（电气工程专业论文）电力系统发电厂一次接地研究.pdf

摘要 本文对电力系统发电厂一次接地进行了研究，主要内容分三个方面：接地网的性畿分析，单芯 高压电缆接地，变压器中性点接地良好的接地网及正确的接地方式，对发电厂的安全运行起着 十分重要的作用。具体内容如下： i 研究了铜接地网和镀锌扁铁接地网经济技术的差异：接地材料的选择，接地体连接方式， 网内电位差，接触电压，跨步电压，网格电压，接地网故障原因，接地网的反事故措施，接地两 的安全性能，雷电冲击特性，接地电阻等方面进行了分析，并用s t di e e e - 2 0 0 0 程序来校对接地同 的一些参数 2 通过对单芯高压电缆金属护层感应电压和环形电流的研究，提出了单芯高压电缆的接地方 式及各种接地方式的适用情况 3 对变压器中性点接地的常用方式进行了综合评价；推导出单相接地故障非故障相工频电压 和单相接地故障电流，由此阐述了电压与电流的互换特性，分析了接地程度系数与中性点接地方 式的关系，并提出了不同接地方式的适用范围进行。 关键词：接地网同内电位差 网格电压安全性能 护套感应电压中性点接地 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sm a d eo f t h r e ep a l i s ：t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f t h em a i np o u n d i n gg r i d s t h e g r o u n d i n go f t h es i n g l ec o r eh i g hv o l t a g ep o w e rc a b l e , t h eg r o u n d i n go f t h en e l l f f a ip o i l l to f t r a n s f o r m e r , f i r s t l y , t h ep a p e rc o m p a r e st h ed i f f e r e n c eo f1 a 礓cc o p p e ra n ds t e e | m a t e r i a lg r o u n d i n gg r i d s ：t h e c h o i c eo ft h e g r o u n d i n gm a t e r i a l ，c o n n e c t i n gm e t h o d , p o t e n t i a ld i f f e r e n c ew i t h i ng r o u n d i n gg r i d s ， t o u c h v o l t a g e , s t e pv o l t a g e , g r i d d i n gv o l t a g e , t h eg r o u n d i n g 蜘d sf a u l t , p e r f o r m a n c eo f s a f e t y , g r o u n d i n gr e s i s t a n c e s t di e e e - 2 0 0 0i su s e dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e ro fg r o n n d i n g 鲥d s s e c o n d l y , b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gv o l t a g ea n dc m r e n to fm e t a ls h e a t hi n d u c t i o no f t h es i n g l e c o r eh i g hv o l t a g ep o w e rc a b l e , t h ep a p e rs u m m a r i e st h eg r o u n d i n gm e t h o do ft h es i n g l ec o r eh i g h f i n a l l y , w ea p p r a i s et h eg r o u n d i n gm e t h o d so f n o n t r a ip o i n to f t r a n s f o r m e ra n dd e t r u d et h ev o l t a g e a n dc u l t e l l gu n d e rt h es i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l lo nt h e s eb a s e s , w e a n a l y s e t h er e l a t i o no f v o l t a g ea n dc t , w r e i i ga n dt h er e l a t i o no ft h eg r o u n d i n gc o e f f i c i e n ta n dt h eg r o u n d i n gm e t h o do ft h e k e yw o r d s ：g r o m 蛳gg r i d sp o t e n t i a ld i f f e r e n c ew i t h i ng r o u n d i n gg r i d sg f i d d i n gv o l t a g e p e r f o r m a n c e o f s a f e t yv o l t a g e o f m e t a ls h e a t h i n d u c t i o nt h e g r o u n d i n g o f n e u t r a l p o i n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名： 垒! 