(WORD)-淺談銅質(zhì)接地網(wǎng)-變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)(改)

淺談銅質(zhì)接地網(wǎng)--變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)(改)

淺談銅質(zhì)接地網(wǎng)——

在變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張德娟

（鹽城電力設(shè)計(jì)院有限公司）

2010年10月鹽城

淺談銅質(zhì)接地網(wǎng)——

在變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張德娟

（鹽城電力設(shè)計(jì)院有限公司）

[摘要]：隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)短路容量越來越大，對接地的要求也越來越高。長期、可靠、穩(wěn)定的接地系統(tǒng)，是維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、保證設(shè)備和人員安全的根本保障，而選擇品質(zhì)好的接地材料和可靠的連接是保障接地系統(tǒng)長期安全可靠的重要因素。

[主題詞]：變電所銅質(zhì)接地網(wǎng)鋼質(zhì)接地網(wǎng)

長期以來，我國選用鍍鋅扁鋼作為接地材料。這是因?yàn)榻夥懦跗?，我國變電站的?guī)模很小，由于經(jīng)濟(jì)和資源的原因，普遍采用鋼質(zhì)材料作為變電站的接地(體)極的材料，這種做法一直沿用到現(xiàn)在。上世紀(jì)八十年代末，全國各地相繼出現(xiàn)了一些在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，因接地網(wǎng)原因，造成變電站高壓串入控制室，燒毀控制室和保護(hù)盤柜的重大停電事故。根據(jù)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)資料，運(yùn)行10年以上的變電所鋼接地網(wǎng)均有不同程度的腐蝕，20年以上的更為嚴(yán)重。根據(jù)接地網(wǎng)事故的統(tǒng)計(jì)分析，地網(wǎng)腐蝕，接地體在故障時燒斷是引發(fā)接地網(wǎng)事故的重要因素之一。為防止該類事故的發(fā)生，各地除加大接地體及接地引下線的截面外，還制定了相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)措施，如導(dǎo)通檢查和開挖檢查，有關(guān)院校開展了檢測接地體腐蝕程度的分析研究。原國家電力公司“25項(xiàng)反措”對此給予了高度重視，并制訂了一系列反措，同時也提出：接地裝臵腐蝕比較嚴(yán)重的樞紐變電所宜采用銅質(zhì)材料的接地網(wǎng)。

一、變電站接地系統(tǒng)采用銅接地的理由

-1-

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)容量需求越來越大,短路電流也就越來越大;目前智能化的二次控制系統(tǒng)運(yùn)用越來越廣泛敏感性較高,相應(yīng)對接地電阻接地系統(tǒng)散流接地系統(tǒng)熱穩(wěn)定等要求也越來越高.而銅質(zhì)材料導(dǎo)電能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、散熱好，用于接地系統(tǒng)對這些性能將有很大的提高。

2、當(dāng)前中國土地費(fèi)用不斷升高,尤其是GIS的應(yīng)用使變電站占地面積減小到原來的20%到40%,,從水平接地電阻計(jì)算公式R1=ρ*π1/2/4*S?可看出,水平接地電阻增加到1.4到2.3倍,以水平為主的接地系統(tǒng)滿足不了要求.從垂直接地電阻公式R2=ρ(Ln(8L/D)-1)/2πL可看出,增加垂直接地極深度可有效解決這一問題.但角鋼由于截面較大,很難打得很深,但銅鍍鋼接地棒最大可深入35米以上，可有效的降低接地電阻。

3、隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,對供電可靠性要求越來越高。系統(tǒng)接地的可靠性和運(yùn)行壽命是供電可靠的重要因素，由于銅質(zhì)材料具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，耐腐蝕，一般以銅為主的接地系統(tǒng)壽命基本可達(dá)到40年以上，從而可大大減少其運(yùn)行維護(hù)，減少停電次數(shù)，提高供電可靠性。

