接地網(wǎng)的保護(hù)及龍鳳壩變電站保護(hù)方案的確定

1、接地網(wǎng)的保護(hù)及龍鳳壩變電站保護(hù)方案的確定    接地就是將電氣設(shè)備的某些部位、電力系統(tǒng)的某點(diǎn)與大地相連，提供故障電流及雷擊電流的泄流通道，穩(wěn)定點(diǎn)位，提供零電位參考點(diǎn)，以確保電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)確保電力系統(tǒng)運(yùn)行人員的人身安全。變電站接地網(wǎng)，對于變電站的安全運(yùn)行有著極其重要的作用。表征接地網(wǎng)電氣性能的參數(shù)為接地電阻。接地電阻的大小，反映了接地裝置流散電流和穩(wěn)定電位能力的高低及保護(hù)性能的好壞。接地電阻越小，保護(hù)性能越好。但是，當(dāng)前我國由于資源缺乏和經(jīng)濟(jì)原因，大多都采用普通碳鋼作為接地網(wǎng)材料。在沒有保護(hù)的條件下，這種地網(wǎng)極易被腐蝕斷裂，從而增大接地

2、電阻，降低地網(wǎng)對電力系統(tǒng)的保護(hù)性能。國內(nèi)由于地網(wǎng)腐蝕而導(dǎo)致的電力事故較多。隨著電壓等級(jí)的升高，這種事故發(fā)生的幾率將更大、破壞性將更強(qiáng)。鑒于此，龍鳳壩變電站決定對電網(wǎng)采取保護(hù)措施。1接地網(wǎng)的作用接地網(wǎng)在變電站中占有十分重要的位置，其作用是把故障電流引入地下并為站內(nèi)設(shè)備提供參考電位。電力系統(tǒng)交流電氣裝置的接地按其功能可分為基本的三類：工作接地、防雷接地和保護(hù)接地。另外發(fā)變電站儀器和控制設(shè)備也應(yīng)當(dāng)接地。交流電力系統(tǒng)根據(jù)中性點(diǎn)是否接地而分為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)（包括中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)、中性點(diǎn)通過電阻或電感接地的系統(tǒng)）。我國在110kV及以上的電力系統(tǒng)中均采用中性點(diǎn)有效接地的運(yùn)行方式，其

3、目的是為了降低電氣設(shè)備的絕緣水平，這種接地方式稱為工作接地。采用中性點(diǎn)有效接地方式后，正常情況下作用在電氣設(shè)備（如電力變壓器）絕緣上的電壓為相電壓。如果采用中性電絕緣的工作方式，則發(fā)生單相接地故障，且又不跳閘時(shí)，作用在設(shè)備絕緣上的電壓為線電壓，二者相差姨3倍。采用中性點(diǎn)有效接地方式后，作用在設(shè)備絕緣上的電壓明顯降低，因此設(shè)備的絕緣水平也可以降低，即達(dá)到縮小設(shè)備絕緣尺寸、降低設(shè)備造價(jià)的目的。對于有效接地系統(tǒng)，在正常情況下，流過接地裝置的電流為系統(tǒng)的不平衡電流，而在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)將有數(shù)十千安的短路電流流過接地裝置，一般短路電流持續(xù)時(shí)間為0.5秒左右。在電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，電氣設(shè)備的外殼將帶電，

4、如果這時(shí)人接觸設(shè)備外殼，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此為了保證人身安全，所有電氣設(shè)備的外殼必須接地，這種接地稱為保護(hù)接地。當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣損壞而使外殼帶電時(shí)，流過保護(hù)接地裝置的故障電流應(yīng)使相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，切除故障設(shè)備，另外也可以通過降低接地電阻保證外殼的點(diǎn)位在人體的安全電壓值之下，從而避免因電氣設(shè)備外殼帶電而造成的觸電事故。為了防止雷電對電力系統(tǒng)及人身安全的危害，一般采用避雷針、避雷線及避雷器等雷電防護(hù)設(shè)備。這些雷電防護(hù)設(shè)備都必須與合適的接地裝置相連，以將雷電流導(dǎo)入大地，這種接地稱為防雷接地。流過防雷接地裝置的雷電流幅值很大，可以達(dá)到數(shù)百千安，但持續(xù)的時(shí)間很短，一般只有數(shù)十微秒?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)大量采用