兰导师签名： 一7y 日期： 由彩1 1 t ，1 东南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 接地网在发电厂安全运行中起着十分重要的作用，它不仅为发电厂内各种电气设备 提供一个公共的参考地，在系统故障时还能迅速排泄故障电流并降低发电厂的地电位升， 因而接地网接地性能的优劣直接关系到厂内工作人员的人身安全和各种电气设备的安全 及正常运行。在我国，一方面随着电力工业的发展，接地网在运行中出现的安全问题越 来越多，另一方面接地网设计仍然使用传统的方法，从而造成接地网设计与实际安全运 行的矛盾非常突出，迫切需要提出新的更为有效的接地网安全性设计方法。 1 1 电厂接地网存在的问题 接地网是变电站安全运行的重要保证，其接地性能一直受到设计和生产运行部门的 重视。近年来，随着超高压输电线路的建设以及城市电网改造的大规模进行，在我国变 电站设计和运行中，接地网的安全问题越来越突出 1 1 1 变电站接地网在运行中存在的问题 影响变电站接地网安全问题的因素是多方面的，既有站内的因素也有站外的因素。 这些安全问题不仅包括传统的接地阻抗、地表电位分布、跨步电压和接触电压等老问题， 更有不断出现的更加复杂的新问题。首先，超高压大容量是现代变电站发展的一大特点。 由于这些变电站的电气设备多且占地面积大，因而其接地网的占地面积远远大于普通变 电站接地网的占地面积，这时接地网网格导体的纵向阻抗对接地网的作用越来越明显， 从而造成故障时接地同上的电位分布不均匀。在我国，接地网的接地材料普遍选用扁钢， 钢与铜相比其磁导率大、电导率小，导致接地体上的纵向阻抗加大，从而加剧了故障时 接地网上电位分布的不均匀现象，与设计所期望的等电位分布产生了明显的差别，致使 变电站接地网存在较大的安全隐患。这些隐患不仅包括传统的跨步电压和接触电压的升 高，而且包括设备的安全及正常运行。例如，变电站控制楼内的保护和自动化设备多通 过较长的电缆与开关场内的电气设备相连，这些电缆的屏蔽层多在两端接地，由于雷击 或故障时接地网上的电位分布不均匀，不但可能在电缆的屏蔽层中流过很大的电流把电 缆烧毁，而且可能导致保护和自动化设备的各种信号、计量和控制等线缆感应干扰电压 和电流，而这些保护和自动化设备多为含微处理器的微电子系统，其抗干扰能力较差， 较大的干扰电压和电流会导致这些设备发生误动作甚至损坏这些设备川 其次，随着我国城市的发展，其用电量也在曰益增长，需要建设大容量的市内变电 站来满足这些集中的用电需求。由于城市的地价比较昂贵，这些变电站通常容量较大但 占地面积较小，而且周围存在很多建筑物、金属管线和公共活动空间。由于接地网占地 面积较小，其接地阻抗及地电位升有可能很高，这不仅对站内电气设备不利，而且由于 变电站附近的跨步电压较高，有可能危及站外的人身安全。又由于金属管线可将很远的 低电位引入到变电站附近，故障发生时，一方面变电站周围金属管线附近跨步电压较高， 另一方面金属管线与周围土壤的电位差也较大，这不仅可能击穿埋设于变电站外其它部 门的缆线的绝缘，而且可能产生很高的接触电压，当建筑物内的人员接触如自来水管这 1 - 电力系统发电厂一次接地研究 些设施时有可能发生危险，并且可能反击连接在邻近接地网上的其它电子设备。 综上可见，我国变电站接地网不仅存在的安全问题多，而且复杂因此，在设计接 地网时应当尽可能多地将可能影响接地网安全性能的因素考虑进来，这无论是对我国电 力工业的进一步发展还是对其它行业的正常运行均有重大意义。 1 1 2 变电站接地网在设计中存在的问题 在我国，接地网设计是依靠设计手册上的经验公式( 包括接地阻抗、跨步电压和接 触电压等) 再结合设计者自身的经验完成的1 2 , 5 j 。这些经验公式是电力工作者多年经验的 总结。有着较高的实用价值，在接地网设计中被广泛使用。它们在设计简单的小面积接 地网时是很有效的，但是，随着电力工业的发展，影响接她网安全性能的因素越来越多， 传统的经验公式由于考虑的因素比较少，适用的范围比较小，在设计复杂条件下大型接 地网时存在明显的缺陷。这些缺陷有： ( 1 ) 设计手册上的经验公式没有考虑土壤的不均匀性。大型接网占地面积非常大，故障 时的故障电流会流向土壤的深层，因而深层土壤对接地阻抗值影响很大。对于绝大部分 发电厂，其所处位置的土壤结构比较复杂，土壤一般不均匀，而传统的经验公式把土壤 视为均匀土壤，因而造成很大的计算误差。 ( 2 ) 设计手册上的经验公式没有考虑接地网上的不等电位分布。对于低电压等级的变电 站，由于接地网面积小，接地网上各处的电位可以近似认为是相等的。