地網(wǎng)熱穩(wěn)定校核2[1]

1、接地裝置的熱穩(wěn)定校核第一節(jié) 接地裝置的發(fā)熱1.1 概述在電力系統(tǒng)中，工作電流或接地電流將流過接地線，接地體流向大地，當(dāng)電流流過接地線和接地體時，會引起金屬發(fā)熱。如果金屬導(dǎo)體的界面選擇的較小，在大的接地短路電流流過時，會引起土壤發(fā)熱，使土壤的水分蒸發(fā)甚至汽化，引起土壤電阻率上升，嚴(yán)重時可以造成土壤燒結(jié)，使接地極不能正常工作。因此，需對接地裝置的發(fā)熱和熱穩(wěn)定進(jìn)行認(rèn)真的分析和計算。1.2 電流流過半球形電極時土壤的溫升1.2.1 電流長期流經(jīng)電極時當(dāng)電流經(jīng)半球形接地極向土壤流散時，土壤由于接地電阻的存在，土壤會發(fā)熱，土壤的溫升將達(dá)到某一穩(wěn)定值。半球形電極土壤的發(fā)熱計算如下圖1圖1 半球形電極土壤的發(fā)

2、熱計算 距球心為的范圍內(nèi)每秒產(chǎn)生的熱量， （1）在處的溫升為零，而在處溫升為最大，該處最大溫升為 （2）電極附近土壤的溫度在任何情況下都不允許升高到100，否則，土壤的水分將蒸發(fā)掉，以致土壤的電阻增大到極大的數(shù)值。如取土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，土壤的電阻率為，土壤的最大允許溫升，則可求出電極的允許電位為又由于半球形電極表面的電流密度 （3）如果電極半徑，仍取壤的最大允許溫升，則由上式求得電極表面的最大允許持續(xù)電流密度（即土壤溫升最大處的電流密度）為，電極允許通過的最大持續(xù)電流1.2.2 電流短期流經(jīng)半球形電極當(dāng)電流通過接地電極的時間較短（約數(shù)秒），可以不考慮熱的傳導(dǎo)而按絕熱過程來計算，即認(rèn)為流過土壤某處

3、的電流所產(chǎn)生熱量全部用來提高土壤該處的溫升。以半徑處的厚度為的半球殼為例，假定土壤的比熱為，在時間內(nèi)土壤的溫升為，則半球殼在時間內(nèi)需吸收的熱量應(yīng)為 （4）而半球殼在的時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量為 （5）令，整理積分可得 （6）當(dāng)時間確定后，土壤短時發(fā)熱時的溫升將直接取決于流經(jīng)土壤的電流密度。短時發(fā)熱時土壤的最大溫升出現(xiàn)在處，既有 （7）短時發(fā)熱時的電極表面的最大允許電流要比長期發(fā)熱時大得多。1.2.3 土壤發(fā)熱的過渡過程土壤發(fā)熱的過渡過程是指土壤從通過電流開始發(fā)熱到溫度達(dá)到穩(wěn)定溫升的全部過程。在過渡過程開始時溫升上升得很快，隨著時間的增加越來越慢，圖2是土壤發(fā)熱的溫升曲線圖2 土壤發(fā)熱的溫升曲線用公式

4、表示為： （8）為土壤的穩(wěn)定溫升；為土壤升溫的時間常數(shù)。半球形電極周為土壤升溫的時間常數(shù)為： （9）綜合半球形接地電極發(fā)熱的分析可知：（1） 電極附近土壤發(fā)熱的時間常數(shù)講授電極形狀的和尺寸的影響。（2） 在土壤長期發(fā)熱時，允許經(jīng)電極流散的最大電流和電極尺寸有關(guān)，但電極表面的最大允許電流密度則不受電極尺寸的影響，紙盒土壤的參數(shù)以及電極該點的電流密度有關(guān)。1.3 任意形狀的電極時的土壤發(fā)熱計算圖3為任意形狀電極附近土壤的熱場分布。圖3 任意電極附近土壤中的熱場任意接地電極的土壤溫度場的穩(wěn)態(tài)解將為 （10）假定在穩(wěn)定發(fā)熱時的接地電極為一等溫面，則為求土壤的最大溫升，（10）式取，因為土壤的最大溫升必

