架空线路杆塔的接地装置(讲稿).ppt

作者简介 李景禄 1955年4月生 河南省确山县人 1982年毕业于华中科技大学高电压技术及设备专业 现为长沙理工大学教授 教授级高级工程师 全国电力系统高电压专业工作网 过电压专家工作组 专家 全国电力系统送电专业运行工作网 专家工作组专家 湖南省安全生产委员会专家 湖南省电机工程学会高压专委委员 有二十年电力系统的实际工作经验 主持开发有ZXB系列自动跟踪补偿消弧装置 GPF 94高效膨润土降阻防腐剂 ZFX 60小电流接地选线装置 jksc低压自动无功补偿装置等六项科研成果 著有 实用电力接地技术 2002年中国电力出版社出版 接地装置的运行与改造 2005年中国水利水电出版社 配电网技术 2006年中国水利水电出版社 在国内外十多家刊物上发表学术论文七十余篇 研究方向为 配电网技术 接地技术 电力系统电磁兼容和电力系统过电压保护与绝缘配合 从1985年起 从事接地装置试验 设计 运行 改造及接地产品开发研制工作 在全国范围内设计 改造了许多发电厂 变电所 输电线路杆塔 微波通信站 高层建筑的接地装置 都取得了较好的效果 第一章架空线路杆塔的接地装置 第一节架空线路杆塔接地的意义及要求 一 架空线路杆塔的意义架空线路杆塔接地对电力系统的安全稳定运行至关重要 降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平 减少线路雷击跳闸率的主要措施 由于杆塔接地电阻高而产生的雷击闪络事故相当多 典型的有500kV天平 回输电线路 由于大部分位于山区 地质条件较差 许多杆塔的接地电阻不合格 有不少杆塔的接地电阻在100 以上 造成线路耐雷水平低 经常发生雷电绕击 反击 使线路跳闸 影响了电网的安全稳定运行 经对线路杆塔接地进行了降阻处理 使线路雷击跳闸率得到了有效的控制 又如 信阳110kV信李线 由于部分杆塔的接地电阻不合格 在1992年和1993年多次发生雷击跳闸事故 特别是110kV平宝线 因而在1995年前 每年都要发生雷击跳闸 有的一年发生多次跳闸 1996年对接地电阻不合格的杆塔接地进行了改造 改造后的5年间没有发生一次雷击跳闸事故 由此可见 降低杆塔接地电阻 使之达到合格范围 对防止雷击跳闸 保证电网安全是非常重要的 二 架空线路杆塔接地的标准要求 对架空线路杆塔的接地电阻和型式在电力行业标准DL T620 1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 L T621 1997 交流电气装置的接地 中都提出了具体的要求 为设计 安装和改造架空线路杆塔接地提供了依据 1 杆塔的接地电阻 1 有避雷线线路杆塔的接地电阻 有避雷线的线路 每基杆塔不连避雷线时的工频接地电阻 在雷季干燥时 不宜超过表1 1所列数值 雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段 应改善接地装置 适当提高绝缘水平或架设耦合地线 表1 1有避雷线的线路杆塔接地电阻 注 如土壤电阻率超过2000 m 接地电阻很难降低到30 时 可采用6 8根总长不超过500m的放射形接地体 或采用连续伸长接地体 其接地电阻不受限制 2 无避雷线线路杆塔的接地电阻 对于中雷区及多雷区35kV及66kV无避雷线线路 宜采用措施 减少雷击引起的多相线短路和两相异地接地引起的断线事故 钢筋混凝土杆和铁塔应充分利用自然接地作用 在土壤电阻率不超过100 m或有运行经验的地区 可不另设人工接地装置 需要说明的是 作为通用行业标准 对杆塔接地电阻的要求是比较宽松的 在多雷区 如是联络线路或重要线路 杆塔接地电阻最好能处理到10 以下 因为只有这样才能提高线路的耐雷水平 有效地限制雷击跳闸率 从而保证电网的安全稳定运行 2 杆塔接地型式L T621 1997 交流电气装置的接地 的6 3条还对高压架空线路杆塔接地装置的型式做了具体的要求如下 1 在土壤电阻率 100 m的潮湿地区 可利用杆塔和钢筋混凝土杆自然接地对发电厂 变电站的进线路应另设雷电保护接地装置 在居民区 当自然接地电阻符合要求时 可以不设人工接地装置 2 在土壤电阻率100 m 300 m的地区 除利用铁塔和钢筋混凝土杆的自然接地外 并应增设人工接地装置 