變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)和研究

1、變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)和研究 變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)和研究 摘要：本文專題通過對接地網(wǎng)材料進(jìn)行比照分析，結(jié)合洛陽市區(qū)110千伏含嘉倉變電站工程平面布置和站址規(guī)劃特點(diǎn)，合理選擇接地材料和優(yōu)化接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，同時(shí)解決了站區(qū)占地面積較小、土壤電阻率較高情況下，接地電阻、接觸電勢及跨步電壓不滿足要求的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)、運(yùn)行檢修簡單、方便，經(jīng)濟(jì)效益最正確。 關(guān)鍵詞：變電站接地網(wǎng)；設(shè)計(jì)；研究 中圖分類號： S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 1 概述 變電站接地設(shè)計(jì)關(guān)系到電網(wǎng)平安運(yùn)行，有效、可靠的接地是變電站平安運(yùn)行的根本保證，對確保人身、設(shè)備平安至關(guān)重要。 隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，土地資源的日益緊張要求市內(nèi)變電站站址面積小型

2、化，同時(shí)還要考慮城市規(guī)劃等方面的因素，這對變電站接地設(shè)計(jì)提出了更高要求。一般在變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程中，對接地網(wǎng)設(shè)計(jì)提出了根本要求： 1.1 為保證電網(wǎng)正常運(yùn)行和故障時(shí)的人身及設(shè)備平安，電氣設(shè)備及設(shè)施宜接地或接中性線； 1.2變電站的電氣設(shè)備，應(yīng)設(shè)置同一個(gè)接地系統(tǒng)，接地電阻應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的要求； 1.3.接地裝置應(yīng)充分利用各種自然接地體接地，并校驗(yàn)其熱穩(wěn)定； 1.4 當(dāng)電站接地電阻難以滿足運(yùn)行要求時(shí)，可根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬，采用有效的降阻措施； 1.5 接地設(shè)計(jì)應(yīng)考慮土壤枯燥或凍結(jié)等季節(jié)變化的影響，接地電阻在四季中均應(yīng)符合設(shè)計(jì)值的要求。 2 接地體材料比照分析 接地網(wǎng)材料不僅影響著接地體的熱穩(wěn)定和截面

3、大小，而且還會影響到接地網(wǎng)的接地電阻、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益等，是接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要局部。 在變電站接地網(wǎng)材料選擇中，站址土壤腐蝕性是一個(gè)非常重要的因素，它不僅影響接地體的使用場合，而且關(guān)系到接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性。除此之外，接地材料的性能特點(diǎn)、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益等也是選擇接地網(wǎng)材料的重要因素，因此接地網(wǎng)材料的合理選擇對變電站接地網(wǎng)是非常必要的。 2.1接地體材料比照分析 根據(jù)接地網(wǎng)材料特性及其使用場合，結(jié)合目前常用的三種接地體材料，對其進(jìn)行比照分析： 傳統(tǒng)鋼材料一般作為最常用的接地網(wǎng)材料，其適用于土壤腐蝕性弱，站址面積較大且易更換的變電站。鋼材料接地網(wǎng)一次性投資小，便于生產(chǎn)、加工、安裝。其缺點(diǎn)抗腐蝕性

4、弱、導(dǎo)電性差、機(jī)械強(qiáng)度不高、使用壽命短等。尤其是在中等腐蝕以上的土壤中，其以大于0.065mm/年的速度被腐蝕，其一般壽命為10-15年，腐蝕嚴(yán)重區(qū)域需開挖檢修或重新敷設(shè)。 除傳統(tǒng)鋼材料外，銅覆鋼是使用較多的材料。銅覆鋼是指作為芯體的鋼外表被銅連續(xù)包覆所形成的金屬復(fù)合材料。其技術(shù)性能指標(biāo)較傳統(tǒng)鋼更加可靠、穩(wěn)定，其特點(diǎn)如下： a接地體截面相同時(shí)，銅覆鋼熱穩(wěn)定性較好。同等熱穩(wěn)定校驗(yàn)條件下，鋼接地體所需的截面積為銅材的2倍。 b導(dǎo)電性能好：銅覆鋼材料的導(dǎo)電率為20%-40% IACS，在疏導(dǎo)電流相當(dāng)?shù)那闆r下，銅覆鋼的截面積理論上可比鍍鋅鋼材減小。 c抗腐蝕性強(qiáng)：實(shí)驗(yàn)說明銅是一種耐土壤腐蝕材料，僅在土