5、須出現(xiàn)在緊挨電極處。該處的最大溫升為 （11）這和按半球形電極推導(dǎo)的公式相同，具有普遍的意義。需指出的是，對任意形狀的電極，由于電極各電的不同，其溫升上升速度也是不同的，電極各點附近土壤的發(fā)熱時間常數(shù)將具有不同的數(shù)值。電流密度小的電極附近的土壤具有較大的發(fā)熱時間常數(shù)。第二節(jié) 交流接地網(wǎng)的熱穩(wěn)定交流輸電系統(tǒng)分中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地、和直接接地三種運(yùn)行方式。在中性點不接地系統(tǒng)，不會有接地電流流經(jīng)地網(wǎng)入地。在后兩者情況，在正常情況下，經(jīng)地網(wǎng)入地的只是數(shù)值不大的不平衡電流。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，經(jīng)由消弧線圈入地的電流也只有數(shù)十安培的電容補(bǔ)償電流，只有在中性點直接接地系統(tǒng)中才會出現(xiàn)數(shù)十千安的

6、短路電流經(jīng)地網(wǎng)入地，但持續(xù)時間不長，一般在0.52s左右。因此，交流接地網(wǎng)不存在長期發(fā)熱的問題，只需對短時發(fā)熱進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗即可。對交流接地網(wǎng)熱穩(wěn)定校驗可直接采取如下公式 （12）如取，則采用公式（12）可得，即要求電極表面的最大允許電流密度不得大于671。應(yīng)該注意到，為了均衡地面的電位分布，減小跨步電勢和接觸電勢，交流地網(wǎng)中一般都要敷設(shè)一定數(shù)量的均壓帶，此時由于屏蔽效應(yīng)和尖端效應(yīng)的影響，自地網(wǎng)流散的電流沿地網(wǎng)各道題的分布是不均勻的。為求導(dǎo)體表面的最大電流密度，必須先對地網(wǎng)的流散電流分布進(jìn)行計算。對于635kV安裝消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)，經(jīng)消弧線圈，地網(wǎng)入地的電流為數(shù)十安到數(shù)百安，但由于消弧線圈屬于

7、2h工作制，因此，對該系統(tǒng)的熱穩(wěn)定的校核，入地電流要按一個站所裝消弧線圈容量之和再乘以1.35，時間應(yīng)按長期發(fā)熱校核，如，土壤電阻率，則即按2h工作制，電流密度最大不超過11.18，如按長期工作制，這個電流密度會更小，這也提醒我們在消弧線圈接地的系統(tǒng)雖然最大補(bǔ)償電流僅為數(shù)十到數(shù)百安，但接地網(wǎng)的熱穩(wěn)定問題特別應(yīng)引起注意。第三節(jié) 接地線的熱穩(wěn)定校驗3.1 接地線的最小截面根據(jù)熱穩(wěn)定條件，末考慮腐蝕時，接地線的最小截面應(yīng)符合式（13）要求 （13）式中 接地體和接地引線的最小截面，2 流過接地線的短路電流值，A（按5-10年發(fā)展規(guī)劃，按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式確定） 短路的等效持續(xù)時間，s c 接地線材料的

8、熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料的種類，性能及最高允許溫度和短路前接地線的初始溫度確定。 在校驗接地線的熱穩(wěn)定時， 、及C應(yīng)采用表1所列數(shù)值。按地線的初始溫度，一般取400C。表1 校驗接地?zé)岱€(wěn)定用的、和c值系統(tǒng)接地方式（A）（S）c鋼鋁銅有效接地單（兩）相接地短路電流見下文（1）和（2）70120210低電阻接地單（兩）相接地短路電流270120210不接地、消弧線圈接地和高電阻接地異點兩相接地短路電流270120210（1）發(fā)電廠、變點站的繼電保護(hù)裝置配置有2套速動保護(hù)、近接地后備保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和自動重合閘時，可按式（14）取值。 （14）式中 主保護(hù)動作時間，s斷路器失靈保護(hù)動作時間，s短路器

9、開斷時間，s。（2）配有1套速動保護(hù)，近或遠(yuǎn)（或遠(yuǎn)近結(jié)合的）后備保護(hù)和自動重合閘，有或無斷路失靈保護(hù)時，可按式（15）取值 （15）式中 第一級后備保護(hù)時間，s根據(jù)熱穩(wěn)定條件，末考慮腐蝕時，接地裝置地極的截面不宜小于連接至該接地裝置的接地線截面的75%。32 接地線的防腐蝕 敷設(shè)在大氣和土壤中有腐蝕性場所的接地體和接地引下線，應(yīng)根據(jù)腐蝕的性質(zhì)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較采用熱鍍鋅，加高效膨潤土降阻防腐劑或刷瀝青漆，或采用陰極保護(hù)等措施。 在設(shè)計中對接地線腐蝕問題，建議作如下處理： （1）一般情況下應(yīng)吸取當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行經(jīng)驗，按當(dāng)?shù)亟拥鼐€的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 （2）當(dāng)?shù)?無數(shù)據(jù)時，可暫按下列數(shù)據(jù)處理。 1）對鍍鋅