接地极埋设深度不宜小于0 6m 3 在土壤电阻率300 m 2000 m的地区 可采用水平敷设的接地装置 接地极埋设深度不宜小于0 5m 4 在土壤电阻率 2000 m地区 可采用6 8根总长不超过500m的放射形接地极或连续伸长接地极 放射形接地极可采用长短结合的方式 接地极埋设深度不宜小于0 3m 5 居民区和水田中的接地装置 宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形 6 放射形接地极的最大长度 应符合表1 2的要求 表1 2杆塔放射形接地极每根的最大长度 7 在高土壤电阻率地区采用放射形接地装置时 当在杆塔基础的放射形接地极每根长度的1 5倍范围内有土壤电阻率较低的地带时 可部分采用引外接地或其他措施 8 雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段 应改善接地装置 架设避雷线 适用加强绝缘或架设耦合地线 9 钢筋混凝土杆铁横担和钢筋混凝土横担线路的避雷线支架 导线横担与绝缘子固定部分或瓷横担固定部分之间 宜有可靠的电气连接并与接地引下线相连 主杆非预应力钢筋如上 下以用绑扎或焊接连成电气通路 则可兼作接地引下线 利用钢筋兼作接地引下线的钢筋混凝土电杆 其钢筋与接地螺母 铁横担间应有可靠的电气连接 10 35kV及以上线路互相交叉或与较低电压线路 通信线路交叉时 交叉档两端的钢筋混凝土或铁搭 上 下方线路共4基 不论有无避雷线 均应接地 第二节架空线路杆塔接地电阻计算 输电线路杆塔接地主要是以防雷为主要目的 因而在架空线路杆塔接地装置的设计时就要考虑如何降低杆塔接地装置的冲击接地电阻 但在实际工程中仍以考核工频接地电阻为主 特殊地段 需要冲击接地电阻值时 用工频接地电阻乘以冲击系数a 或通过冲击接地电阻的计算求得 一 架空线路杆塔工频接地电阻计算 1 杆塔水平接地装置的工频接地电阻 可用式 1 1 或式 1 2 计算 1 1 1 2 式中 Rgl 工频接地电阻 土壤电阻率 m L 水平接地体的长度 m h 水平接地体的埋深 m d1 水平接地体的直径 m A 屏蔽系数 B 形状系数 A B的值 可由相关的表格查出 2 单根垂直接地极的工频接地电阻 其阻值可用式 1 3 计算 当l d时 1 3 式中l 垂直接地极的长度 m d2 垂直接地极的直径 m 式中 复合接地体的接地电阻 单根垂直接地体的接地电阻 n 垂直接地极的根数 水平接地极的接地电阻 考虑到所有电极互相屏蔽后的利用系数 其值可由表1 3查出 3 由垂直接电极和和水平接地体构成的组合式接地体的接地电阻 它实际上往往采用由几根垂直接地极再用水平接地体连接起来组成杆塔的接地装置 这时 接地电阻可用式 1 4 计算 1 4 表1 3由垂直电极组成并以水平电极连接的接地利用系数 5 几种典型的以水平射线为主的杆塔接地装置的接地电阻计算 可用式 2 1 或式 2 2 计算 常用杆塔接地装置及参数见表1 4 不同电阻率地区的线路典型接地装置见表1 5 表1 4常用杆塔接地装置及参数 表1 5不同土壤电阻率地区的线路典型接地装置 冲击接地电阻估算值 4 以水平接地极为主且边缘闭合的复合接地极 接地网 的接地电阻 在电阻率较高 或行人经常出入的地方 应采用以水平接地极为主 且边缘闭合的复合接地装置 这时接地电阻可由式 1 5 计算 1 5 式中R g 任意形状边缘闭合接地网的接地电阻 Re 等值 即等面积 等水平接地及总长度 方形接地网的接地电阻 S 接地网的总面积 m2 d1 水平接地极的直径或等效直径 m h 水平接地极的埋设深度 m L 水平接地极的总长度 m L0 接地网的外缘边线总长度 m 5 几种典型的以水平射线为主的杆塔接地装置的接地电阻计算 可用式 1 1 或式 1 2 计算 常用杆塔接地装置及参考见表1 4 不同电阻率地区的线路典型接地装置见表1 5 在设计架空线路杆塔的接地装置时 应该注意到在接地体的总长度L相同时 屏蔽系数A 或形状系数B 愈大 则钢材间的相互屏蔽作用就愈明显 钢材的利用也就愈不充分 在条件允许的情况下 应尽量采用形状系数小的接地装置 当接地装置的形状一定时 随着土壤电阻率 的变大 欲保持R不变 L值的增大比 值上升得快 当土壤电阻率特别高 如在4000 m以上时 