（电气工程专业论文）复杂地理环境变电所接地系统的设计与研究.pdf

浙江大学焉士学位论文 x 7 2 2 7 7 5 摘要 在目前国内的变电所接地系统设计中，采用常规水平接地极网加上垂直接地 极的型式最为普遍。这种接地方式对于普通土质均匀的七壤及常规变电所是适用 的，但随着系统短路容量的增大和变电所接地电阻要求值的降低，加上新形势下 变电所的小型化、多样化，所处地理环境日趋复杂化，这种常规接地系统和常规 的接地电阻计算方法已经无法满足接地系统的新要求。 基于以上问题，本文对变电所接地电阻及影响接地网接地电阻的因素进行了 理论分析，列举了降低变电所接地电阻的各种措施，同时进行了不同地理环境刁i 同类型的变电所降低接地电阻措施的优化选择及其在电力系统中的实际应用。 本文通过对温州地区几个不同地理环境的变电所接地系统设计方案的分析 和比较表明，因地制宜地灵活应用各种不同降阻措施或者在一个变电所综合利用 几种不同的降阻措施可以满足不同类型变电所对接地系统的要求，在技术上做到 安全可靠，在经济上做到节省投资，在施工上做到方便快捷，对于电网建设和运 行具有十分重要的意义。 关键词：变电所地理环境接地系统接地电阻设计 浙江大学焉士学位论文 a b s t r a c t i no u rd e s i g no fg r o u n d i n gs y s t e mi ns u b s t a t i o n ，c o m p o u n dg r o u n d i n g n e t w o r ki sa d o p t e dw i d e l yw h i c hi sc o m p o s e do fh o r i z o n t a l g r i d sa n d v e r t i c a lg r o u n d i n gr o d s t h i sm e t h o da p p l yt oe v e ns o l1s t r u c t u r ea n d g e n e r a l s u b s t a t i o n b u tw i t ht h e i n c r e a s i n go fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m s h o r t c i r c u i tc a p a b i i i t y a n d t h er e d u c t i o no fg r o u n d i n gr e s i s t a n c ed e m a n d a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fd i m i n u t i v ea n dv a r i o u ss u b s t a t i o n si nt h en e w s i t u a t i o n ，t h i so r d i n a r yg r o u n d i n gs y s t e ma n dc a l c u l a t i o nm e t h o dc a n t s u itt h en e wd e m a n d b e c a u s eo ft h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ，w ea n a l y s e st h es u b s t a t i o n g r o u n d i n g r e s is t a n c e t h e o r y a n df a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es u h s t a t i o n g r o u n d i n gr e s i s t a n c e t h i sp a p e rf i r s ti i s t ss t e p sw h i c hc a nd e c r e a s et h e g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，t h e nc h o o s e st h eb e s tg r o u n d i n gw a y so fd if f e r e n t s u b s t a ti o n si nd i f f e r e n tg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t s ，l a s ts h o w sd i f f e r e n t g r o u n d i n gw a y sb e i n gp r a c t i c e di n e l e c t t i cp o w e rs y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e ds e v e r a lg r o u n d i n gs y s t e mp r o j e c t si n d i f f e r e n