变电所接地设计问题分析
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中国农村水利水电·2004 年第 8 期
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文章编号 :100722284 (2004) 0820095202
变电所接地设计问题分析
张 亮
(新疆兵团勘测规划设计研究院 ,新疆 乌鲁木齐 830002)
摘 要 :变电所接地网作为隐蔽工程具有一次性建设 、维护困难等特点 ,在设计过程中 ,要从接地电阻与短路电流的 关系 、接地装置的比选 、地网防腐措施 、接触电势与跨步电压验算及合适的埋设深度等方面全面认识和把握接地问题 。 关键词 :变电所 ;接地网 ;接地电阻 ;短路电流 中图分类号 : TM63 文献标识码 :C
接地线的寿命 ,一般按 25～30 a 考虑 ,其防腐设计 ,通常在 设计年限内采用热镀锌 、热镀锡等措施 ,并按上述防腐要求选 取材料截面 ,对于大接地短路电流系统 ,还须校验其热稳定 。
4 验算接触电势与跨步电压
接触电势与跨步电压是地网安全性设计的两个重要参数 ,
Hale Waihona Puke 变电所接地设计问题分析 张 亮
地网材料常规选用扁钢和圆钢两种 ,相同截面的扁钢与圆 钢与周围土壤介质的接触面不同 ,但由于其腐蚀机理不完全一 致 ,腐蚀结果基本上一致 ,这从有关地网腐蚀的调查中已得到 确认 ,因此 ,选用扁钢还是圆钢在效果上没有很大差别 。
接地网材料的腐蚀状态应根据变电所当地的腐蚀参数进 行计算 ,但一般情况下腐蚀参数很难测定 ,因此 ,在工程设计没 有实际数据时可参考表 1 数据 ,按此考虑较为接近实际 。
5 合理 、经济地确定地网敷设深度
规程要求接地网的埋设深度不宜小于 0. 6 m ,设计手册要
求在冻土地区宜敷设于冻土层以下 。规程还规定 ,接地电阻应
满足一年四季变化的要求 ,这在实际工程中很难完全达到 ,冬
季土壤的冻结对接地电阻肯定有影响 ,而将地网埋设于冻土下
很深处并不现实 。新疆的变电所一般都处于季节性冻土地区 ,
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 ,因此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 。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 ,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 。
对于一个给定的变电所 ,短路产生的最大接触电势和最大 跨步电压是可以确定的 。从公式中可以看出 ,用提高 ρf 值来提 高 Ut 、Us 的允许值也是合理设计的一个重要方面 。当变电所 的接触电势 、跨步电压不满足要求时 ,设备区可采用做绝缘操 作平台 、做局部均压网 ;道路采用砾石 、碎石或沥青混凝土等高 土壤电阻率路面结构来处理 。
收稿日期 :2004203231 作者简介 :张 亮 (19732) ,男 ,工程师 。
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 。
经分析可知 ,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 。如此计算 ,实 际入地短路电流值就相对比较小 ,根据 R ≤2 000/ I 的要求 ,接 地电阻相应的允许值就比较大 ,此时按规定值控制 ,设计自然 就容易满足 。
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 。
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 ,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 ,增大架空地线 的分流电流 ,入地短路电流就相应减小 ,因此 ,降低架空地线的 阻抗也是接地设计需要考虑的重要方面 。架空地线采用优良
开挖敷设地网 ,以利于节省投资和工程量 。
变电所接地网应综合各种因素 ,结合实地情况进行设计 ,
保证变电所的安全运行和控制工程造价 。在工程设计中应重
点考虑地网布置形式 ,敷设深度 ,选材 、防腐蚀及热稳定校验等
方面 。对合格地网的概念应有全面的认识 ,接地电阻应按实际
流经地网入地的短路电流计算 ,降低接地电阻 、降低接触电势
[3 ] 邱毓昌 ,施 围 ,张文元. 高电压工程[M] . 西安 :西安交通大学出 版社 ,1995.
[4 ] 闻良生. 工厂企业供电[M] . 北京 :中国轻工业出版社 ,1994.
和跨步电压等都是合格地网要求的重要方面 。
□
参考文献
[1 ] 姚良铸. 110 kV 变电站立体接地网设计问题分析[J ] . 中国电力 , 2002 , (11) :57 - 59.
[2 ] 甘德辉. 探讨降低高土壤电阻率地区接地电阻的几种方法[J ] . 电 力自动化产品信息 ,2002 , (4) :47 - 48.