而大型变电站接 她冈占地面积大，一般接地网长和宽都上百米，电流经注入点流向接地阿角点所经过的 路径很长。因而接地网网格导体的内阻不能忽略，尤其当按地网材料选用电阻率和磁导 率都较大的钢材时，接地网上不同点的电位值相差更大，即实际接地网为不等电位分布。 传统的经验公式把接地网视为等电位分布，用来设计大型接地网误差较大。 ( 3 ) 设计手册上的经验公式没有考虑电流注入点位置的不同对接地网安全性能的影响。 由于大型接地网为不等电位接地网，电流注入点位置的不同会造成接地网上部地表面两 点间的电位差也不同，从而造成接触电压及跨步电压的不同传统的经验公式所得结果 与电流注入点位置无关，因而不适于设计大型接地网。 ( 4 ) 设计手册上的经验公式只能初步估算变电站内地表电位升的平均值，不能分析变电 站内地表电位升的具体分布，因而无法分析变电站内任意点的接触电压和跨步电压，无 法估计这些点的安全性，不利于全面的接地网安全性设计。 ( 5 ) 当接地网接有其它电气设备并与接地同构成回路时，由于故障时这些电气设备仍然 接在接地网上，它们会与接地网之间产生相互影响，设计手册上的经验公式无法将这些 影响因素考虑在内 ( 6 ) 设计手册上的经验公式不能解决目益受到重视的电力系统电磁兼容问题。设计手册 上的经验公式包含的变电站外界的因素较少，更不能反应对外界的影响，当变电站周围 有建筑物接地网或金属管线时，使用传统的经验公式不仅无法设计出符合要求的接地网， 更无法解决接地网与周围建筑物接地罔或金属管线之问的相互影响问题 另外，还存在如下几个问题： 2 东南大学工程硕士学位论文 总体布置图当作竣工图纸给运行单位，这是不妥的。因为实际旌工中有不少改动和 增减。 总体布置图只画出主干线，一些特殊设备的接地线如何连接，如电缆沟( 要求一米 以外有一主干线，每隔1 0 15 米与地线相连) ，主变中性点接地点( 要求有2 根引下线引 到不同的主干线上) 等与主干线的连接点在何处合理，应当在图上标示出来。 总体布置圈末考虑设备密集区的连接线连接，如升压站的开关、c t 、刀闸都是掉成 一列，可往往中问无上干线，连到远处主干线，耗费材科，又增大了接地引下线的长度， 影响接地效果。旖工中宣临时增加l 一2 条主干线，而照图施工就会带来一定的问题 防雷设施的接地也没有在图上标示只在大概的位置画了几个垂直接地极，而实际 施工中到底往哪一侧布置，还要看附近设备情况，既不能靠近路，也不能太靠近设备， 由于没有图，施工人员往往随意布置而造成不合理，不安全1 4 1 。 总之，在电力工业大发展的时代，我国传统的变电站接地网设计方法已经越来越不 适应复杂条件下大型接地网的安全性设计要求，迫切需要提出新的更加有效的设计方法； 旅工中只有一张总布置图是不行的，对上述这些部位应有分图，并与土建、设备基础的 施工图衔接起来，且要求房屋基础钢筋、设备基础钢筋与地网主干线连通，提高接地效 果 1 2 高压单芯电缆的接地 在国家标准送审稿电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范 ( g b x x x x x - x x x x x ) 代替o b - 5 0 1 6 5 9 2 中对高压单芯电缆的接地方式仍未明确，由于 高压单芯电缆的接地方式不当在行业内仍起的事故的确不少 3 5 k v 以上电压等级的高压干式电缆，大多数采用单芯。单芯电缆的线芯与金属护套 的关系，可看作一个空心变压器。当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链金属护 套。使它的两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成 正比，电缆很长时，护套上每厘米长度上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程 度；在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，金属护套上会形成很高的感 应电压，甚至可能击穿护套绝缘。此时，如果仍将金属护层两端三相互联接地。则金属 护层会出现很大的环流，其值可达线芯的电流的5 0 一9 5 ，形成损耗，使金属护套发热， 这不仅浪费大量电能，而且降低了电缆的载流量，并加速了电缆绝缘老化，因此高压单 芯电缆不应两端接地。短电缆或轻载运行的电缆可以将金属护套两端三相互联接地。然 而，当金属护套有一端不接地后，带来了下列问题：当雷电流或过电压波沿线芯流动时， 金属护套不接地端会出现很高的冲击电压；在系统发生短路时，短路电流流经线芯时， 金属护套不接地端也会出现较高的工频感应电压，在电缆外护套绝缘不能承受这种过电 压作用而损坏时，将导致出现多点接地，形成环流。因此。在采用一端互联接地时，必 须限制护层上的过电压，安装时应根据线路的不同情况，按照经济合理的原则在金属护 层一定位置采用特殊的连接和接地方式，并同时装设护套保护器，以防止电缆护层绝缘 被击穿p j 3 电力系统发电厂一次接地研究 1 3 变压器中性点的接地 变压器中性点接地在不同的时期、不同的地方都有过不同的模式。本文对常用接地 方式进行了综合评价；推导了非故障相工频电压和单相接地故障电流。由此阐述了电压 与电流的互换特性，分析了接地程度系统与中性点接地方式的关系，提出了不同接地方 式的适用范围。 