5、以固體電子設(shè)備為基礎(chǔ)的儀器和控制設(shè)備，這些設(shè)備工作時(shí)需要確定信號(hào)的參考地。信號(hào)參考地對于保證電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等的正常工作起著十分重要的作用。而現(xiàn)代電力系統(tǒng)，很難提供純凈的無干擾的信號(hào)參考地，因此提高信號(hào)地的抗干擾能力是接地設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要問題之一。從功能上看，信號(hào)參考地是一種特殊的工作接地。將電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地的工作接地，能夠降低作用在電氣設(shè)備上的電壓，從而降低電氣設(shè)備的絕緣水平。在發(fā)變電站，通過避雷線、避雷針和避雷器來吸收和泄放雷電能量，這些防雷設(shè)備必須通過接地裝置將雷電能量泄放到大地。將所有電氣設(shè)備的外殼接地，當(dāng)電氣設(shè)備絕緣損壞或老化而使外殼帶電時(shí)，能夠保證接觸設(shè)備外殼的人員的

6、人身安全。另外發(fā)變電站接地裝置通過降低接地電阻和采取均壓措施來保證接觸電壓和跨步電壓滿足人身安全要求。接觸電壓是指故障時(shí)人體接觸與接地裝置相連的設(shè)備外殼或金屬構(gòu)件時(shí)所承受的手和腳之間的電位差，而跨步電壓則是故障時(shí)人體兩腳之間承受的電位差。通過接地可以將由于摩擦等產(chǎn)生并積蓄的靜電盡快釋放到大地，防止靜電干擾引起事故和破壞。2接地網(wǎng)的腐蝕及其危害我國接地網(wǎng)材料大多采用普通碳鋼，普通碳鋼在土壤中較易受到腐蝕。腐蝕的程度主要取決于用于保護(hù)構(gòu)筑物和設(shè)備的防護(hù)措施以及所處環(huán)境的腐蝕特性。當(dāng)設(shè)計(jì)地網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮到腐蝕。接地導(dǎo)體和連接線埋在或浸沒在腐蝕性環(huán)境中時(shí)會(huì)受到腐蝕的影響。接地裝置一般埋在地下，構(gòu)成接地裝置

7、的導(dǎo)體將產(chǎn)生土壤腐蝕現(xiàn)象。接地裝置在土壤中的腐蝕屬于化學(xué)腐蝕。目前我國普遍反應(yīng)接地裝置的導(dǎo)體和接地引線腐蝕嚴(yán)重，特別是上世紀(jì)5060年代埋設(shè)的接地裝置及接地引線已普遍出現(xiàn)比較嚴(yán)重的腐蝕，由于腐蝕導(dǎo)致的電力系統(tǒng)事故也時(shí)有發(fā)生。接地網(wǎng)的腐蝕源于普通碳鋼在腐蝕性土壤環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕以及電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行中的泄流電流造成的電解腐蝕。腐蝕使接地網(wǎng)接地性能不良，危及設(shè)備及人身安全。因此接地網(wǎng)防腐蝕，保證接地性能的穩(wěn)定，延長接地網(wǎng)適用壽命，是需要解決的課題。3接地網(wǎng)的保護(hù)3.1采用鍍鋅鋼作接地網(wǎng)材料目前，變電站普遍采用鍍鋅鋼作接地網(wǎng)材料。試驗(yàn)表明，熱鍍鋅鋼在沒有泄流電流影響時(shí)耐蝕性能尚好，但是在輸變電設(shè)備接地網(wǎng)

8、有泄流電流的電解腐蝕時(shí)，其耐蝕性能與普通碳鋼相比，提高極少，不能明顯改善接地網(wǎng)的防蝕性能。3.2使用抗腐蝕性能好的降阻劑降阻劑主要由含強(qiáng)導(dǎo)電性的鹽份組成，使用抗腐蝕性能好的降阻劑包裹接地網(wǎng)，一方面使其能有效降低接地網(wǎng)的接地電阻，另一方面又減緩對接地網(wǎng)的腐蝕。但是如果降阻劑選用不當(dāng)，仍然會(huì)加劇腐蝕反應(yīng)。3.3采用涂覆層涂覆層是防止金屬腐蝕最常用的一種手段。由于接地網(wǎng)主要起泄流作用，變電站接地網(wǎng)的接地電阻值要求極低，因此接地材料不能采用絕緣涂層，這就使該方法受到了一定限制。另外這種方法由于對導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能和理化性能要求高，并且施工困難，難以在大規(guī)模的新建接地網(wǎng)上應(yīng)用；對于使用多年的老接地網(wǎng)使用

