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变电所接地设计问题的探讨
时间：2021-06-29
1 介绍
接地网作为变电所交直流设备接地及防雷保护接地,对系统的安全运行起着重要的作用。由于接地网作为隐性工程容易被人忽视,往往只注意最后的接地电阻的测量结果。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加,接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此,接地问题越来越受到重视。变电所地网因其在安全中的重要地位,一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。另外,在设计及施工时也不易控制,这也是工程建设中的难点之一。因此,为保证电力系统的安全运行,如何降低接地工程造价,本文从设计的角度谈谈变电所接地设计中的有关问题。
2 关于接地电阻
2.1 接地电阻《电力设备接地设计技术规程》(SDJ8—79)中对接地电阻值有具体的规定,一般不大于0.5Ω。在高土壤电阻率地区,当接地装置要求做到规定的接地电阻在技术经济上极不合理时,大接地短路电流系统接地电阻允许达到5Ω,但应采取措施,如防止高电位外引采取的电位隔离措施,验算接触电势,跨步电压等。根据规程规定,主要是以发生接地故障时,接地电位的升高不超过2000V进行控制,其次以接地电阻不大于0.5Ω和5Ω进行要求。因此,人们普遍认为,110kV及以上变电所中,接地电阻值小于0.5Ω即认为合格,大于0.5Ω就是不合格,不管短路电流有多大都不必采取措施。这是不合理的。
2.1.1 接地的实质是控制变电所发生接地短路时,故障点地电位的升高,因为接地主要是为了设备及人身的安全,起作用的是电位而不是电阻,接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数,但不是唯一的参数。
2.1.2 随着电力系统容量的不断增大,一般情况下单相短路电流值较大。在有效接地系统中单相接地时的短路电流一般都超过4kA,而青海地区变电所大部分接地电阻又很难做到0.5Ω。因此,从安全运行的角度出发,不管在什么情况下,都应该验算地网的接触电势和跨步电压,必要时应采取防止高电位外引的隔离措施。
2.2 接地短路电流分析当系统发生接地故障时,产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。
(1)经架空地线—杆塔系统;
(2)经设备接地引下线,地网流入本站内变压器中性点;
(3)经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以,正确地考虑和计算各部分短路电流值,对合理地设计地网有着很大的影响。
2.2.1 架空地线系统的影响对于有效接地系统110kV以上变电所,线路架空地线都直接与变电站内出线架构相连。当发生接地短路时,很大一部分短路电流经架空地线系统分流,因此,在计算时,应考虑该部分分流作用,发生接地故障时,总的短路电流是一定的,只要增大架空地线的分流电流,就可减小入地短路电流,因此,降低架空地线的阻抗也是安全接地设计重要的一个分支。架空地线采用良导体,正确利用架空地线系统分流,将使地网的设计条件更为有利。
2.2.2 入地短路电流从上述分析可知,入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流,再减去流经变压器中性点的电流(也就是流经变电器的零序电流)。如此计算,入地短路电流值相对比较小。由于接地电阻允许值R≤2000I,所以接地电阻相应的允许值就比较大,设计也容易满足。另外,对于一个给定的地网,其接地电阻也基本确定:从R≈0.5ρ/S可知,对实际的接地网面积减少有很大影响。
3 关于接地装置的设计问题
3.1 土壤电阻率的测量工程土壤电阻率的测量是工程接地设计重要的第一手资料,由于受到测量设备、方法等条件的限制,土壤电阻率的测量往往不够准确。我省地处青藏高原东部,地质结构复杂,变电所占地虽然不大,但多为不均匀地质结构。现在的实测,往往只取3～4个测点,过于简单。建议提高测量精度,设计采用《设计手册》中提供的计算平均电阻率的方法,使设计误差值减小。