1 4 本文的主要工作 第一章分析了我国发电厂接地网在运行和设计中存在的一些安全问题；同时分析了 高压单芯电缆金属护层正确接地的重要性。 第二章分析了铜接地网和镀锌扁铁接地网经济技术的差异：接地材料的选择，接地 体连接方式，网内电位差，接地网故障原因，接地网的反事故措旌，接地网的安全性能， 雷电冲击特性，接地电阻等方面进行了分析，并用s t d i e e e 2 0 0 0 程序来校对接地网的主 要参数，最后介绍了三个大型工程的接地方案。 第三章通过二个单芯高压电缆金属护层接地案例分析了高压电缆的接地方式，以及 在选择接地方式时应注意的一些理论问题。 第四章变压器中性点接地主要是通过对单相接地故障的分析，来分析各种接地方式 的性能及适用范围。 4 东南大学工程硕士学位论文 第二章接地网性能比较分析 2 1 系统接地概述 美国和西方一些国家分析认为，安全接地的基本问题之一是电位梯度问题。为此， 欲达到安全接地的目的，不能仅仅强调降低接地装置的电阻值问题，同时也要考虑电位 梯度所带来的危险，这是地网设计的新概念。事实上，对中性点采用有效接地系统而言。 在土壤电阻率很高的情况下，要作到接地电阻r d 0 5 t 2 。是非常困难的。事实上也同样 证明，即使到达了这一要求，也未必能保证设备及人身安全。 因此，就安全接地的实际作法而言，一言以蔽之，就是要始终力争平衡下列两个接 地系统的相互作用： ( 1 ) 正常接地系统，它是指埋入大地表面下一定深度的接地体或地网或等电位连接等安 全接地系统。 ( 2 ) 事故接地系统，它是指人们站立或行走在没有接地保护设施地面而触及接地体( 例 如外壳，机座等) 所形成的事故接地系统。在事故接地中，等电位连接安全接地是实现 上述两系统平衡的重要手段因此，在任何情况下，等电位连接是不可缺少的。 合理的地网设计是正确解决电位梯度问题的有效途径。地网的网格电压是影响地网 安全的主要因素。地网的接地电阻( 它决定地网的最大电位升高) 和网格电压( 它是人 站在地网范围内地面上可能遭受到最大接触电压) ，是设计地网的安全判据。 安全接地的设计应包括接地装置、地网网格电压、接触电压、跨步电压、转移电压 的设计计算以及安全接地装置的正确设置等问题。 徽好保护接地装置和工作接地装置的设计是实现安全接地的两个方面工作接地装 置的设计，不仅涉及到电力系统自身的安全运行，而且也同样涉及到人身安全问题。因 此，工作接地装置也应属于安全接地范畴，这一结论的正确性是以中压电网中性点采用 低电阻接地方式或采用谐振接地方式，且工作接地与保护接地分开设置接地装置为前提。 近年来，随着用电负荷性质变化及其电磁兼容性要求，单纯采用保护接地和工作接 地已无法保证用电设备( 或装置) 和人身的安全。在做好前述两接地装置的同时，还应 配合等电位接地连接、屏蔽、保护隔离、合理布线、设置电源过电压保护器、浪涌保护 等等综合措施。只有这样才能保证低压电网中用电设备( 或装置) 的安全和人身安全 2 2 接地材料选择 2 2 1 接地材料和规范 在美国和欧洲国家，是使用铜材作为接地材料的，并有相关的技术标准，如美国的 i e e es t d s 0 大纲，这项技术标准已成为国外电力行业普遍遵循的规范。而我国一直沿用 前苏联等少数国家的做法，使用钢材作为接地材料。当然，接地材料的选择是依照标准 来的，作为我国电力行业的接地标准，文献【3 儿6 】已明确了钢材作接地材料及对其截面积 的要求。我国常规做法与外国不同。目前我国各行业正在大量引进适合中国国情的国际 化标准，已颁布的建筑物电子信息系统防雷技术规范 ( 标准号为g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 ) 和 5 电力系统发电厂一次接地研究 正送建设部报审的电气装置安装工程母线装置施工及验收规范( 标准号现未定) 都明 确提出铜材和连接方式。比起其它行业，发电厂、变电站的接地要求应该是比较严格的。 完善现有的标准，引进国外高科技产品是提高接地技术的根本。为防止接地同事故的发 生，原国家电力公司在2 0 0 0 年发布的防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中 专门提到“在腐蚀性比较严重的枢纽变电所宜采用铜材接地网”，这说明国家开始重视接 地的材料问题。 2 2 2 材料性能比较 与热镀锌钢接地体相比，铜接地体在导电性能、耐腐蚀性和施工便利方面有很大的 优越性i ”。 ( 1 ) 铜接地体导电性能好 铜和钢在2 0 。c 时的电阻率分别是1 7 2 4 x 】0 6 ( n i b m ) 和1 3 8 x 1 0 4 ( o m m ) ，由此可 见铜的导电率是钢的8 倍。铜的熔点为1 0 8 3 。c ，短路时最高允许温度为4 5 0 c ，而钢的 熔点为1 5 l o c ，短路时最高允许温度为4 0 0 。c 。从热稳定性上看，截面相同时，铜材较 好。 ( 2 ) 铜的耐腐性强 铜的表面会产生附着性极强的氧化物( 铜绿) ，对内部的铜起了很好的保护作用，阻 断了腐蚀的形成，对同在地下的其它金属( 钢结构、水管、气管、电缆护套等) ，铜作为 阴极不会受腐蚀，腐蚀的是后者。而钢材是逐层被腐蚀，镀锌层有一定的防腐能力，但 反而降低了导电性能，由于集肤效应对高频故障电流尤为明显。 ( 3 ) 铜接地施工方便 由于铜导线柔性好，允许的弯度半径小。