9、導(dǎo)電涂料防腐蝕，更是價(jià)格昂貴，施工困難，而且導(dǎo)電涂料的使用壽命有限；除此之外，一旦涂覆層有針孔、破損等缺陷，還會(huì)發(fā)生大陰極小陽極現(xiàn)象，使地網(wǎng)遭到嚴(yán)重的局部腐蝕，造成地網(wǎng)穿孔或斷裂。因此，在較強(qiáng)的腐蝕性土壤中，涂覆層很難使接地網(wǎng)得到長期有效的保護(hù)。3.4選用銅材選用銅材做接地網(wǎng)，其耐腐蝕性能雖然比碳鋼好，但投資較高，而且還會(huì)給與之相連的其他金屬帶來嚴(yán)重的電偶腐蝕。3.5采用電化學(xué)保護(hù)法電化學(xué)保護(hù)技術(shù)是控制和減緩接地網(wǎng)金屬腐蝕的極有效而又很經(jīng)濟(jì)、省事的方法。電化學(xué)保護(hù)法有許多種，陰極保護(hù)是最常見的電化學(xué)保護(hù)方法。陰極保護(hù)技術(shù)是國際上公認(rèn)的防蝕技術(shù)，它發(fā)明于1824年，直到上世紀(jì)30年代才開始應(yīng)用，

10、至今已有一百多年的歷史，其應(yīng)用涉及到地下、水中及化工介質(zhì)中的管道、容器、港口碼頭、船舶、電纜金屬護(hù)套、混凝土構(gòu)筑物和化工設(shè)備等諸多方面。我國是從1958年開始研究陰極保護(hù)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的，但在變電站接地網(wǎng)上的開發(fā)研究時(shí)間并不長。根據(jù)外部提供陰極電流的方式不同，陰極保護(hù)方法可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種。一是犧牲陽極法陰極保護(hù)，犧牲陽極法是用一種更活潑的金屬或合金與被保護(hù)的金屬連接在一起，靠該合金不斷地腐蝕溶解產(chǎn)生的電流來保護(hù)被保護(hù)的金屬。可用作犧牲陽極的材料有鋅合金、鎂合金、鋁合金等。二是外加電流法陰極保護(hù)，外加電流法陰極保護(hù)防蝕技術(shù)是依靠外部的自動(dòng)控制直流恒電位/恒電流電源向接地網(wǎng)提供陰極保

11、護(hù)電流的方法。它通過埋設(shè)于地下的輔助陽極向作為陰極的接地網(wǎng)金屬輸送所需的保護(hù)電流；以一個(gè)參比電極所測得的接地網(wǎng)電化學(xué)電位來控制保護(hù)電流的大小。4龍鳳壩變電站接地網(wǎng)保護(hù)方案4.1變電所基本情況概述恩施州電力總公司龍鳳壩220kV變電站位于恩施市東郊8km的丘陵地帶。于2002年1月完成一期建設(shè)，2005年12月二期建設(shè)竣工。接地網(wǎng)地域面積約為24 394m2。建站時(shí)所用接地網(wǎng)材料為63×6mm的普通扁鋼及50×50×5普通角鋼。龍鳳壩變電所投運(yùn)7年，土壤中的部分接地網(wǎng)的銹蝕已很嚴(yán)重。因此有必要采取有效防銹保護(hù)措施。龍鳳壩變電所土壤理化性能見表1。土壤中可溶性鹽類電解

12、質(zhì)含量為89119mg/100g土。龍鳳壩變電所土壤pH值平均為7.67，屬中性土壤。根據(jù)表2列出的土壤含鹽量及土壤pH值與土壤腐蝕性的相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)，龍鳳壩變電所土壤具有中等腐蝕性。龍鳳壩變電所設(shè)計(jì)資料提供的采用Wenner四極法測試現(xiàn)場土壤電阻率在150635·m，這表明龍鳳壩變電所不同地域的土壤電阻率均很高，且差別很大，說明土壤的導(dǎo)電性差且很不均勻。這種不均勻因素會(huì)對接地網(wǎng)腐蝕的均勻性產(chǎn)生較大影響，接地網(wǎng)有的部位腐蝕會(huì)非常嚴(yán)重，并且呈現(xiàn)明顯的局部腐蝕形態(tài)。4.2變電所接地網(wǎng)陰極保護(hù)防蝕技術(shù)方案陰極保護(hù)技術(shù)是控制和減緩接地網(wǎng)金屬腐蝕的極有效而又很經(jīng)濟(jì)、省事的方法，它是基于金屬腐蝕的