tg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n to fw e n z h o u a d o p t i n gs u i t a b l ea n d d i f f e r e n t w a y s o f d e c r e a s i n gg r o u n d i n gr e s i s t a n c e i nd i f f e r e n t s u b s t a t i o n so ra d o p t i n gc o m p r e h e n s i v ew a y si nt h es a m es u d s t a t i o nc a nm e e t t h ed e m a n d so fd i f f e r e n ts u b s t a t i o ng r o u n d i n gr e s i s t a n c ea n dc a na l s om e e t t h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a ld e m a n d s t h o s ep r a 文i c a la p p li e sh a v ev e r y i m p o r t a n ts i g n i f i e a n c ef o re l e c t r i cn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n ， k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ；g e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t ；g r o u n d i n gs y s t e m ： g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；d e s i g n 2 新扛大学硕士学位论文 第一章绪论 变电所的接地系统非常重要，它必须在正常及事故状态下满足以下2 个主要 目标：将电流泄入大地，使流经接地电阻产生的过电压不超过运行设备容许的 限值：确保人站在接地设施附近免受电气冲击的危险。因此变电所接地系统是 维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措 施。 电力系统发生大电流接地短路故障时，如果接地电阻值比较大，就会造成地 电位异常升高。除了给运行人员人身安全带来威胁外，还可能因反击或电缆外皮 环流使得二次或自动化设备绝缘遭到破坏，轻则导致二次或自动化设备发生误动 或拒动，重则破坏二次或自动化设备而扩大事故，带来巨大的经济损失和社会影 响。调查表明，我国由于接地系统地电位达不到要求所导致的事故或扩大事故范 围的案例不胜枚举。这种事故不仅经济损失巨大，最对生产和生活所造成的社会 损失更加严重。 近几年来，由于我国电力网不断发展壮大，陆续兴建了许多新的电厂，电力 系统装机容量和电网的变电容量迅速增加，单相接地短路电流日益增大，要求变 电所接地电阻值进一步降低。同时，随着国家“两网”改造政策的实施，城网、 农网改造紧锣密鼓的进行，各种不同地理位置、不同地质状况和不同电压等级的 变电所的建设和投产使用也目益增多。而且，由于国民经济的发展和国家土地政 0 策和环保政策的因素，很多新建变电所不再像以前处于良田中，很可能建于山坡 等七壤电阻率较高、地形较复杂的地区。此外，受地价格和城市规划制约，很 多城市中心变电所所有设备都布置一幢多层建筑内，高压采用电缆线路，占地面 积十分狭小，但是入地短路电流却往往非常大。比如温州地区近几年就出现了好 几个采用g i s 组合电器、c o m p a s s 和p a s sm o 敞开式组合电器这些新型设备的 1 l o 千伏小型化变电所。所有这些新情况就使得接地方式的选择和按地网的设计 必然也面临着复杂多变的具体情况。探讨如何既能满足系统短路入地电流要求， 保障人身及设备安全，改善变电所安全性能，同时选择一种或几种能适合具体情 况施工便利、经济实用的接地系统设计方案和降低接地电阻的方法，已成为电力 运行部门非常关心的问题，也是变电所设计中首当其冲的难题之一，具有非常重 囊扛大学臻士学位论文 要的实际意义。 降低接地电阻的关键是采用基于科学设计的有效降阻方法。而围内目前的接 地系统设计还很大程度上处于经验设计阶段，如将一些地形较复杂地区的土壤视 为理想的均匀土壤，通过测量撂到( 有时甚至是估计) 一个等值电阻率，根据简 化公式估算接地电阻，设计时没有充分科学地分析。在些地理环境较复杂的地 区，导致接地系统的设计值往往与施工完成后的测量值相差甚远。这样，不仅使 接地系统参数不符合要求，而且经常会浪费大量财力、物力，延误了1 程的i ：期， 导致变电所不能按时投入运行。很多变电所接地系统投运后没几年接地电阻便不 能达到要求，而需重新进行地网改造。我国近年仅仅由于接地系统设计不合理导 致的改造费用就非常惊人。可见，接地系统设计的科学化不仅仅只考虑提高系统 的安全性，而且也应努力将成本降到最低，杜绝盲目设计带来的无谓经济损失。 