4、目前我國電力系統(tǒng)接地材料還大多采用鍍鋅鋼，而其的耐腐蝕性較差,鋅層在不斷腐蝕中,鍍鋅鋼接地性能不穩(wěn)定,只可用于設(shè)計(jì)10年壽命的接地系統(tǒng)。因此相關(guān)規(guī)程規(guī)定了嚴(yán)格的檢查、試驗(yàn)項(xiàng)目。如<<電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程>>要求鋼接地每6年進(jìn)行1次接地電阻測試,每8年開挖檢查一次，這樣在人工成本不斷提高的當(dāng)今，導(dǎo)致接地系統(tǒng)改造施工費(fèi)用增加，材料還需更換。同時對市中心和室內(nèi)站的開挖檢查也不太可能。銅質(zhì)材料接地因其耐腐蝕，壽命長，則運(yùn)行維護(hù)工作量大大減少，大大降低總成本，從而銅接地系統(tǒng)越來越被國際同行所接受。中國加入WTO以后,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,外匯儲備不斷增加,進(jìn)口銅越來越方便.同時銅鍍鋼接地棒用銅量很少，性價(jià)比油然而見。目前在全球50%變電站采用銅鍍鋼接地棒,其中包括很多經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)如：非洲蘇丹,乍得,亞洲緬甸,柬埔寨,南美的海地等國家。

-2-

二、銅與鋼接地比較

(一).腐蝕性比較

1.銅材耐腐蝕性能是鋼材的十倍以上,是鍍鋅鋼的三倍以上.銅

的表面會產(chǎn)生附著性較強(qiáng)的氧化物(銅綠Cu(OH)2),對內(nèi)部的銅有很

好的保護(hù)作用,阻斷了進(jìn)一步腐蝕的形成.

2.鋼材含有很多的雜質(zhì),除Fe以外,還含有C,S和P等.所以

在“微電池”和“宏電池”效應(yīng)下,鋼材是向內(nèi)逐層腐蝕.鍍鋅鋼有一

定的防腐能力,但降低了導(dǎo)電性能和泄流速度,這對高頻故障電流尤

其明顯.

3.鋼接地系統(tǒng)壽命往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,一般在10年左右.如

天津電力公司調(diào)查表明,天津地區(qū)鋼接地系統(tǒng)年腐蝕率為

1mm/a.220kV變電站接地壽命僅為5年.而銅接地壽命可達(dá)到40年以

上.

4.由于鋅層在不斷腐蝕中,鍍鋅鋼接地性能不穩(wěn)定,因此相關(guān)規(guī)

程規(guī)定了嚴(yán)格的檢查,試驗(yàn)項(xiàng)目.如<<電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程>>要

求鋼接地每6年進(jìn)行1次接地電阻測試,每8年開挖檢查一次.對市中

心和室內(nèi)站不太可能.銅接地則運(yùn)行維護(hù)工作量大大減少.

(二).安全性比較

1.銅接地的接觸電勢和跨步電壓相對較小,人身更安全.銅材相

對磁導(dǎo)率為1,鋼材為636,接地系統(tǒng)的電位差隨著相對磁導(dǎo)率的增大

而增大.

2.銅抗腐蝕能力高,鋼容易腐蝕.一旦發(fā)生接地系統(tǒng)事故,就會

造成地電位升高而出現(xiàn)“反擊”現(xiàn)象,很快摧毀電網(wǎng)中的直流,保護(hù),

通信,低壓線路等二次設(shè)備和低壓系統(tǒng),接著造成事故擴(kuò)大,造成變壓

器,發(fā)電機(jī)等重要設(shè)備損壞.

3.銅接地系統(tǒng)地網(wǎng)均衡,泄流速度快,能減少“反擊”等事故發(fā)

生概率.

(三).電氣性能比較

考慮到電阻,腐蝕和連接等因素的影響,其電氣性能比較如下.

1.根據(jù)熱穩(wěn)定條件,避免接地線,接地體熔化,銅材和鋼材截面

積之比為3:1.

2.根據(jù)導(dǎo)電電阻一致條件,則銅材與鋼材的截面積之比為8:1.

3.根據(jù)集膚效應(yīng),銅材泄流能力是鋼材的4倍.