5、壤中含有高量的有機(jī)硫化物和高酸性時(shí)，銅才產(chǎn)生點(diǎn)蝕。銅層到達(dá)一定厚度時(shí)使用壽命可到達(dá)60年。 d機(jī)械強(qiáng)度高：傳統(tǒng)鍍鋅鋼導(dǎo)體在打入地下時(shí)，鍍鋅層易剝落。銅覆鋼導(dǎo)體由于銅層厚度大，銅層結(jié)合度高，因此在與土壤的摩擦中不會影響其防腐性能。 e電阻率?。涸谝欢ǔ潭壬峡山档徒拥仉娮琛?其缺點(diǎn)：銅覆鋼接地網(wǎng)一次性投資較大，工藝要求高，同時(shí)不宜適用于含有高量的有機(jī)硫化物和高酸性土壤中。 相較以上兩種接地材料，變電站接地網(wǎng)采用銅排相對較少，僅用于土壤腐蝕性極強(qiáng)的變電站。銅排具有耐腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高，使用壽命長等特點(diǎn)。但我國銅礦資源比擬匱乏，銅價(jià)格比擬昂貴，因此采用銅排作接地網(wǎng)，其一次性投資大

6、，焊接工藝要求高，不適用于含有高量的有機(jī)硫化物和高酸性土壤中。 上述主要對三種材料性能特點(diǎn)進(jìn)行比照分析，以下從全壽命周期及經(jīng)濟(jì)效益角度，對上述三種材料進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析。 變電站接地網(wǎng)的全壽命周期按60年考慮。在同等的一般堿性地區(qū)，對銅覆鋼與熱鍍鋅鋼、銅的全壽命周期經(jīng)濟(jì)性比照分析。其中熱鍍鋅鋼一次性壽命按照15年計(jì)算、銅覆鋼和銅按60年計(jì)算，見下表。 全壽命周期比照表 比擬工程 熱鍍鋅鋼接地材料 銅覆鋼接地材料 銅接地材料 直接經(jīng)濟(jì)價(jià)格/元/t 7500 30000 60000 設(shè)計(jì)截面 1 0.52 0.29 一次性材料投資比值 1 2.13 2.64 全壽命比 0.25 1 1 全壽命投

7、資比 4 2.13 2.65 說明： 設(shè)計(jì)截面 A ，I 為短路電流，t為短路電流等效持續(xù)時(shí)間；按25%，700導(dǎo)電率計(jì)算，銅覆鋼C=136，鍍鋅鋼C=70，那么銅覆鋼設(shè)計(jì)截面積：鍍鋅鋼設(shè)計(jì)截面積=70：136=0.52； 按 GB50065 中銅的熱穩(wěn)定系數(shù)，C=245，鍍鋅鋼 C=70，那么銅設(shè)計(jì)截面積：鍍鋅鋼設(shè)計(jì)截面積=70：245=0.29 以鍍鋅鋼為 1 進(jìn)行比照計(jì)算，那么銅覆鋼的材料投資比為： 銅的材料投資比為： 相同土壤條件下，銅及銅覆鋼設(shè)計(jì)壽命60年，熱鍍鋅鋼設(shè)計(jì)壽命15年。 全壽命投資比=一次性材料投資比值/全壽命比。 由上表可知，使用銅覆鋼全壽命周期的材料費(fèi)，與鍍鋅鋼相比可

8、節(jié)省47%以上，相同的設(shè)計(jì)壽命下與銅相比可節(jié)省20%左右。與熱鍍鋅比，使用銅覆鋼接地網(wǎng)，不僅設(shè)計(jì)壽命提高、全壽命周期材料費(fèi)降低，而且大幅減少了接地網(wǎng)開挖維修的次數(shù)和維修費(fèi)用，隱形的全壽命周期經(jīng)濟(jì)性更大；與銅相比，使用銅覆鋼不僅全壽命周期經(jīng)濟(jì)性好，而且節(jié)約了戰(zhàn)略性銅材。 銅覆鋼是變電站接地網(wǎng)理想的資源節(jié)約型材料。 2.2接地體截面計(jì)算 根據(jù)洛陽市區(qū)110千伏含嘉倉變電站短路電流計(jì)算結(jié)果，110kV含嘉倉變電站110kV母線單相接地短路電流為10.04kA。根據(jù)?GB50065-2021交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?中避雷線-桿塔系統(tǒng)，分流系數(shù)取值為0.6，短路持續(xù)時(shí)間為0.5秒，那么計(jì)算入地短路電

9、流為 傳統(tǒng)鋼接地體截面 當(dāng)采用鋼地網(wǎng)方案時(shí)，除了考慮熱穩(wěn)定校驗(yàn)的因素外，還應(yīng)當(dāng)考慮鋼材的年平均腐蝕厚度 0.065mm/年。故當(dāng)采用60mm 6mm的扁鋼作為接地引下線，水平接地體應(yīng)當(dāng)采用60mm6mm的扁鋼。 銅覆鋼接地體截面 當(dāng)采用鍍銅地網(wǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用40mm4 mm的鍍銅帶作為接地引下線，水平接地體截面取截面積為160mm2的-40mm4mm鍍銅扁鋼。 純銅接地體截面 當(dāng)采用純銅地網(wǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用30mm4mm的純銅排作為接地引下線，即水平接地體截面取截面積為70mm2的裸銅絞線。 根據(jù)上述三種材料和熱穩(wěn)定截面計(jì)算的比照分析和洛陽市區(qū)110千伏含嘉倉變站址腐蝕性程度，結(jié)合含嘉倉變電站為使用