规程中指出这两参数不应超过下列数值 :
Ut = (174 + 0. 17 ρf ) / t
Us = (174 + 0. 7 ρf ) / t 式中 : Ut 为接触电位差 ,V ; Us 为跨步电位差 ,V ; ρf 为人站立处 地表面土壤电阻率 ,Ω·m ; t 为接地短路 (故障) 电流的持续时 间 ,s。
接地网布置方式有长孔与方孔两种 ,当包括地网外周 4 根 在内的均压带总根数在 18 根及以下时 ,常采用长孔接地网 ,如 图 1 (a) 所示 。110kV 变电所占地面积一般不超过 100 ×100 m2 ,
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考虑均压线间屏蔽作用 ,均压线总根数通常为 8～12 根左右 , 较多采用长孔方式布置 ,但与方孔布置相比 ,存在以下问题 。
在 35 kV 及以上变电所中 ,一般采用水平接地线为主 ,带有 垂直接地极的复合型地网 。垂直接地极对地网的接地电阻值 影响并不大 ,据实验验证 ,水平地网中附加长 2. 5 m、直径 40 mm 的垂直接地极若干 ,其接地电阻仅下降 2. 8 %～8 %。但是 , 垂直接地极对冲击电流 、雷电流散流作用较好 。因此 ,在地网 及独立避雷针 、线路避雷线 、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 。
图 1 长孔和方孔接地网示意图 (1) 长孔地网某一条均压线断开时 ,均压带的分流作用明 显降低 。方孔地网纵 、横向均压带相互交错 ,当某条均压线断 开时 ,对分流效果影响不大 ,优于长孔地网 。 (2) 长孔地网均压线距离较长 ,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 。而方孔网均压 效果较好且可靠性高 ,如图 1 (b) 所示 。 因此 ,在变电所地网设计时 ,条件允许时采用方孔均压网 设计更为可靠 ,利于提高接地安全性 ,但工程造价及施工难度 也相对提高 。实际在农网改造 、老站改建等工程项目中大多还 是采用长孔布置 ,运行亦较为正常 ,但不可因此而忽视接地形 式比选 ,尤其是特别重要的变电所如中心枢纽站 、220 kV 及以 上站等设计时仍应注重地网布置方案比选 。
2 接地装置布置方式的比选
在接地设计中 ,采用的土壤电阻率要准确 ,否则会造成设 计的误差 。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 ,尤其是地质结构复杂或有不均匀地质结构的 地区 。为保证电阻率准确性 ,勘测时可以采用两种以上方法 (如接地摇表法和电流电压法等) ,对所测结果相互对照 ,提高 精度 ,减小误差 。
1 正确分析短路电流
《交流电气装置的接地》(DL/ T621 - 1997) 中对接地电阻值 有具体的规定 ,一般情况下规定通常不大于 0. 5 Ω。在高土壤 电阻率地区 ,当要求接地装置做到规定的接地电阻在技术经济 上很不合理时 ,大接地短路电流系统接地电阻可以为 R ≤5 Ω , 但应采取相应措施 ,如防止高电位外引 、均压设计 、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 2 kV 进行控制 ,其次以接地电阻不大于 0. 5 Ω 和 5 Ω 进行设计 。实际中 ,人们往往认为 ,接地电阻测量 值小于 0. 5 Ω 即为合格 ,大于 0. 5 Ω 就是不合格 ,而没有认清其 背后的机理 ,忽视短路电流的大小 ,这是不恰当的 。
电阻也主要取决于非冻结土壤 。因此 ,在季节性冻土地区 ,采
用这种带有垂直接地极的复合型地网是有优势的 。设计中应
区分南北疆不同地区气候条件 ,根据当地冻土深度及其他因素
进行综合比较 ,合理控制地网埋设深度 。
条件允许时将地网全部埋设于冻土层以下 ,对地网的接地
电阻来讲肯定是更为有利的 ,但施工安排中要结合变电所基础
根据地网接地电阻的估算公式 : R ≈ 0. 5ρ/ s
式中 : ρ为土壤电阻率 ,Ω·m ; s 为接地网面积 ,m2 ; R 为地网接 地电阻 ,Ω。
ρ一定时 ,接地电阻基本上由接地网面积决定 ,地网面积 一旦确定 ,其接地电阻也就基本确定 。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 ,如果地网面积过小 , 其接地电阻是很难降低的 。
3 选择接地材料与设计防腐措施
接地网的腐蚀状况在变电所的设计中 ,很少考虑或易于忽 视 。地网腐蚀会引起安全隐患 ,如接地引下线断开使高压运行 设备处于无接地状态 ;地下主网腐蚀断裂分割成几块 ,发生接 地时使二次设备烧坏等 。另外 ,由于地网属隐蔽工程 ,埋于地 下后不易检查 、修复 ,因此 ,从设计的角度应加大对地网腐蚀的 调查研究 ,重视地网防腐问题 。
土壤冻结后其电阻率将增大为原来的 3 倍以上 ,对地网接地电