13、電化學(xué)理論，由外部向地下腐蝕的接地網(wǎng)金屬材料提供陰極直流電流的方法，使金屬電位降低（陰極極化），從根本上降低金屬的腐蝕傾向和腐蝕速率，達(dá)到抑制接地網(wǎng)金屬碳鋼材料的土壤腐蝕的效果。圖1中Ea和Ec是金屬表面陽極和陰極的開路電位。金屬腐蝕時(shí)由于極化作用，陽極和陰極區(qū)的電位都接近于圖上的S點(diǎn)所對應(yīng)的電位Ecorr，這時(shí)金屬以腐蝕電流Icorr相應(yīng)的速率腐蝕。如果從外部把陰極電流輸入接地網(wǎng)系統(tǒng)，使金屬進(jìn)行陰極極化，此時(shí)電位從Ecorr向負(fù)的方向變動(dòng)，當(dāng)金屬電位極化到E1，這是所需的極化電流為I1，相當(dāng)于圖上的AC段。相當(dāng)于BC線段部分的I是外部提供的電流，而AB線段這部分電流乃是金屬陽極腐蝕過程中所產(chǎn)

14、生的電流，這表明金屬被陰極極化到E1電位時(shí)，金屬的腐蝕還未停止，陰極保護(hù)尚未達(dá)到完全。但被保護(hù)的金屬本身的腐蝕（溶解）速率已大大降低。為了達(dá)到完全的陰極保護(hù)，必須使整個(gè)金屬的電位陰極極化降低到最活潑的陽極區(qū)的開路電位Ea，此時(shí)被保護(hù)金屬的腐蝕速率就為零，這時(shí)加的電流Iappl即為達(dá)到完全保護(hù)所需的電流，相應(yīng)的電位Ea稱為最小保護(hù)電位。實(shí)際上，根據(jù)金屬腐蝕電極過程動(dòng)力學(xué)原理及碳鋼在土壤中的實(shí)測極化曲線及實(shí)際應(yīng)用情況可知，當(dāng)陰極極化使碳鋼的腐蝕電位比它的起始電位低0.1V以上時(shí)，碳鋼在土壤中的腐蝕速率已有明顯的下降。因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，接地網(wǎng)金屬的電位并不需要陰極極化到最小保護(hù)電位值，而是只需將電位

15、下降例如0.1V以上就有明顯的保護(hù)效果，減緩金屬的腐蝕達(dá)到滿足接地網(wǎng)防蝕的要求。根據(jù)外部提供陰極電流的方式的不同，陰極保護(hù)方法可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種。前者是用一種更活潑的金屬或合金與被保護(hù)的金屬連接在一起，靠該合金不斷地腐蝕溶解產(chǎn)生的電流來保護(hù)被保護(hù)的金屬?？捎米鳡奚枠O的材料有鋅合金、鎂合金、鋁合金等。這種方法不需要外部電源，但是在土壤電阻率大的情況下輸出電流有限，無法滿足保護(hù)所需的電流要求，且電流不能或難以調(diào)節(jié)。采用時(shí)需要在變電站現(xiàn)場埋設(shè)數(shù)量很多的犧牲陽極塊。犧牲陽極塊的設(shè)計(jì)壽命有限，需定期更換。外加電流法陰極保護(hù)是依靠外部的直流恒電位/恒電流電源向接地網(wǎng)提供陰極保護(hù)電流的方法。它通過埋于地下的輔助陽極向作為陰極的接地網(wǎng)輸送所需的保護(hù)電流；以參比電極所測得的接地網(wǎng)電化學(xué)電位來控制電流的大小。此種方法可輸出的電流大且可調(diào)，電位可以人為設(shè)定，且自動(dòng)跟蹤控制，使用壽命可長達(dá)2030年。因而適于在面積大的接地網(wǎng)上采用。但在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上要考慮全面、小心，接地網(wǎng)用外加電流進(jìn)行保護(hù)。龍鳳壩變電所的土壤電阻率很大，達(dá)到150635·m，因此龍鳳壩變電所接地網(wǎng)電化學(xué)技術(shù)防蝕保護(hù)采用外加電流型陰極保護(hù)方式。5結(jié)語本文介紹了接地網(wǎng)的