10、壽命60年的全戶內(nèi)變電站，接地網(wǎng)檢修維護(hù)比擬困難，故本工程采用水平接地體采用-404的銅覆扁鋼，滿足接地體截面的要求。 3 本工程接地方案分析 變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路是在變電站區(qū)域設(shè)計(jì)網(wǎng)格狀接地網(wǎng)，經(jīng)過熱穩(wěn)定計(jì)算選擇接地扁鋼的截面，然后經(jīng)過理論計(jì)算，計(jì)算出接地電阻值、接觸電勢和跨步電壓，將計(jì)算值與允許值進(jìn)行比擬。假設(shè)其不滿足允許值要求，那么采取相應(yīng)的措施來降低接地電阻值和提高接觸電勢、跨步電壓允許值。 3.1接地電阻計(jì)算 接地電阻值是變電站接地系統(tǒng)的重要指標(biāo)，是衡量有效性、平安性以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合要求的重要參數(shù)。 根據(jù)洛陽市區(qū)110千伏含嘉倉變電站站址規(guī)劃圖，合理布置變電站接地網(wǎng)，最終確定

11、接地網(wǎng)東西長50m，南北寬30m。根據(jù)接地網(wǎng)布置情況和變電站土壤電阻率，對變電站接地電阻進(jìn)行粗略估算: 根據(jù)?GB50065-2021交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定，變電站接地電阻值應(yīng)0.5，因此變電站接地電阻計(jì)算值不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。針對此問題，在變電站接地網(wǎng)面積5030=1500m2不能增大根底上，必須采用相應(yīng)措施降低接地電阻，使之滿足規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求。 3.2接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案 對于本站接地網(wǎng)接地電阻不滿足規(guī)程要求，結(jié)合常用降阻措施，提出以下接地設(shè)計(jì)方案：方案一為采用降阻模塊，實(shí)現(xiàn)全站接地電阻降低；方案二為垂直接地體采用14銅覆圓鋼,并在建筑物外側(cè)打輔助接地深井方案。 1、降阻模塊方案 降阻模塊方

12、案指在水平接地體交叉處設(shè)置降阻模塊，通過降阻模塊并聯(lián)降低接地網(wǎng)整體電阻。 根據(jù)本站接地網(wǎng)最大布置面積，可采用最大降阻模塊數(shù)量為77個(gè)。由此對全站進(jìn)行接地電阻進(jìn)行計(jì)算。 水平網(wǎng)電阻計(jì)算：根據(jù)上述資料，水平接地體接地電阻計(jì)算如下： 單個(gè)接地模塊接地電阻：R=k*=34.22 并聯(lián)后總接地電阻：Rn =R/(n*h) Rn = 0.635 式中： n模塊數(shù)量n=77 h 數(shù)量調(diào)整系數(shù)h=0.7 并聯(lián)工頻接地電阻計(jì)算公式： R =1/(1/R水平+1/Rn) 計(jì)算結(jié)果：R=0.518 經(jīng)計(jì)算，該方案仍然不滿足接地電阻小于0.5的要求。 2、打輔助接地深井方案 由地址勘察報(bào)告可知，站址地深5m處主要為黃

13、土粉層，其土壤電阻率為，站址地深12.43-13.30m處主要為穩(wěn)定地下水層，其壤電阻率約為。基于此資料，提出了降低接地電阻方案：普通垂直接地體采用14銅覆圓鋼,并在建筑物外側(cè)打輔助接地深井方案，深井接地體采用15m長的150熱鍍鋅鋼管。 本站接地網(wǎng)按照60年來設(shè)計(jì)，依全壽命周期和經(jīng)濟(jì)效益角度，深井接地體采用15m長的150熱鍍鋅鋼管更為合理。 根據(jù)電氣總平面布置和接地網(wǎng)布置情況，接地體主要布置在水平接地體交叉點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)考慮到深井接地體之間的間距，盡量減少接地體之間的互相屏蔽作用。 含嘉倉變電站接地網(wǎng)布置圖 根據(jù)接地網(wǎng)布置圖，對本站接地電阻進(jìn)行計(jì)算： 垂直接地電阻驗(yàn)算：根據(jù)DL/T 621-1