所以拐弯方便，穿管容易。由于铜线的机 械强度高，能成卷供货，便于机械化施工。由于采用放熟焊接，操作方便，加快了施工 进度，节省了人工费用，简化了施工工艺。更重要的是保证了铜接地网的连接质量。 2 3 接地体连接方式及比较 接地网金属导体存在着大量的连接，钢材之间的连接这里不再讨论。铜导体之间以 及铜和扁钢之间如何连接，如不能很好的解决这一问题，将大大制约铜材接地的使用和 发展。目前主要有以下4 种连接方式： 2 3 1 铜银焊连接法 扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之闯、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都 可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接， 内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取 决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出 现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否基于以上原因铜银焊连接法在电力工程 接地系统实际施工中很少应用。 2 3 2 压接线夹连接法 裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接有时使用压接线夹连接法。但这种方法比较适用于 6 东南大学工程硕士学位论文 两条裸铜绞线一对一连接，无法做好十字交叉连接。如要十字交叉，员i j 要求有特殊十字 接线线夹，或者要先形成接地铜排和接地线夹，处理好两者之间的接触面后，再使用螺 栓连接法。 2 3 3 螺栓连接法 扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接还 可用螺栓连接，它是和压接线夹连接法的相互补充。但螺栓连接处的接触标准应按现行 国家标准电气装置工程母线装置施工及验收规范的规定处理。压接线夹法和螺栓连 接法在施工现场应用较为广泛，这和我国的电力施工技术工人的认识和训练程度有着密 切的关系。 2 3 4 放热焊接连接法 ( 1 ) 放热焊接原理： 放热焊接也称为火泥熔接，放熟焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需 时很短( 仅数秒) ，反应所放出的大量热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分 子合成。铜基放热反应的一般公式是： 3 c u o + 2 a l a 1 2 0 3 + 3 c u + 热量( 2 7 3 5 c )( 2 - 1 ) ( 2 ) 放热焊接的作业程序： 将模具清理干净，用喷灯加热模具，以驱除模具内水分： 将导线熔接处清理干净，并用钢丝刷除去接头处镀锡层，喷灯加热，然后把导线放 入熔模内，接头之间应留有2 - 3 r a m 的问隙； 扣紧夹具以固定模具，模具应水平放置，把金属盘放入模具内； 把焊药粉倒入模具内，将引燃剂撒在焊接剂及模具边上； 盖上盖子并用电子打火枪点火，待模具冷却后打开，清除接头熔渣； 用耐高温笔刷清除沾附在模具内的熔渣便可进行下一个焊接 ( 3 ) 放热焊接接头的特性： 外形美观一致； 连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀； 具有较大的散热面积，通电流能力与导体相同； 熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。 放热熔接连接法可以完成各种导线伺不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型 等；还可以完成不同材质导线的连接，如普通钢铁、铜、镀锌钢、铜包钢等之问的连接； 甚至可以实现导体圊不同形状的连接，如锅导线与铜包锅接她棒的连接、锅导线与铜板 的连接、铜导线与接地镀锌钢管的连接、导线与钢筋的连接以及导线与槽钢的连接。这 种方法接头有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好且接触电阻低，已逐步锝到推广应用 ( 4 ) 放热焊接的优点： 焊接方法简单，容易掌握； 无需外接电源或热源； 电力系统发电厂一次接地研究 供焊接用的材料、工具很轻、搬动方便； 焊接速度快捷，节省人工； 从焊口的外观上便能鉴定焊接的质量； 可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢，包括不锈钢及高阻加热热源材料。 ( 5 ) 放热焊接的缺点： 价格贵，基层旌工人员对其特性认识不足。 在国外，放热焊接已通过u l 标准严格论证，并被i e e es t d 8 0 大纲等规程中指定为 接地系统中埋地导体的连接方式在国内，放热焊接技术己通过国家电力公司武汉高压 研究所、浙江电力试验研究所等部门产品质量监督检验中心的检验，并已应用在电力系 统的重点工程，在本次电气装置安装工程母线装置施工及验收规范) 修订中，铜材的 选择及连接方式即放熟焊接已补充到新规范中了 2 3 5 各种连接方式下的接地线最高允许温度和最小面积 ( 1 ) i e e es t d 铜材截面选择 使用了不可靠的连接方式，会使连接头的品质大为降低，接头最高允许温度大大低 于导体本身的最高允许温度，承受电流的能力也大大低于导体本身。