浅谈城市电网中变电所接地设计

浅谈城市电网中变电所接地设计
程磊
摘要:对接地电阻的要求进行分析,提出了接地设计中常见的问题及解决措施。
关键词:变电所;接地;浅谈
随着我国经济的飞速发展，工业，农业的电气化程度大幅提高，城市的用电负荷也随之迅猛增长。为保证社会经济发展对电力的需求，城市电网中变电所的数量不断增加，容量也相应扩大，因此接地作为人身和设备安全运行的基础，具有重要意义。以下将对城网中高压变电所接地设计的问题作简要讨论。
1接地装置的设计问题
（i）工程土壤电阻率的测量
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。为提高测量精度,采用《电气工程电气设计手册》中提供的计算平均电阻率的方法,使设计误差值减小。
（ii）接地网布置
根据地网接地电阻的估算公式: R≈0.5ρ/√S
式中: ρ—土壤电阻率(Ω•m);
S—接地网面积(m2);
R—地网接地电阻(Ω)。
地网面积一经确定,其接地电阻也就基本一定。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。
（iii）垂直接地极的作用
在110kV变电所中,一般采用水平接地线为主,附带垂直接地极复合型地网。根据R≈0.5ρ/√S可知,接地网的接地电阻与垂直接地极数关系不大。理论分析和试验证明,面积为30㎡~(100×100) ㎡的水平地网中附加(40×40×5)长2.5m的垂直接地极若干,其接地电阻仅下降2.8%~8%。但是,垂直接地极对冲击散流作用较好,因此,在独立避雷针、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。
（iv）地网均压网的设计
根据设计规程规定,当包括地网外围4根接地线在内的均压带总根数在18根以下时,宜采用长孔接地网,由于110kV变电所占地面积一般不超过(100×100)m2,考虑均压线间屏蔽作用,均压线总根数一般为8根~12根左右,故根据规程规定,一般采用长孔方式布置,但存在以下几个方面的问题。长孔地网均压线与主网连接薄弱,均压线距离较长,发生接地故障时,平均压降较大,易造成二次控制电缆和设备损坏。当某一条均压线断开时,均压带的分流作用明显降低。而方孔地网的均压带纵横交错,当某条均压线断开时,对地网的分流效果影响不大。因此,建议在变电所地网设计时,采用正方孔均压网设计,以提高接地安全性。
（iv）接地网的防腐设计
关于地网材料的选用问题,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一致,但由于其腐蚀机理不完全一致,腐蚀结果基本一致。而且规程中也提供了不同的腐蚀数据。因此,关于接地材料选用扁钢还是圆钢没有很大差别。关于防腐的设计问题,一般应考虑在设计年限内,采用热镀锌材料。
2.6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,新规范中指出这两参数不应超过下列数值:
Ut=(174+0.17ρf)/ √t
Us=(174+0.7ρf)/ √t
式中:Ut—最大允许接触电势(V);
Us—最大允许跨步电势(V);
ρf—人站立处地表面土壤电阻率(Ω•m);
t—接地短路持续时间(s)。
（vi）地网的敷设深度
规程和新规范中明确指出,接地网的埋设深度宜采用0.6m,《设计手册》中又补充到,在冻土地区宜敷设于冻土层以下,现设计中一般将地网全部埋设于冻土层以下。最大接触电势是地网设计中的一个重要参数,地网设计的问题之一就是如何降低地网的最大接触电势。接地网的埋深由零开始增加时,其接触系数是减少的,但埋深超过一定范围后接触系数又开始增大。
目前所遇到的变电所一般都是处于季节性冻土地区。将地网敷设在0.6m深度时,冬季将使地网处于冻土层中。由于土壤冻结后其电阻率将增大为原来的3倍以上,对地网接地电阻有一定的影响。目前采用的地网是以水平接地线为主边缘带有垂直接地极数复合型地网,冬季垂直接地极大部分伸于下层非冻结土壤中。此时土壤结构可以等效为两层电阻率不同的土壤结构。有研究表明,对于处于双层土壤介质中的垂直电极,其各部分的散流密度与周围介质的电阻率成反比,除了在电极尖端处,具有ρiJi=常数(其中Ji为处于电阻率为ρi土壤中的电极部分的散流密度)。此时,当电极有一部分进入下层土壤时,整个电极的散流电阻将主要取决于下层土壤。因此,在季节性冻土地区,采用这种带有垂直接地极复合型地网有很大优点。将地网埋于冻土层以下,对地网的接地电阻来讲肯定有利。
（vii）降阻剂的使用
近年来,降阻剂在电力系统接地工程中得到了广泛的应用,降阻剂的主要作用是降低与地网接触的局部土壤电阻率,换句话说,是降低地网与土壤的接触电阻,而不是降低地网本身的接地电阻。其次,对于大型地网,由于均压带和垂直接地极的存在,屏蔽作用较大,降阻剂的作用一般很小。
变电所地网的设计应结合实际情况进行,在具体工程设计中应重点考虑地网布置,敷设深度,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,接地电阻应按实际的流经地网入地的短路电流计算,降低接地电阻、降低接触电势和跨步电压等都是合格地网要求的主要因素。因此,在保证变电所接地的安全条件下,应综合考虑各种因素,合理地设计接地装置以便于变电所的安全运行和施工。
参考文献:
[1]DL/T 621-1997,交流电气装置接地的规定[S].
[2]DL/T620-1997,交流电气装置的过电压和绝缘配合[S].
[3]电力工程电气设计手册（电气一次部分）.
[4]城市电力网规划设计导则.