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文章编号 :100722284 (2004) 0820095202
变电所接地设计问题分析
张 亮
(新疆兵团勘测规划设计研究院 ,新疆 乌鲁木齐 830002)
摘 要 :变电所接地网作为隐蔽工程具有一次性建设 、维护困难等特点 ,在设计过程中 ,要从接地电阻与短路电流的 关系 、接地装置的比选 、地网防腐措施 、接触电势与跨步电压验算及合适的埋设深度等方面全面认识和把握接地问题 。 关键词 :变电所 ;接地网 ;接地电阻 ;短路电流 中图分类号 : TM63 文献标识码 :C
接地线的寿命 ,一般按 25～30 a 考虑 ,其防腐设计 ,通常在 设计年限内采用热镀锌 、热镀锡等措施 ,并按上述防腐要求选 取材料截面 ,对于大接地短路电流系统 ,还须校验其热稳定 。
4 验算接触电势与跨步电压
接触电势与跨步电压是地网安全性设计的两个重要参数 ,
Hale Waihona Puke 变电所接地设计问题分析 张 亮
地网材料常规选用扁钢和圆钢两种 ,相同截面的扁钢与圆 钢与周围土壤介质的接触面不同 ,但由于其腐蚀机理不完全一 致 ,腐蚀结果基本上一致 ,这从有关地网腐蚀的调查中已得到 确认 ,因此 ,选用扁钢还是圆钢在效果上没有很大差别 。
接地网材料的腐蚀状态应根据变电所当地的腐蚀参数进 行计算 ,但一般情况下腐蚀参数很难测定 ,因此 ,在工程设计没 有实际数据时可参考表 1 数据 ,按此考虑较为接近实际 。
5 合理 、经济地确定地网敷设深度
规程要求接地网的埋设深度不宜小于 0. 6 m ,设计手册要
求在冻土地区宜敷设于冻土层以下 。规程还规定 ,接地电阻应
满足一年四季变化的要求 ,这在实际工程中很难完全达到 ,冬
季土壤的冻结对接地电阻肯定有影响 ,而将地网埋设于冻土下
很深处并不现实 。新疆的变电所一般都处于季节性冻土地区 ,
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 ,因此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 。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 ,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 。
对于一个给定的变电所 ,短路产生的最大接触电势和最大 跨步电压是可以确定的 。从公式中可以看出 ,用提高 ρf 值来提 高 Ut 、Us 的允许值也是合理设计的一个重要方面 。当变电所 的接触电势 、跨步电压不满足要求时 ,设备区可采用做绝缘操 作平台 、做局部均压网 ;道路采用砾石 、碎石或沥青混凝土等高 土壤电阻率路面结构来处理 。
收稿日期 :2004203231 作者简介 :张 亮 (19732) ,男 ,工程师 。
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 。
经分析可知 ,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 。如此计算 ,实 际入地短路电流值就相对比较小 ,根据 R ≤2 000/ I 的要求 ,接 地电阻相应的允许值就比较大 ,此时按规定值控制 ,设计自然 就容易满足 。
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 。
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 ,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 ,增大架空地线 的分流电流 ,入地短路电流就相应减小 ,因此 ,降低架空地线的 阻抗也是接地设计需要考虑的重要方面 。架空地线采用优良
开挖敷设地网 ,以利于节省投资和工程量 。
变电所接地网应综合各种因素 ,结合实地情况进行设计 ,
保证变电所的安全运行和控制工程造价 。在工程设计中应重
点考虑地网布置形式 ,敷设深度 ,选材 、防腐蚀及热稳定校验等
方面 。对合格地网的概念应有全面的认识 ,接地电阻应按实际
流经地网入地的短路电流计算 ,降低接地电阻 、降低接触电势
[3 ] 邱毓昌 ,施 围 ,张文元. 高电压工程[M] . 西安 :西安交通大学出 版社 ,1995.
[4 ] 闻良生. 工厂企业供电[M] . 北京 :中国轻工业出版社 ,1994.
和跨步电压等都是合格地网要求的重要方面 。
□
参考文献
[1 ] 姚良铸. 110 kV 变电站立体接地网设计问题分析[J ] . 中国电力 , 2002 , (11) :57 - 59.
[2 ] 甘德辉. 探讨降低高土壤电阻率地区接地电阻的几种方法[J ] . 电 力自动化产品信息 ,2002 , (4) :47 - 48.