10、或鍍錫的扁鋼、圓鋼，埋于地下的部分，其腐蝕速度取0.065mm/a（指總厚度），但對于焊接處必須采取措施，如刷瀝青漆等。但0.065mm/a是指一般中性土壤，如果土壤PH值在6.5以下，或土壤土質(zhì)比較疏松，腐蝕率可達(dá)0.085-0.265mm/a。南方和北方也有區(qū)別，在實際工程中應(yīng)區(qū)別對待。 2）如無防腐的接地線，其腐蝕速度在一般地區(qū)按如下方式處理。=50-300.m地區(qū)，扁鋼取0.1-0.2 mm/a，圓鋼取0.3-0.4 mm/a；>300.m地區(qū)，扁鋼取0.1-0.08 mm/a，圓鋼取0.3-0.09 mm/a；<50.m地區(qū)，扁鋼取0.08-0.1mm/a，圓鋼取0.3-

11、0.09 mm/a；3）接地體的壽命，應(yīng)與地面設(shè)備一致，一般應(yīng)按25-30年考慮，設(shè)計時可按上述防腐要求選擇導(dǎo)線截面。3）對于敷設(shè)在屋內(nèi)或地面上的接地線，一般均應(yīng)采取防腐措施，如鍍鋅、鍍錫或刷防腐漆。這樣可不必按埋于地下條件考慮 ，只要適當(dāng)留有裕量即可。3.3 短路接地電流的計算接地短路電流分析當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時,產(chǎn)生的接地短路電流經(jīng)三種途徑流入系統(tǒng)接地中性點。(1)經(jīng)架空地線桿塔系統(tǒng);(2)經(jīng)設(shè)備接地引下線,地網(wǎng)流入本站內(nèi)變壓器中性點;(3)經(jīng)地網(wǎng)入地后通過大地流回系統(tǒng)中性點。而對地網(wǎng)接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流。所以,正確地考慮和計算各部分短路電流值,對合理地設(shè)計地網(wǎng)有著很大的

12、影響。架空地線系統(tǒng)的影響對于有效接地系統(tǒng)110kV以上變電所,線路架空地線都直接與變電站內(nèi)出線架構(gòu)相連。當(dāng)發(fā)生接地短路時,很大一部分短路電流經(jīng)架空地線系統(tǒng)分流,因此,在計算時,應(yīng)考慮該部分分流作用,發(fā)生接地故障時,總的短路電流是一定的,只要增大架空地線的分流電流,就可減小入地短路電流,因此,降低架空地線的阻抗也是安全接地設(shè)計重要的一個分支。架空地線采用良導(dǎo)體,正確利用架空地線系統(tǒng)分流,將使地網(wǎng)的設(shè)計條件更為有利。 入地短路電流從上述分析可知,入地短路電流是總的接地短路電流減去架空地線的分流,再減去流經(jīng)變壓器中性點的電流(也就是流經(jīng)變電器的零序電流)。如此計算,入地短路電流值相對比較小。由于接地

13、電阻允許值R2000I,所以接地電阻相應(yīng)的允許值就比較大,設(shè)計也容易滿足。另外,對于一個給定的地網(wǎng),其接地電阻也基本確定:從R0.5/S可知,對實際的接地網(wǎng)面積減少有很大影響。計算用入地短路電流的計算廠或所內(nèi)和廠或所外發(fā)生接地短路，流經(jīng)接地裝置的電流可分別有下式計算式中：入地短路電流 接地短路時的最大接地短路電流 發(fā)生最大接地短路電流時，流經(jīng)發(fā)電廠變電所接地中性點的最大接地短路電流 分別為廠內(nèi)或所內(nèi)和廠或所外短路時，避雷線的工頻分流系數(shù)。避雷線路的工頻分流系數(shù)。一般粗算可取Ke1=0.5，Ke2=0.1。計算用入地短路電流取兩式中較大的值。在有效接地系統(tǒng)及低電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)電廠，變電所電氣裝