3.2 接地网布置根据地网接地电阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中ρ——土壤电阻率(Ω·m),S—接地网面积(m2)R—地网接地电阻(Ω)地网面积一旦确定,其接地电阻也就基本一定,因此,在地网布置设计时,应充分利用变电所的全部可利用面积,如果地网面积不增加,其接地电阻是很难减小的。
3.3 垂直接地极的作用在110kV变电所中,一般采用水平接地线为主,带有垂直接地极的复合型地网。根据R=0.5ρ/S可知,接地网的接地电阻与垂直接地极的关系不大。理论分析和试验证明,面积为30×30m2—100×100m2的水平地网中附加长2.5m, 40mm的垂直接地极若干,其接地电阻仅下降2.8～8%。但是,垂直接地极对冲击散流作用较好,
因此,在独立避雷针、避雷线、避雷器的引下线处应敷设垂直接地极,以加强集中接地和散泄雷电流。例如,在330kV阿兰变电所的接地设计中,通过计算,接地网的设计全部由水平接地体构成,只在避雷针,避雷器附近敷设少量垂直地极,实际运行证明效果是较好的。
3.4 地网均压网的设计根据设计规程规定,当包括地网外围4根接地线在内的均压带总根数在18根以下时,宜采用长孔接地网,如图1(a)所示:(a)n=8(b)n=8图1由于110kV变电所占地面积一般不超过100×100m2,考虑均压线间屏蔽作用,均压线总根数一般为8～12根左右,故根据规程规定,一般采用长孔方式布置,但存在以下几个方面的问题。
3.4.1 方孔地网纵、横向均压带相互交错,因此地网的分流效果优于长孔地网,均压效果比长孔地网好且可靠性高,如图1(b)所示。
3.4.2 长孔地网均压线与主网连接薄弱,均压线距离较长,发生接地故障时,沿均压线电压降较大,易造成二次控制电缆和设备损坏。当某一条均压线断开时,均压带的分流作用明显降低,而方孔地网的均压带纵横交错,当某条均压线断开时,对地网的分流效果影响不大。因此,建议在变电所地网设计时,采用正方孔均压网设计,以提高接地安全性。
接地网作为变电所交直流设备接地及防雷保护接地,对系统的安全运行起着重要的作用。由于接地网作为隐性工程容易被人忽视,往往只注意最后的接地电阻的测量结果。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加,接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此,接地问题越来越受到重视。变电所地网因其在安全中的重要地位,一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。另外,在设计及施工时也不易控制,这也是工程建设中的难点之一。因此,为保证电力系统的安全运行,如何降低接地工程造价,本文从设计的角度谈谈变电所接地设计中的有关问题。
2 关于接地电阻
2.1 接地电阻《电力设备接地设计技术规程》(SDJ8—79)中对接地电阻值有具体的规定,一般不大于0.5Ω。在高土壤电阻率地区,当接地装置要求做到规定的接地电阻在技术经济上极不合理时,大接地短路电流系统接地电阻允许达到5Ω,但应采取措施,如防止高电位外引采取的电位隔离措施,验算接触电势,跨步电压等。根据规程规定,主要是以发生接地故障时,接地电位的升高不超过2000V进行控制,其次以接地电阻不大于0.5Ω和5Ω进行要求。因此,人们普遍认为,110kV及以上变电所中,接地电阻值小于0.5Ω即认为合格,大于0.5Ω就是不合格,不管短路电流有多大都不必采取措施。这是不合理的。
2.1.1 接地的实质是控制变电所发生接地短路时,故障点地电位的升高,因为接地主要是为了设备及人身的安全,起作用的是电位而不是电阻,接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数,但不是唯一的参数。
2.1.2 随着电力系统容量的不断增大,一般情况下单相短路电流值较大。在有效接地系统中单相接地时的短路电流一般都超过4kA,而青海地区变电所大部分接地电阻又很难做到0.5Ω。因此,从安全运行的角度出发,不管在什么情况下,都应该验算地网的接触电势和跨步电压,必要时应采取防止高电位外引的隔离措施。