规程中指出这两参数不应超过下列数值 :
Ut = (174 + 0. 17 ρf ) / t
Us = (174 + 0. 7 ρf ) / t 式中 : Ut 为接触电位差 ,V ; Us 为跨步电位差 ,V ; ρf 为人站立处 地表面土壤电阻率 ,Ω·m ; t 为接地短路 (故障) 电流的持续时 间 ,s。
接地网布置方式有长孔与方孔两种 ,当包括地网外周 4 根 在内的均压带总根数在 18 根及以下时 ,常采用长孔接地网 ,如 图 1 (a) 所示 。110kV 变电所占地面积一般不超过 100 ×100 m2 ,
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考虑均压线间屏蔽作用 ,均压线总根数通常为 8～12 根左右 , 较多采用长孔方式布置 ,但与方孔布置相比 ,存在以下问题 。
在 35 kV 及以上变电所中 ,一般采用水平接地线为主 ,带有 垂直接地极的复合型地网 。垂直接地极对地网的接地电阻值 影响并不大 ,据实验验证 ,水平地网中附加长 2. 5 m、直径 40 mm 的垂直接地极若干 ,其接地电阻仅下降 2. 8 %～8 %。但是 , 垂直接地极对冲击电流 、雷电流散流作用较好 。因此 ,在地网 及独立避雷针 、线路避雷线 、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 。
图 1 长孔和方孔接地网示意图 (1) 长孔地网某一条均压线断开时 ,均压带的分流作用明 显降低 。方孔地网纵 、横向均压带相互交错 ,当某条均压线断 开时 ,对分流效果影响不大 ,优于长孔地网 。 (2) 长孔地网均压线距离较长 ,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 。而方孔网均压 效果较好且可靠性高 ,如图 1 (b) 所示 。 因此 ,在变电所地网设计时 ,条件允许时采用方孔均压网 设计更为可靠 ,利于提高接地安全性 ,但工程造价及施工难度 也相对提高 。实际在农网改造 、老站改建等工程项目中大多还 是采用长孔布置 ,运行亦较为正常 ,但不可因此而忽视接地形 式比选 ,尤其是特别重要的变电所如中心枢纽站 、220 kV 及以 上站等设计时仍应注重地网布置方案比选 。
2 接地装置布置方式的比选
在接地设计中 ,采用的土壤电阻率要准确 ,否则会造成设 计的误差 。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 ,尤其是地质结构复杂或有不均匀地质结构的 地区 。为保证电阻率准确性 ,勘测时可以采用两种以上方法 (如接地摇表法和电流电压法等) ,对所测结果相互对照 ,提高 精度 ,减小误差 。
1 正确分析短路电流
《交流电气装置的接地》(DL/ T621 - 1997) 中对接地电阻值 有具体的规定 ,一般情况下规定通常不大于 0. 5 Ω。在高土壤 电阻率地区 ,当要求接地装置做到规定的接地电阻在技术经济 上很不合理时 ,大接地短路电流系统接地电阻可以为 R ≤5 Ω , 但应采取相应措施 ,如防止高电位外引 、均压设计 、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 2 kV 进行控制 ,其次以接地电阻不大于 0. 5 Ω 和 5 Ω 进行设计 。实际中 ,人们往往认为 ,接地电阻测量 值小于 0. 5 Ω 即为合格 ,大于 0. 5 Ω 就是不合格 ,而没有认清其 背后的机理 ,忽视短路电流的大小 ,这是不恰当的 。
电阻也主要取决于非冻结土壤 。因此 ,在季节性冻土地区 ,采
用这种带有垂直接地极的复合型地网是有优势的 。设计中应
区分南北疆不同地区气候条件 ,根据当地冻土深度及其他因素
进行综合比较 ,合理控制地网埋设深度 。
条件允许时将地网全部埋设于冻土层以下 ,对地网的接地
电阻来讲肯定是更为有利的 ,但施工安排中要结合变电所基础
根据地网接地电阻的估算公式 : R ≈ 0. 5ρ/ s
式中 : ρ为土壤电阻率 ,Ω·m ; s 为接地网面积 ,m2 ; R 为地网接 地电阻 ,Ω。
ρ一定时 ,接地电阻基本上由接地网面积决定 ,地网面积 一旦确定 ,其接地电阻也就基本确定 。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 ,如果地网面积过小 , 其接地电阻是很难降低的 。
3 选择接地材料与设计防腐措施
接地网的腐蚀状况在变电所的设计中 ,很少考虑或易于忽 视 。地网腐蚀会引起安全隐患 ,如接地引下线断开使高压运行 设备处于无接地状态 ;地下主网腐蚀断裂分割成几块 ,发生接 地时使二次设备烧坏等 。另外 ,由于地网属隐蔽工程 ,埋于地 下后不易检查 、修复 ,因此 ,从设计的角度应加大对地网腐蚀的 调查研究 ,重视地网防腐问题 。
土壤冻结后其电阻率将增大为原来的 3 倍以上 ,对地网接地电
