主要取決于電流在人體內(nèi)產(chǎn)生的能量。在故障電流流散到土壤的過(guò)程中，電流會(huì)產(chǎn)生與其幅值成正比的電磁力與其幅值平方成正比的能量，有可能超越導(dǎo)體的熱穩(wěn)定容量，導(dǎo)致接地網(wǎng)導(dǎo)體的熱熔和彎曲。入地電流的直流偏移分量對(duì)接地體承受的電磁力和吸納的能量具有一部分貢獻(xiàn)，因此從接地體安全的角度，也應(yīng)計(jì)及入地電流直流分量的影響。從上述可以得出結(jié)論，在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)，應(yīng)計(jì)及故障電流直流分量的影響，按照接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值IG進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.7 表層衰減系數(shù)

地表高電阻率表層材料主要有礫石或鵝暖石、瀝青、瀝青混凝土、絕緣水泥。即便是在下雨天，礫石或?yàn)r青混凝土仍能保持5000Ω·m的電阻率。建議在站內(nèi)道路上敷設(shè)瀝青或?yàn)r青混凝土，在設(shè)備周圍敷設(shè)鵝暖石。

特別應(yīng)當(dāng)注意，普通的混凝土路面不能用來(lái)作為提高表層電阻率的措施，因混凝土具有吸水性能，雨天其電阻率將降至幾十歐姆每米。隨著高阻層厚度的增加，增加高阻層厚度來(lái)提高安全水平具有飽和性。地表高阻層的厚度一般可取10～35cm。

1.8 變電站接地裝置的防腐蝕設(shè)計(jì)

（1）接地裝置的防腐蝕設(shè)計(jì)，宜按照當(dāng)時(shí)的腐蝕數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行；

（2）接地網(wǎng)材料可以采用鋼材，應(yīng)熱鍍鋅。鍍鋅層需有一定的厚度，同時(shí)，接地極與接地導(dǎo)體之間的焊接點(diǎn)也需涂防腐蝕材料。

2 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算

2.1 變電站接地網(wǎng)的接地電阻

（1）變電站接地網(wǎng)的接地電阻需符合以下要求：保護(hù)接地接至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器的低壓應(yīng)采用TN系統(tǒng)，低電壓電器裝置應(yīng)采用保護(hù)總等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)，接地電阻應(yīng)滿足：R≤2000/IG。

（2）當(dāng)接地網(wǎng)不滿足上式的需求時(shí)，可以通過(guò)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)適當(dāng)?shù)脑黾咏拥貥O，減小接地電阻，直至滿足要求。必要時(shí)，可以經(jīng)過(guò)專門(mén)計(jì)算機(jī)計(jì)算，當(dāng)采取的措施可以確保人身安全和設(shè)備可靠時(shí)，接地網(wǎng)的電位還可進(jìn)一步提高。

2.2 接觸電位差與跨步電位差的計(jì)算

35kV的低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生了單相接地短路或同點(diǎn)兩相接地短路時(shí)，變電站接地網(wǎng)的接觸電位差和跨步電位差不應(yīng)超過(guò)由下列二式計(jì)算所得的數(shù)值：

Ut=（174+0.17PSCS）/■

Us=（174+0.7PSCS）/■

35kV不接地或諧振接地的電力系統(tǒng)，發(fā)生單相接地短路故障后，當(dāng)不迅速切除故障時(shí)，變電站接地裝置的接觸電位差和跨步電位差不超過(guò) 下列二式計(jì)算所得數(shù)值：

Ut=50+0.05PSCS

Ut=50+0.2PSCS

3 結(jié)束語(yǔ)

35kV變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要我們考慮到非常多的因素，設(shè)計(jì)出不同的方案來(lái)達(dá)到更好的效果，這是一門(mén)復(fù)雜的多學(xué)科的綜合技術(shù)，所以在以后，我會(huì)繼續(xù)去研究在實(shí)踐中探索，保證35kV變電站的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭偉峰.35kV變電站如何進(jìn)行安全管理工作[J].民營(yíng)科技，2012（04）：165～168.

[2]陳衛(wèi)東.關(guān)于變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].電氣工程與自動(dòng)化，2013（06）：112～114.

收稿日期：2018-4-23