表2 1 以接地线为 例列出各种连接头最高允许温度，是从i e e es t d s 0 大纲中的数据，并按1 0 k a 的故障电 流、3 s 的最长持续时间，计算出采用不同连接方式所用铜线的最小截面积( 避免熔化) 见表2 1 。计算采用i e e e 8 0 2 0 0 0 x l s 程序中的使用软铜导体最小截面计算公式( m i n i m u m c o n d u c t o rs i z ec a l c u l a t i o na s s u m i n gs o f td r a w nc o p p e r c o n d u c t o r s ) 运行而得 公式如下： a c = i 5 0 7 1 0 “- 3 ( t c a p t c a r p r ) l n ( k o + t m ) ( k o + t a ) 1 “0 5 ( 2 - 2 ) 其中： a c f f i 导体最小截面积 m m 2 忙故障电流 l o k a t c a p = 热容量系数 3 4 2 2 j c m 一3 c t e l 故障持续时间 3 s a t = 导热系数 o 0 0 3 9 3 ( 2 0 度时) p r = 电阻率 1 7 2 4 p f i m m k o = 0 度时导热率 2 3 4 t m = 最高允许温度1 0 8 3 度 t a = 环境温度4 0 度 3 东南大学工程硕士学位论文 表2 1 各种连接方式下的接地线晟高允许温度和最小截面积 连接方式最高允许温度( o c )铜线的最小截面积( m m 2 ) 铜线本身1 0 8 31 2 l 火泥熔接头1 0 8 31 2 l 铜银焊接头 4 5 01 5 9 压接接头 3 5 01 7 0 螺栓接头 2 5 01 9 5 从表2 1 可以得出：要承受同样的故障电流，接头的连接方式不可靠，接地线需要 的截面积就越大。选择接地线大小尺寸时必须同时考虑其连接方式，对照表2 1 ，若采用 放热焊接( 火泥焊接) ，可节约较多的钢线，它比铜银焊可节省3 1 ，比压缩连接节省 4 4 6 ，比螺栓连接节省6 6 。接地体所能承受的故障电流、需要的材料和连接头品质同 样有上述关系。所以本人在接地装置修订时，建议将放热焊接写入新规范，应有其积极 的意义 ( 2 ) 国内截面选择 根据文献【3 】，国内设计院根据熟稳定条件，未考虑腐蚀时，弓i 下线的最小截面应符 合下式： r & 7 1 1 ；厄 ( 2 3 ) 其中：s s = 接地线的最小截面积 m m 2 。 l | = 流过接地引下线的短路电流稳定值，k a ( 根据系统5 一l o 年发展规划， 按系统最大运行方式确定) c = 接地引下线材料的熟稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度 和短路前接地引下线的初始温度确定 由规程d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地附录c 表c l 查得铜的热稳定系数为 2 1 0 ，同上条件：i g = 1 0 k a ，t e = 3 s ，则铜接地引下线的截面计算如下( 单位：m m 2 ) ： s g 8 2 4 根据电缆厂提供的产品样本，一般选用的铜接地体规格有2 5 r a m 2 、5 0 m m 2 、7 5 r a m 2 、 9 5 r a m 2 、1 2 0 r a m 2 、1 5 0 r a m 2 、1 8 5m m 2 、2 4 0 r a m 2 等多种不同型号的多股裸铜线和铜捧 考虑腐蚀因素。并留有充分的裕度，接地引下线的截面取1 5 0 m m 2 。水平接地网截面 按照交流电气装置的接地( d l t 6 2 卜1 9 9 7 ) 规定，取接地引下线的7 5 ，即水平接地 体截面取1 2 0 m m 2 可见两种方法计算结果相似，显然，a c 公式考虑因素较全面，因为该公式考虑了连 接方式对截面选择的影响。而国内引下线根据热稳定校核时，没考虑接头对接地网可靠 性的影响。 ( 3 ) 钢与铜等效截面积 根据热稳定条件，接地材料的热稳定系数c 由规程d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置 9 电力系统发电厂一次接地研究 的接地附录c 表c l 查得铜的热稳定系数为2 1 0 ，钢取7 0 。那么，理论上，选用钢材 作接地材料时其截面应是选用铜材的3 倍。考虑到电阻、腐蚀和连接等因素的影响，关 于铜材与钢材的截面积关系可归纳如下： ( a ) 根据热稳定条件，避免接地线、接地体熔化，铜材和钢材的截面积比为1 ：3 。 ( b ) 要使接地导体本身电阻相同，则铜材( 电阻率1 7 2 4 “n m m ) 和钢材( 电阻率 1 3 8 1 t q m m ) 的截面积比为l ：8 。 ( c ) 考虑到腐蚀和连接头的影响，钢材截面积还要增大，而铜材可以不考虑此问题。 