14、997，長15m單根垂直接地體接地電阻計(jì)算公式如下： 說明：l為深井接地體長 15m，d為接地體直徑0.15m。水平接地網(wǎng)對垂直接地體的平均屏蔽深度為1.5m-2m。保守計(jì)算，2.5m長垂直接地體降阻效果忽略不計(jì)。每個(gè)長15m的垂直接地體電阻為R單垂2.54 。 本站垂直接地體降阻主要受深井接地體影響，而深井接地體間距不滿足最小兩倍接地體長度，故深井接地體并聯(lián)電阻需考慮屏蔽影響，根據(jù)英國接地標(biāo)準(zhǔn) BS7430:1991： R垂并= R單垂(1+15(1/2+1/3+1/n)/R單垂D)/n0.508 n 為深井接地體根數(shù)7，D為垂直接地極間距20m。 接地網(wǎng)接地電阻：因外圍垂直接地極上部2m左

15、右處于水平網(wǎng)的散流通道內(nèi)，水平網(wǎng)與垂直地網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，應(yīng)除以兩者之間的屏蔽系數(shù)0.9，故接地網(wǎng)的接地電阻為： 由上式計(jì)算結(jié)果知，接地網(wǎng)在建筑物外側(cè)設(shè)置7根15m長深井接地體，接地電阻計(jì)算值就可以滿足規(guī)程小于0.5 的要求。 4 接觸電勢、跨步電壓的計(jì)算 接觸電勢和跨步電壓是變電站接地系統(tǒng)的重要指標(biāo)，對人身平安至關(guān)重要。一般在變電站接地電阻滿足要求的情況下，必須確保接觸電勢和跨步電壓的計(jì)算值均在允許值范圍內(nèi)，否那么仍不滿足工程要求，必須采取相應(yīng)措施滿足計(jì)算值在允許值范圍內(nèi)。 根據(jù)?GB50065-2021交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?中接觸電勢、跨步電壓的允許值計(jì)算方法，對其進(jìn)行計(jì)算如下： 計(jì)算本工程

16、的接觸電勢及跨步電壓允許值 接觸電勢允許值 跨步電壓允許值 4.1最大接觸電勢計(jì)算 根據(jù)方案二的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案和?GB50065-2021交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?中計(jì)算方法，對最大接觸電勢進(jìn)行計(jì)算。 衰減系數(shù) Df= 接地網(wǎng)的最大入地電流 IG= DfI=1.054518=4738.5A 埋深系數(shù) 接地網(wǎng)網(wǎng)格數(shù) 式中： Lc水平接地網(wǎng)導(dǎo)體的總長度(m)；Lp接地網(wǎng)的周邊長度； 網(wǎng)孔電壓影響校正加權(quán)系數(shù)為 網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)為 式中： 土壤電阻率；km網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)； D接地網(wǎng)平行導(dǎo)體間距；h接地網(wǎng)埋深 0.8m； d接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑。Kh 接地網(wǎng)埋深系數(shù); h0參考深度，取 1m；

17、Kii因內(nèi)部導(dǎo)體對角網(wǎng)孔電壓影響的校正加權(quán)系數(shù)。 接地網(wǎng)不規(guī)那么校正系數(shù)為 有效埋設(shè)長度為 最大接觸電勢為 4.2跨步電壓最大值計(jì)算 根據(jù)方案二的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案和?GB50065-2021交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?中計(jì)算方法，對最大跨步電壓進(jìn)行計(jì)算。 埋入地中的接地系統(tǒng)導(dǎo)體有效長度為 系數(shù) 最大跨步電壓計(jì)算值為 經(jīng)上述計(jì)算可知，最大接觸電勢不在允許值范圍內(nèi)，不滿足工程需要。為此將接地網(wǎng)的邊緣經(jīng)常有人出入的走道處鋪設(shè)碎石、礫石(厚度為1520cm，其土壤電阻率約2500m)、瀝青路面或“帽檐式均壓帶，采用硬化路面等措施后，接觸電壓允許值為847.1V,跨步電壓允許值為2721V?？梢娫谠诓扇〈胧┖笞畲蠼佑|電勢即可滿足要求。 5 結(jié)論 本專題從全壽命周期角度和經(jīng)濟(jì)效益考慮，本工程接地網(wǎng)選用銅覆鋼材料，水平接網(wǎng)按照等距網(wǎng)格布置，輔以角鋼垂直接地極和深井接地體的混合接地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)采用-404銅覆扁鋼作為水平接地主網(wǎng)，以2.5m長14銅覆圓鋼作為垂直接地極，深井接地體采用15m長的150熱鍍鋅鋼管，這樣設(shè)計(jì)降低了本站接地電阻，使之滿足規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的要求。 在上述降阻措施下，通過在地網(wǎng)的邊緣經(jīng)常有人出入的走道處鋪設(shè)碎石、