本人从事变电所设计近l o 年，在工作中所遇到了多种不同类型接地网设计 和施工。本文试图从研究变电所工程设计实例出发，结合实际施工效果对这些工 程的设计方案加以总结和归纳，并做出技术经济比较，探索和研究变电所接地在 电网中的实用技术。 2 新扛大学曩士学位埝文 第二章变电所接地系统的设计 2 1 电力系统对变电所接地电阻的要求 2 1 1 电力系统韵发麟势 新旧世纪之交，是我国电力事业迅猛发展的时代，“陡i 叫”改造的实施，大 量的输变电工程随之迅速上马。从表2 一l 可以看出，最近几年温州地区的变电容 量均以每年2 0 以上的速度递增，从1 9 9 9 年到2 0 0 2 年l l o k v 变电所的容量竞 翻了一翻。随着电网建设的发展，电网结构曰趋复杂，变电所布点越来越密集， 系统短路容量逐渐增大，对接地的要求越来越高。目前一些大容量的变电所已要 求工频接地电阻小于o _ 3 欧姆乃至更小，而( = 前建设的许多变电所及输电秆塔的 接地装置由于长期锈蚀及系统短路容超增大的原因，己不能满足要求，急需改造。 接地系统对于电力系统设备与人身安全都至关熏要，因此对于变电所接地系统， 应予以高度重视。在选择接地方式对，由于要对安全、经济等诸多因紊均衡考虑， 对接地方式的探讨研究也在不断变化。 袭2 一l温州地区近凡年3 5 k v 2 2 0 k v 变电容量单位：m v a 1 9 9 9 年底2 0 0 0 年底2 0 0 1 年底2 0 0 2 年底2 0 0 3 年底 3 5 k v 变电所9 8 9 1 1 3 3 1 51 1 8 0 11 2 8 6 41 4 9 5 2 1 1 0 k v 变电所 1 4 3 21 7 1 82 2 1 2 52 8 3 5 53 3 3 4 2 2 0 k v 变电所1 5 3 01 5 3 02 1 3 02 6 4 03 3 0 0 2 1 2 对变电所接地一电阻的要求 研究表明，除非电源完全停止供电，否则在任何条件下要完全防止出现危 险性的过电压是不可能的，但这并不意味着工程技术人员可以不尽最大努力去减 少事故发生的概率和减小事故发生后对人身和设备的危害程度。事实证明，在大 多数情况下，精心设计合理有效的接地系统，可以使过电压的危害大大降低。变 电所接地系统的设计的基本目的是确保人身和设备安全，其地网的接地电阻主要 根据工作接地的要求来决定，既要保证在接地故障时，经地网入地的故障电流i 3 ， 斯扛大学焉士学位论文 在地网e 造成的电位升高承不至太大，又应保证人员所受到的跨步电位差和接 触电位差彳；超过所允许的安全值。一般情况下，在一个变电所内不同用途和不同 电压等级的电气装置应使用一个总的接地网，接地电阻值应符合其中最小值的要 求。 根据我国现行电力行业标准d i j f6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地规定， 对于有效接地和低电阻接地系统( 1 1 0 k v 及以上的系统) ，地网接地电阻可按卜 式选择： r 2 0 0 0 ( q ) ( 2 1 ) i 经接地装置流入地中的短路电流周期分量的起始值，该电流按5 1 0 年规划的系统最大运行方式决定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分 配，以及避雷线中分走的接地短路电流； r 为考虑到季节变化的最大接地电阻； 当接地装置的接地电阻不符合上式要求时，可经过技术经济比较增大接地电 阻，但不得大于5q ，还应符合如下要求： a ) 为防止转移电位引起的危害，对可能将地嗣的高电位引向厂、所外或将 低电位引向厂、所内的设施应采取隔离措施。例如：对外的通信设备加隔离变压 器：向厂、所外供电的低压线路采用架空线，其电源中性点不在厂、所内接她， 改在场所外适当的地方接地：通向厂、所外的管道采用绝缘段，铁路轨道分别在 两处加绝缘鱼尾板等等。 b ) 考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂及变电 所内的3 1 0 k v 阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋予的能量。 c ) 设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。 对于不接地、消弧线圈和高电阻接地系统( 6 3 k v 及以下的系统) 中的发电厂、 变电所，由于接地故障允许存在2 小时，故瓜的允许值大为降低。仅对高压电 力设备的接地装置，地网接地电阻应满足： i r 2 5 0 ( ! 1 1 r 2 5 0 ，( q ) 4 ( 2 2 ) 斯江大学疆士学位论文 足 r 为考虑到季节变化的最大接地电阻： i 计算用的接地故障电流； 但不应大于1 0 q 。 对于高压与发电厂、变电所电力生产用低压电力设备共用的接地装置，应满 但不应大于4 q 。 