由以上可得出，选用钢作接地材料，其截面积至少是铜材的6 倍以上，因此铜和钢 两种接地材料的等效面积比可取l ：6 2 4 网内电位差 2 4 1 概述 在电厂中有大量的信号电缓和低压供电电缆，并把电缆两端就近与接地网相连。这 种做法实际上是以接地网等电位为依据的。然而对于大型接地网，当电力系统发生短路 故障时，接地网与两端接于其上的电缆屏蔽层构成回路，故障时将有电流从电缆屏蔽层 流过。如果网内电位差较大，则可能因较大的电流烧毁电缆屏蔽层另外，许多仪器的 接地端都接在接地网上，接地网上不同点之间的电位差可能在不同仪器间形成电流，造 成干扰。所以有必要探讨网内电位差问题接地网性能主要依赖3 个因素：组成接地网 的导体物理特性( 外形、尺寸、材料) 、土壤模型和故障电流的特性。其中，土壤参数随 电厂的位置而几乎固定，故障电流具有随机性难以控制，接地网的材料特性便于控制。 目前欧美各国广泛采用铜材作为接地网材料，目前国内电力系统接地网使用铜材的案例 也很多，如：秦山核电站、连云港核电站、扬州第二发电厂、内蒙古托克托电厂、广东 台山电厂、福建湄洲湾电厂、上海宝钢电厂、广东抽水蓄能电站、北京朝阳门室内变电 站，深圳2 2 0 k v 经销地下变电站等等 2 4 2 接地网的网内电位差 早在上世纪8 0 年代初期，国内开始兴建5 0 0 k v 变电站时，接地网不等电位问题已 得到工程技术人员的高度重视如湖北5 0 0 k v 双河变电站曾在系统调试中进行单相短路 接地试验。试验结果为：当2 4 0 0 a 短路电流由地网中心入地时，地网中心对2 k m 外零位 点的电位升高为2 5 4 v ，对地网边缘的电位升高即网内电位差为1 1 7 v ；当2 8 6 6 7 的短路 电流由地网中心入地时，地网中心对2 k m 外零位点的电位升高为3 0 7 v ，对地网边缘的 电位升高为1 4 0 v 。 2 ，4 。3 影响接地网网内电位差的几个因素 ( i ) 地网大小、导体半径和短路电流入地点的影响 如表2 2 所示，在1 0 0 f l m 的均匀土壤中，接地网孔为1 0 x 1 0 m ，导体电阻率 1 7 x 1 0 7 0 m ，褶对磁导率6 3 6 ，地网埋深0 6 m ，5 0 h z 故障电流由地网中心入地和地网边 角入地时，钢材接地网的网内电位差。表2 2 中a v 为1 k a 入地电流下接地网导体上的 电位最高点( 故障电流入地点) 和接地网导体上的电位最低点( 离故障电流入地点最远 1 0 东南大学工程硕士学位论文 处) 之间的电位差，8 v 为网内电位差占地网上接地点对无穷远处总电位升高的百分数。 在入地电流i 时，若短路电流入地点的接地阻抗为z ，则8 v = a v ( i z ) l o o 由表2 2 可见，随着地网面积加大，地网不等电位问题严重，且短路电流由地网边 角入地时，地网不等电位问题比短路电流由地网中心入地时严重得多，而加大导体半径 是减小网内电位差的有效措施。 表2 21 0 0 d m 的均匀土壤中接地网的网内电位差 注入点半径m面积m 26 v ，v v面积，a 6 v ，a v ，v 中心o 0 l1 0 0 x 1 0 04 o1 8 7 74 0 0 4 0 02 32 9 7 2 边角 o 0 1l o o x l o o1 2 36 3 0 3 4 - 0 0 x 4 0 06 31 1 6 1 1 中心0 0 2 41 0 0 1 0 01 98 6 4 4 0 0 x 4 0 0 1 3 1 5 3 0 边角 0 0 2 41 0 0 1 0 07 0 3 2 4 84 0 0 4 0 05 l7 2 8 9 ( 2 ) 土壤电阻率和均压导体根数的影响 如表2 3 所示，土壤电阻率为2 5 d i n 的均匀土壤中，不同地网大小和不同网孔大小 下，接地网的网内电位差。接地导体半径为0 o l m ，导体电阻率为1 7 x 1 0 4 q m ，相对磁 导率6 3 6 ，地网埋深0 6 m ，入地电流1 k a ，频率为5 0 h z 。表2 3 中的计算结果同表2 2 中的计算结果相比，可见土壤电阻率降低时，接地网的网内电位差占地网上接地点对无 穷远处总电位的百分数加大，但由于地网电位升大为减小，网内电位差变化不大。增加 导体根数时，显著降低网内电位差i s j 。 表2 32 5 r i m 的均匀土壤中接地网的网内电位差 1 0 m 1 0m 网孔2 0 m x 2 0m 网孔 面积m 2注入点 6 v ，v 5 v ，v ，v 中心1 51 8 9 52 43 4 0 6 1 0 0 x 1 0 0 边角4 06 1 1 24 98 7 8 l 中心3 32 3 7 34 43 7 3 l 2 0 0 x 2 0 0 边角 7 2 8 1 6 ， 8 01 15 3 6 中心5 92 8 9 77 4 4 7 7 3 2 0 0 x 2 0 0 边角9 51 0 3 1 7 9 61 3 6 5 t ( 3 ) 铜材和钢材的网内电位差 接地网尺寸为5 0 0 5 0 0 m ，网孔数2 5 x 2 5 ，埋深o 6 m ，导体等效半径o 0 0 9 m ，对均 匀土壤，电阻率取1 0 0 d m 。分别在边角( 0 ，0 ) 和中心( 1 3 ，1 3 ) 注入工频电流l a ，计 算铜材和钢材网内电位差占总电位升高的比例。