因此,綜合各種因素比較,銅與鋼兩種接地材料的等效截面積之

比為1:6以下.

三、目前變電站接地系統(tǒng)存在的問題

1、接地體或接地引下線截面偏小

接地體或接地引下線截面積偏小，焊接口長度不足或不牢固，

造成動、熱穩(wěn)定容量不足。部分變電站接地網(wǎng)的地中水平連接線截面

亦存在偏小現(xiàn)象。水平接地連接線截面的選擇不僅應(yīng)考慮熱穩(wěn)定，還

應(yīng)考慮銹蝕和對二次電纜的保護(hù)。

2、利用設(shè)備構(gòu)架基礎(chǔ)的鋼筋作為接地引下線

工程施工過程中鋼筋焊接不良和存在個別漏接地現(xiàn)象。由于這

種接地引線非常隱蔽，運(yùn)行中不易發(fā)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時，鄰

近故障點(diǎn)的操作箱、端子箱被故障點(diǎn)的高電位擊穿燒壞，保護(hù)拒動，

損壞主設(shè)備或擴(kuò)大事故，類似這種情況在廣東省就曾出現(xiàn)過。

3、接地引線與主地網(wǎng)中干線截面配合不合理

在很多接地網(wǎng)設(shè)計(jì)或施工中，接地引線截面積小于主地網(wǎng)干線

截面積，這是不安全的，因較小截面積的引線承受全部故障電流，易

燒斷，造成事故擴(kuò)大，成了接地網(wǎng)中的薄弱點(diǎn)。

4、忽視了接地網(wǎng)的防腐蝕問題

由于和土壤直接接觸，地下接地體、接地線(尤其是焊接口)的

腐蝕和銹蝕嚴(yán)重。接地裝臵腐蝕使有效截面積逐年減小，當(dāng)接地故障

發(fā)生時，故障電流將這些薄弱點(diǎn)燒斷而擴(kuò)大事故。廣東省電力試驗(yàn)研

究所統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，對運(yùn)行10年及以上的130個35—220kV變電站

的接地網(wǎng)進(jìn)行挖土檢查，發(fā)現(xiàn)61個接地網(wǎng)均有不同程度的腐蝕，尤

其是運(yùn)行20年以上的接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，近20個變電站的接地網(wǎng)鋼材

腐蝕達(dá)到甚至超過了50％。

5、重要設(shè)備未按要求使用兩根或兩根以上接地線

一些重要設(shè)備(包括主控室、變壓器開關(guān)等)未能按要求使用兩

根或以上的接地線分別焊于干線上。

6、忽視了地網(wǎng)的電位均衡問題

在接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括設(shè)計(jì)規(guī)程)中，主要是考慮如何降低接地

電阻，減少接地電壓和跨步電壓對人身的傷害；而實(shí)際上，由于地網(wǎng)

內(nèi)的電流密度分布不同、土壤電阻率不等、設(shè)備(包括主控室設(shè)備)

引下地線過長等原因，在地網(wǎng)內(nèi)存在著局部電位差，即接地網(wǎng)各點(diǎn)不

能視為等電位。有關(guān)的均衡實(shí)驗(yàn)表明，接地故障點(diǎn)的電位比地網(wǎng)邊緣

的電位要高。隨著系統(tǒng)容量增大，故障電流相應(yīng)增大，故障點(diǎn)與主地

網(wǎng)的電位差將因此而增高，甚至可達(dá)數(shù)千伏，這對于二次回路、直流

系統(tǒng)產(chǎn)生危害。因此應(yīng)使主控室地電位與易發(fā)生故障的變電設(shè)備的電

位盡量保持均衡。

四、銅質(zhì)接地網(wǎng)在變電所應(yīng)用實(shí)例：

近年銅質(zhì)接地網(wǎng)在本地區(qū)逐步開始使用，如下110kV變電所

（GIS）的設(shè)計(jì)圖即為一應(yīng)用實(shí)例：

（設(shè)計(jì)圖見附件）

在此變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中主要依據(jù)了《江蘇省電力公司變電所

銅質(zhì)接地網(wǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》。體會很深，受業(yè)也非淺。在進(jìn)行變電所接地