i r 1 2 0 ( v ) r 1 2 0 1 ，( q ) ( 2 3 ) 2 2 变电所接地装置的设计步毂繁期i 做法 2 2 1 变电所接地装置的设计与麓工步 1 ) 根据最大入地电流确定变电所续地电阻的要求值以及接地体的最小热稳 定截面： 2 ) 调研士壤特性，并得出土壤模型； 3 ) 进行接地装置的初步设计： 4 ) 计算接地装置的接地电阻； 5 ) 计算接地网的最大电位升； 6 ) 计算接地网最大跨步电位差与接触电位差； 7 ) 根据5 、6 项的结果对初步设计进行检验与修改，并绘制接地装置旆工图； 8 ) 按照施一e 图进行接地装鼍的施工： 9 ) 施工完毕后对接地装置进行现场测量； 1 0 ) 根据实际测量的结果，检验4 、5 、6 项的计算结果： 1 1 ) 根据第1 0 项的检验结果，如有必要的话，就分别对接地装置、屏蔽与 围栏等附属构筑物进行处理或改进，直至满足要求为止。 2 2 2 工程实际中的常用徽法 在变电所的接地装置方式中，最为常用的方法是采用以水平敷设的人工接地 体为主与垂直人工接地极相配合的复合均压网。在近几年的接地嘲常采用均压带 等间距布置或均压带不等间距布置；考虑到更好的均压效果，为了尽量减小最大 5 新江大学爱士学位论文 接触电位差和最大跨步电位差，在实际中更多地采用方孔不等间距均压网。存理 论j 二，方孔接地网的最佳埋深范围为h = ( 0 2 5 0 5 ) d ( d 为接地网均压带网孔等 效直径) ，较佳埋深范围为h = ( o 1 5 0 ，7 7 ) d ，t ：程上常用埋深一般为o 6 m 0 8 m 。 为避免接地体之间屏蔽效应影响接地效果，水平接地体的间距应不小于垂：区接地 体长度的2 倍；人工接地网的外缘应闭合。外缘各角作成圆弧状，半径不小于均 压带间距的一半，能显著降低接地网外直角处的跨步电位差。当人工接地嘲局部 地带的接触势差、跨步电位差超过规定值，一般采取局部敷设帽檐式均压带，铺 设砾石或沥青高电阻率地面也是行之有效的方法，后者在工程实际中更为简单方 便。3 5 k v 及以上变电所接地网边缘经常有人出入的走道处，应铺设砾石、沥青 路面或在地下装设两条与接地网相连的均压带。 对于3 1 0 k v 变电所、配电所，当采用建筑物的基础作接地极且接地电阻 又满足规定值时，可不设人工接地体。 这种型式的接地装置具有以下优点： 1 ) 当接地装置中的接地电流最大值可能达到非常大时，欲使其接地电阻确 保接地装置的总电位上升幅度在人体接触时不会达到危险值，往往是不可能的。 不过，可通过控制局部电位来消除这种危险。因此，接地网是满足这种要求的最 实用的型式。 2 ) 对任何规模的变电所来说，采用普通单根接地电极是根本无法满足所要 求的导电率与载流量。当把若干单根接地电极相互连接，并与各种接地的构筑物、 构架及电网中性点连接在一起时，其结果必然是一个接地网，与原来的单根接地 电极完全不同。若这样的接地网埋设在导电率良好的土壤中，就构成一个良好的 接地装置。 2 2 3 变电历强地麓量的电位计算 根据我国现行电力行业标准d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地中规定， 当发生接地故障时，接地装置的电位、接触电位差和跨步电位差的计算如下： i ) 接地装置的电位可按下式计算： u g = i r( 2 4 ) 式中：u f 一接地装置的电位，v ； i 计算用最大入地短路电流，a ： 6 蠢_ 匝大学焉士学位论文 r 一一接地装置( 包括人工接地网及与其连接的所有其他自然接地 极) 的接地电阻，q ： m 均压带等间距布置时接地网( 见图2 - 1 ) 地表面的最大接触电位差、跨步 电位差的计算： 皿厶醢 图2 - 1 接地网的形状 接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电 位差，可按下式计算： u a x = k 。u g ( 2 5 ) 式中：u 最大接触电位差，v ； i ( t 。最大接触电位差系数； u 。接地装置的电位。 当接地极埋设深度h = 0 6 0 8 m 时，l ( t 一可按下式计算： k 。= k d k l k 。l ( s ( 2 - 6 ) 式中：、k l 、k n 、k s 系数，对面积为3 0 x 3 0 砰s 5 0 0 5 0 0 m 2 的接地网，可按下式计算： l ( d = o 8 4 1 一o 2 2 5 1 9 d k l = l ，0 ( 方孔接地网) = 1 1 4 如，( 长孔接地网) = o 0 7 6 + 0 7 7 6 n k 。= o 2 3 4 + 0 4 1 4 1 9 1 s 式中：n 均压带计算根数： d 均压带等效直径，m ； l l 、l 2 接地网的长度和宽度，m ； 7 新扛大学曩士学位论文 接地网外地表面最大跨步电位差可按下式 u s n l a x = k s u g ( 2 7 ) 式中：u 。最大跨步电位差，v ； i d 时： r = 畚( 1 n ) ( 3 - j 2 ) 式中：r ，一一一垂直接地极接地电阻，q ； p 土壤电阻率，q 瑚； f 垂直接地极长度，m ； d 圆钢直径，m ( 其它型式钢材为等效直径) ： 根据d l 仃6 2 1 1 9 9 7 标准，垂直式人工接地极工频接地电阻简易计算公式为： r = 0 3 p ( 垂直式为长度3 m 左右的接地极) 3 1 2 3 圈盘或平板电极的接地电阻 图3 4 中为圆盘彤接地电极，埋深h ，等效半径为r ，其近