要使工频接地电阻达到30 以下较困难 可采用6 8条80m水平射线 或用2条连续伸长的方法来降低冲击电阻 也可以采用耦合地线或接地线 把若干基杆的接地连接起来 然后再寻找土壤电阻率低的几基杆塔 在施工方便的条件下加强这几基杆塔的接地 把接地电阻降到10 以下 这样即节省了费用 又起到了很好的防雷效果 因为对雷击塔顶或避雷线 若干基杆塔的连接线相对于雷电波的波阻抗较小 起到了很好的分流作用 同时 而连接线本身对雷电波的波头还起到了削波的作用 二 架空线路杆塔的自然接地 实际上 除了人工接地体外 杆塔混凝土基础也有一定的自然接地作用 其自然接地电阻值R2可按表1 6估算 只有当 300 m时才需要考虑自然接地的作用 因此 在设计线路接地装置时 在 300 m的情况下 应考虑充分利用杆塔的自然接地 如杆塔的自然接地已符合要求 就不要用人工接地将其屏蔽起来 即使需要另设人工接地装置 也在考虑人工接地装置的形状和实际布局时 尽量减少对自然接地体的屏蔽 表1 6杆塔自然接地电阻R2估计值 表1 7当采用合理接地形状时 线路每杆接地所需扁钢或圆钢总长度L 埋深0 6m以下 m 三 架空线路杆塔接地的冲击接地电阻计算 架空线路杆塔接地的主要目的是防雷保护 那么就不能不关心在雷电流作用下的冲击接地电阻 特别是在土壤电阻率高的山区 因雷电活动十分强烈 而工频接地电阻降低到合格范围内又非常困难 这时应经过技术经济比较 采取以防雷为主的措施 尽可能降低冲击接地电阻 1 6 式中 杆塔接地装置的冲击接地电阻 a 冲击系数 杆塔接地装置的工频接地电阻 冲击系数与接地装置的型式 土壤电阻率和冲击电流有关 杆塔接地装置的接地冲击系数a 可用式 1 7 式 1 9 计算 1 铁塔接地装置 1 7 式中 流过杆塔接地装置或单独接地极的冲击电流 kA 土壤电阻率 m 钢筋混凝土放射形接地装置 1 8 钢筋混凝土杆环型接地装置 1 9 2 单独接地极接地电阻的冲击系数 可用式 1 10 式 1 11 计算垂直接地极单端流入冲击电流的水平接地极 1 10 中部流入冲击电流的水平接地极 1 11 3 杆塔自然接地极的冲击系数 杆塔自然接地极的效果仅在 300 m时才加以考虑 其冲击系数可用式 1 12 计算 1 12 式中 对钢筋混凝土杆 钢筋混凝土桩和铁塔的基础 一个塔脚 为0 053 对装配钢筋混凝土基础 一个塔脚 和拉线盘 带线棒 为0 038 各种型式接地极的冲击利用系数可查看相关表格 第三节 架空线路杆塔接地的设计 架空线路杆塔接地的设计按以下步骤进行一 收资 资料收集 在设计前要收集如下资料 1 电网及线路资料 如线路电压等级 线路的重要性 如是否联络线 线路的接地短路电流 按5 10年的发展及最大运行方式校核 2 地理资料 线路所经地区的地形 是否经过山区 丘陵和河流地区 地势 各不同地段的土壤电阻率 电阻率要测试不同深度的电阻率 土质情况 土壤的酸碱度等 3 气象资料 主要是雷电活动情况 全年的雷暴日 雷暴小时 地面落雷密度 雷电活动的区域及强度 以及全年的降雨情况 降雨分布的月份和全年土壤的干湿度 4 环境情况 主要是线路经过地区钢铁的年腐蚀率 有无强腐蚀的地段等 二 设计设计步骤如下 1 根据线路 电网的资料 特别是杆型 是铁塔还是混凝杆 的资料 以及地理 地质资料和规程要求 决定每基杆塔应达到的工频接地电阻值 2 根据塔型 土壤电阻率和雷电活动情况决定采用什么样的接地型式 3 根据接地装置型式和应得到的电阻值 计算水平接地体和垂直接地体的长度 4 根据系统接地短路电流 环境资料 钢材的年腐蚀率和设计使用寿命校核接地引下线 水平接地体的截面 5 根据地形 地势情况和冻土层的情况决定水平接地体的埋设深度 在北方寒冷地区 水平接地体要埋设在冻土层以下 6 根据设计图纸 写出要达到要求所采取的施工方案和措施 三 接地装置的热稳定效验 1 接地线的最小截面根据热稳定条件 未考虑腐蚀时 接地线的最小截面应符合式 1 13 要求 1 13 式中 接地体和接地引线的最小截面 mm2 流过接地线的短路电流值 A 按4 10年发展规划 按系统最大运行方式确定 短路的等效持续时间 s c 接地线材料的热稳定系数 根据材料的种类 性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定 