14、置中電氣設(shè)備接地線的截面，應(yīng)按接地短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗。鋼接地線的短時溫度不應(yīng)超過400度，銅接地線不應(yīng)超過450度，鋁接地線不應(yīng)超過300度。校驗直接接地，經(jīng)消弧線圈接地和高阻接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備接地線的熱穩(wěn)定時，敷設(shè)在地上的接地線長時間溫度不應(yīng)大于150度，敷設(shè)在地上的接地線長時間溫度不應(yīng)大于100度。3.4 簡化計算接地故障電流的測量任何接地故障電流將會對接地導(dǎo)體施加一個熱應(yīng)力。這個應(yīng)力與電流強(qiáng)度和故障持續(xù)時間有關(guān)，并不應(yīng)能損害接地導(dǎo)體。由于在非常短的故障持續(xù)時間內(nèi)，導(dǎo)體沒有時間散熱，因此這個規(guī)律對穩(wěn)定電流并不適用。限制因素是可接受的最大導(dǎo)體溫度。應(yīng)根據(jù)IEEE Std 80-1986

15、(見9.3)的推薦公式做計算。對于快速近似計算（這可能會導(dǎo)致比所需的導(dǎo)體大）和鋼架，可用下列公式： （14）其中A 為導(dǎo)體橫截面積（單位mm2）I 為故障電流（假定一個螺栓故障）（為有效值 單位A）tc 為故障持續(xù)時間，包括繼電保護(hù)和跳閘時間（單位s） 注為了介紹某種裕度，應(yīng)使用后備保護(hù)時間；如果這個假設(shè)導(dǎo)致非常大的導(dǎo)體，可用一個比例因子，如1.5。a 考慮非對稱性故障電流的影響后的一個系數(shù)： 當(dāng) 當(dāng)。K 取決于導(dǎo)體材料的初溫和末溫的一個系數(shù)（見表2）表2計算接地導(dǎo)體面積時系數(shù)k的取值初始溫度（。C）末溫（。C）當(dāng)導(dǎo)體材料如下時的k值銅鋁鋼201501459455201601499758202

16、0016510760202201711122025018011770203001951262050023585401501318540160136874020015299402201601054025017011040300183119405002231457016011475751501056875160111727520013185852001258185220133879022013085902501429312525012380第四節(jié) 接地線熱穩(wěn)定校驗方案實例進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗時，一定要考慮腐蝕的因素，即計及腐蝕后的導(dǎo)體截面積應(yīng)該在預(yù)計壽命期內(nèi)滿足熱穩(wěn)定要求；同時要對各個電壓等級分別按流過

17、接地體的最大短路電流計算，即中性點有效接地系統(tǒng)按照單（兩）相對地短路電流，中性點非有效接地系統(tǒng)按異地兩相接地短路電流計算。接地線截面積要滿足其最大值要求，否則應(yīng)該采用各個電壓等級接地線截面積不同的方案。 如某變電站2015年遠(yuǎn)期規(guī)劃110 kV側(cè)單相接地短路電流為5.77 kA，35 kV側(cè)異地兩相接地短路電流為5.25 kA，10 kV側(cè)異地兩相接地短路電流為12.64 kA。，根據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時，接地線的截面應(yīng)符合下式要求，并對各電壓等級分別按流過接地體的最大短路電流進(jìn)行驗算：式中Ig流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，A；短路的持續(xù)時間，s，中性點有效接地系統(tǒng)為后備保護(hù)動作時間及斷路器

18、開斷時間的和，該站為1.5 s，中性點非有效接地系統(tǒng)按2 s計算；c接地線的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料而定，鋼為70。110 kV部分：Ig=5 770 A，t=1.5 s，由此，Sg100.9 mm2。35 kV部分：Ig=5 250 A，t=2 s，由此，Sg106 mm2。10 kV部分：Ig=12640A，t=2s，由此，Sg255.4mm2。如果使用扁鋼為60×6=360 mm2，考慮到腐蝕，按照年腐蝕率0.1 mm/a，預(yù)期壽命為20 a，20 a后，截面為56×2=112 mm2（腐蝕發(fā)生在鋼材兩側(cè)），對110 kV及35 kV部分仍然能夠滿足要求，但是對10 kV部分則不能夠滿足要求。如使用扁鋼為80×8=640 mm2，按照年腐蝕率0.1 mm/a，20 a后，截面為76×4=304 mm2，可以滿足10 kV部分要求。因此，該站110 kV及35 kV部分可采用(60×6) mm2扁鋼，10 kV部分則應(yīng)采用（80×8） mm2扁鋼。第五節(jié) 連通試驗和開挖檢查電氣設(shè)備的接地裝置主要是為了故障時，故障電流能可靠的入地。為此，對接地電阻等提出了不同要求，并規(guī)定每隔一定時間要進(jìn)行測試，看是否滿足要求。但是電氣設(shè)備與