2.2 接地短路电流分析当系统发生接地故障时,产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。
(1)经架空地线—杆塔系统;
(2)经设备接地引下线,地网流入本站内变压器中性点;
(3)经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以,正确地考虑和计算各部分短路电流值,对合理地设计地网有着很大的影响。
2.2.1 架空地线系统的影响对于有效接地系统110kV以上变电所,线路架空地线都直接与变电站内出线架构相连。当发生接地短路时,很大一部分短路电流经架空地线系统分流,因此,在计算时,应考虑该部分分流作用,发生接地故障时,总的短路电流是一定的,只要增大架空地线的分流电流,就可减小入地短路电流,因此,降低架空地线的阻抗也是安全接地设计重要的一个分支。架空地线采用良导体,正确利用架空地线系统分流,将使地网的设计条件更为有利。
2.2.2 入地短路电流从上述分析可知,入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流,再减去流经变压器中性点的电流(也就是流经变电器的零序电流)。如此计算,入地短路电流值相对比较小。由于接地电阻允许值R≤2000I,所以接地电阻相应的允许值就比较大,设计也容易满足。另外,对于一个给定的地网,其接地电阻也基本确定:从R≈0.5ρ/S可知,对实际的接地网面积减少有很大影响。
3 关于接地装置的设计问题
3.1 土壤电阻率的测量工程土壤电阻率的测量是工程接地设计重要的第一手资料,由于受到测量设备、方法等条件的限制,土壤电阻率的测量往往不够准确。我省地处青藏高原东部,地质结构复杂,变电所占地虽然不大,但多为不均匀地质结构。现在的实测,往往只取3～4个测点,过于简单。建议提高测量精度,设计采用《设计手册》中提供的计算平均电阻率的方法,使设计误差值减小。
3.2 接地网布置根据地网接地电阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中ρ——土壤电阻率(Ω·m),S—接地网面积(m2)R—地网接地电阻(Ω)地网面积一旦确定,其接地电阻也就基本一定,因此,在地网布置设计时,应充分利用变电所的全部可利用面积,如果地网面积不增加,其接地电阻是很难减小的。
3.3 垂直接地极的作用在110kV变电所中,一般采用水平接地线为主,带有垂直接地极的复合型地网。根据R=0.5ρ/S可知,接地网的接地电阻与垂直接地极的关系不大。理论分析和试验证明,面积为30×30m2—100×100m2的水平地网中附加长2.5m, 40mm的垂直接地极若干,其接地电阻仅下降2.8～8%。但是,垂直接地极对冲击散流作用较好,
因此,在独立避雷针、避雷线、避雷器的引下线处应敷设垂直接地极,以加强集中接地和散泄雷电流。例如,在330kV阿兰变电所的接地设计中,通过计算,接地网的设计全部由水平接地体构成,只在避雷针,避雷器附近敷设少量垂直地极,实际运行证明效果是较好的。
3.4 地网均压网的设计根据设计规程规定,当包括地网外围4根接地线在内的均压带总根数在18根以下时,宜采用长孔接地网,如图1(a)所示:(a)n=8(b)n=8图1由于110kV变电所占地面积一般不超过100×100m2,考虑均压线间屏蔽作用,均压线总根数一般为8～12根左右,故根据规程规定,一般采用长孔方式布置,但存在以下几个方面的问题。
3.4.1 方孔地网纵、横向均压带相互交错,因此地网的分流效果优于长孔地网,均压效果比长孔地网好且可靠性高,如图1(b)所示。
3.4.2 长孔地网均压线与主网连接薄弱,均压线距离较长,发生接地故障时,沿均压线电压降较大,易造成二次控制电缆和设备损坏。当某一条均压线断开时,均压带的分流作用明显降低,而方孔地网的均压带纵横交错,当某条均压线断开时,对地网的分流效果影响不大。因此,建议在变电所地网设计时,采用正方孔均压网设计,以提高接地安全性。
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