如表2 4 所示 表2 4 铜材和钢材在边角和中心注入电流时网内电位差( 均匀土壤) - l l 电力系统发电厂一次接地研究 注入点 参数 网内电位差6 v 钢材 6 65 2 4 边角( o o 铜材 1 2 6 3 6 钢材 3 2 6 6 4 中心( 1 3 ，1 3 ) 铜材 1 8 0 8 对于两层土壤，上层土壤的电阻率为2 5 x 2 m ，厚度1 6 m ；下层电阻率为3 6 6 t 2 m ，其 它条件相同，结果见表2 5 。 表2 5 铜材和钢材在边角和中心注入电流时网内电位差( 两层土壤) 注入点参数同内电位差s v 钢材 4 6 ，0 5 0 边角( 0 ，0 ) 锕材5 6 5 8 钢材1 9 2 5 2 中心( 13 ，1 3 ) 铜材 1 2 2 4 对于均匀土壤，无论在接地网边角还是中心注入电流，铜材接地网的网内电位差比 钢材小得很多，在边角注入时，钢材的5 v 6 0 。 对于两层土壤而言，铜材接地网的性能也好于钢材，性能与均匀土壤相似，另外， 对均匀和两层土壤，电流注入位置对网内电位差占接地网总电位升高的比例影响很大 钢材接地网比铜材更敏感。越靠近接地网边角注入电流时，电流全部入地前在导体上流 动的路径越长，感性分量就越大，这样加剧了地网的不等电位。可见，随着相对磁导率 的增大，网内电位差会越来越大。 ( 4 ) 等面积和等钢材用量下网内电位差的优化设计 由上述分析可见，加大导体半径和增加导体均压带根数均可有效地降低接地网的网 内电位差。下面以面积为2 0 0 2 0 0 m 的接地网为例，在钢材用量相同的情况下，以降低 接地网的网内电位差为目的，忽略接地导体埋设过程中的人工费用，探讨导体的优化布 置。如表2 4 所示，在5 0 f 2 m 的均匀土壤中，3 种不同布置方式下接地网的网内电位差。 计算参数为导体电阻率1 7 x 1 0 - 7 q m ，相对磁导率6 3 6 ，地网埋深0 6 m ，入地电流1 k a ， 频率为5 0 h z 由表2 6 可见，在等钢材用量的条件下，均压导体根数越多，网内电位差 越低l ” 表2 6接地网等面积和等钢材用量条件下的网内电位差 两孔2 0 1 1 1 x 2 0m阿孔1 0 m 1 0m网孔5m 5m 注入点 半径0 0 2 m半径0 0 1 4 5 m半径0 0 1 0 4 m 5 v = l6 6 6 v = 1 4 2 5 v = 1 2 5 中心 v = 2 0 6 1v v = 1 7 2 4 v v = 1 4 8 3 v 5 v = 4 6 ，3 5 v = 4 3 5 5 v = 4 1 o 边角 v = 7 2 7 2vv = 6 4 5 l vv = 5 8 4 8 ( 5 ) 结论 东南大学工程硕士学位论文 大型钢材接地网存在较大的网内电位差，其值随地网面积的加大，接地半径的减小 和均压导体根数的减少而增加。短路电流入地点越偏离地网中心，网内电位差就越大 铜接地网比钢接地网在网内电位差方面具有明显的优势。 2 5 接地网故障原因分析 接地网故障原因是多方面的，主要包括施工时的不良焊接或漏焊、土壤中酸碱的腐 蚀、故障大电流的电动力和热效应。 2 5 1 接地网的腐蚀 接地网导体腐蚀是造成接地网故障的最主要因素。导体腐蚀的原因主要有：地网设 计中未充分重视按腐蚀条件合理选择导体的材料及截面积；对接地引下线和地网导体未 采取必要的防腐措旋。因此随着时间的推移，导体有效截面不断减小，不能满足热稳定 和动稳定的要求。当工频接地短路电流或雷电流流经接地网时，可能因发热或电动力导 致接地体或接地引线断裂，引起一次、二次设备事故。 1 9 8 6 年广西合山电厂曾发生一起因刀闸污闪而引起接地线烧断，二次电缆端子掉烧 坏，一台发电机损坏，最后导致全厂停电的重大事故。事故后开挖接地网发现，进入地 中的接地线虽未见腐蚀，但设备引下线( 甲1 2 或平1 4 圆钢) 在地表下几十公分处腐蚀严 重，有的圆钢只乘7 5 r a m 。1 1 0 k v 电缆敷设的电缆支架的水平接地扁铁腐蚀严重，有的 截面减少了i 2 ，有的甚至减少了3 1 4 。因此当接地短路电流流过时，接地导体被烧断， 导致事故的发生。 研究表明。土壤腐蚀不能单独由土壤物理化学性质决定，还与被测材料及两者互相 作用的性质密切相关。 金属在土壤中的腐蚀按其性质属于电化学腐蚀。不同土壤的腐蚀性相差较大，有其 本身的特殊规律，土壤中金属腐蚀一般分为自然腐蚀和电腐蚀两类 2 5 2 土壤电阻率不均匀 设计接地网时，经常使用等值电阻率等效实际复杂的土壤结构以进行接地电阻的估 算，结果往往是设计值与实际测量值相差甚远对较大面积的电厂或变电所，其土壤结 构一般是由多层不同理化特性的土壤组成，要获得准确等值的土壤电阻率，盛须对土壤 的分层电阻率进行测试分析【l 们。从而获得合理的接地网设计结构，为今后变电站特别是 高土壤电阻率区域变电站接地网改造提供依据。 2 5 3 电位分布不均匀 由于接地网电位分布不均匀，造成大电流入地时电位差过大，对电厂( 站) 、变电所 弱绝缘或二次系统的安全构成威胁。1 9 9 9 年，渭河电厂一期的6 k v 水源线电缆因外力破 坏造成单相弧光接地，弧光接地过电压引起厂用变另一相避雷器爆炸并引起接地短路， 形成异相异点接地，短路电流流经接地网时形成电位差，并使该厂多台低压电动机的磁 力接触器线圈损坏，造成i 号机停机事故。江苏省某