網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工中還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1、一般情況下，GIS裝臵只需要常規(guī)變電所設(shè)備所占土地面積

的10－25％。GIS外部發(fā)生故障時，人觸摸GIS的金屬外殼會產(chǎn)生兩

種接觸電壓。

手－腳的接觸電壓應(yīng)滿足：其中：

'Et2Etomax2Etouch

Et－接地網(wǎng)最大接觸電壓，由人腳下的點(diǎn)所決定

'Etomax－GIS外殼上和外殼之間或這些外殼和任何水平或垂直支架

之間金屬到金屬電壓差（主要是感應(yīng)產(chǎn)生的）的最大值。

2、由于GIS的緊湊特性，其絕緣氣體中發(fā)生電擊穿時產(chǎn)生的高

頻暫態(tài)電壓（電流）會耦合到接地系統(tǒng)，這些暫態(tài)電壓（電流）可能

引起短時間、高幅值的地電位升高。

3、因?yàn)镚IS站的占地面積小，在總體接地設(shè)計(jì)中都必須考慮這

些暫態(tài)電壓（電流），GIS裝臵下應(yīng)有接地網(wǎng)，接地網(wǎng)的網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)

加密（推薦比常規(guī)網(wǎng)格加密1倍），GIS四周的環(huán)形接地網(wǎng)增加相應(yīng)

的垂直接地極。

4、GIS的外殼應(yīng)連接并多點(diǎn)接地，每個金屬支架都應(yīng)接地。每

根接地引下線到GIS接地端子之間的連線盡量短。必要時，還可以使

用與GIS裝臵對應(yīng)點(diǎn)連接良好的接地的導(dǎo)電平臺（接地板）。

5、GIS外殼與支架之間應(yīng)直接連接。GIS的外殼應(yīng)連接并多點(diǎn)

接地時，每根引下線應(yīng)直接連接到接地網(wǎng)上，其截面可按最大短路電

流的70％進(jìn)行選擇。

6、GIS使用板式基礎(chǔ)時，宜將基礎(chǔ)的鋼筋網(wǎng)連通(焊接點(diǎn)之間的

距離一般不超過10m)并盡可能多點(diǎn)與公共接地母線（主接地母線）

相連，（前提是GIS地基內(nèi)的加強(qiáng)鋼筋和其他金屬都不會由于局部過

熱而損壞基礎(chǔ)）。

7、GIS站的主接地網(wǎng)的周邊應(yīng)裝有一定長度的垂直接地極，垂直

接地極之間的距離一般不小于兩倍垂直接地極的長度。應(yīng)校核接地網(wǎng)

邊緣和圍墻或公共馬路處的跨步電勢。變電所所在地土壤電阻率較高

時，緊靠圍墻外的人行馬路推薦使用瀝青路面。

此次應(yīng)用為本地區(qū)變電站建設(shè)中首例使用銅質(zhì)接地網(wǎng)，也為今后

電力系統(tǒng)銅接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)和施工提供了一定的借鑒作用。

五、結(jié)論

銅接地網(wǎng)施工方便。由于銅導(dǎo)線柔韌性比鋼好，允許的彎度半徑小，所以拐彎方便，穿管容易，能成卷供貨，便于機(jī)械化施工，可加快工程進(jìn)度。當(dāng)然，由于銅材的造價(jià)要高于鋼材的造價(jià)，采用銅接地網(wǎng)設(shè)計(jì)后，往往增加了變電站的工程投資。但與鋼接地體相比，銅接地體具有導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性能好和耐腐蝕能力強(qiáng)、施工方便、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可加快工程進(jìn)度，投運(yùn)后減少檢驗(yàn)維護(hù)工作量，并對土壤無污染。通過對220千伏、110千伏變電站銅、鋼質(zhì)接地網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用、壽命期的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行綜合比較分析可以發(fā)現(xiàn)，