在校验接地线的热稳定时 及c应采用表1 8所列数值 按地线的初始温度 一般取400C 表1 8校验接地热稳定用的 和c值 1 发电厂 变电站的继电保护装置配置有2套速动保护 近接地后备保护 断路器失灵保护和自动重合闸时 te可按式 1 14 取值 1 14 式中 主保护动作时间 s 断路器失灵保护动作时间 s 断路器开断时间 s 2 配有1套速动保护 近或远 或远近结合的 后备保护和自动重合闸 有或无断路器失灵保护时 可按式 1 15 取值 1 15 式中 第一级后备保护时间 s 根据热稳定条件 未考虑腐蚀时 接地装置接地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75 2 接地线的防腐蚀敷设在大气和土壤中有腐蚀性场所的接地体和接地引下线 应根据腐蚀的性质经过技术经济比较采用热镀锌 加高效膨润土降阻防腐剂或刷沥青漆 或采用阴极保护等措施 在设计中对接地线腐蚀问题 建议作如下处理 1 一般情况下应吸取当地的运行经验 按当地接地线的腐蚀数据进行处理 2 当无数据时 可暂按下列数据处理 1 对镀锌或镀锡的扁钢 圆钢 埋于地下的部分 其腐蚀速度取0 065mm a 指总厚度 但对于焊接处必须采取措施 如刷沥青漆等 但0 065mm a是指一般中性土壤 如果土壤PH值在6 5以下 或土壤土质比较疏松 腐蚀率可达0 085 0 265mm a 南方和北方也有区别 在实际工程中应区别对待 2 如无防腐的接地线 其腐蚀速度在一般地区按如下方式处理 50 300 m地区 扁钢取0 1 0 2mm a 圆钢取0 3 0 4mm a 300 m地区 扁钢取0 1 0 08mm a 圆钢取0 3 0 09mm a 50 m地区及重盐碱地区 应专门研究解决 3 接地体的寿命 应与地面设备一致 一般应按25 30年考虑 设计时可按上述防腐要求选择导线截面 3 对于敷设在屋内或地面上的接地线 一般均应采取防腐措施 如镀锌 镀锡或刷防腐漆 这样可不必按埋于地下条件考虑 只要适当留有裕度即可 表1 9钢接地体和接地线的最小规格 第四节 架空线路杆塔接地装置的施工 对于架空线路杆塔的接地装置 设计固然重要 然而施工这一环节也十分重要 因为架空线路要经过山川河流 地形往往十分复杂 交通不便利 施工难度较大 而接地工程又属于隐蔽工程 在工程完工后就不便检查 所以对架空线路的杆塔接地工程的施工 除了要按设计图纸施工外 还要制订便于操作的施工方案 由工程技术人员和工程质量监督人员对每道施工工序进行全过程的监督 认真把好工程质量关 只有这样 才能达到设计目的和设计要求 对于杆塔接地装置的施工 应基本按如下步骤进行 一 按图放线定位如果图纸设计与实际地形相符 且现场施工条件又方便 应严格的按图放线定位 特别是水平接地体和垂直接地体的定位 但现场情况往往十分复杂 特别是处于深山的杆塔 地形和地质给水平接地体的布置带来了许多限制 而线路杆塔又较多 设计部门往往只是提供粗框式的设计 有时现场根本不可能按图施工 如水平接地体的布局 有时设计人员可能没到现场 而采用表1 5中常用的接地体形式 而现场往往不能按规定的角度和方位布线 需根据现场实际情况具体调整 因而现场放线定位也就十分重要 现场对水平和垂直接地体的放线定位应遵守以下原则 1 如条件许可 应按图放线 按图施工 不应与设计图纸有大的偏差 2 如现场条件所限不能按图定位时 应遵守以下原则 水平接地体应尽量沿土层厚 电阻率低 土壤潮湿 便于施工的方位定位 在倾斜地带应尽量沿等高线布局放射 水平接地体之间应尽量远离 平行距离不宜小于5m 以便减小形状系数和屏蔽系数 3 接地体的铺设应平直 二 按图施工 1 待放线定位后 开挖水平接地体的沟槽 如条件许可 水平接地体的沟槽应达到深为0 8m 最少也应为0 5m 在北方要根据冻土层的厚度 达到冻土层以下 比如1 4 1 8m 因为水平接地体只有在一定的深度下 降阻效果才能发挥出来 且不易受季节的影响 另外防腐效果也好得多 因为地层深处土壤含氧量相对较低 接地体不易发生吸氧腐蚀 再者 接地体深埋后 一旦发生大电流入地 地面的电位分布也较为均匀 2 待水平沟槽开挖好后 再按图纸上所标明的水平接地体的规格 铺设水平接地体 并在顶端打入垂直接地体 垂直接地体应垂直打入 并防止晃动 3 如土壤电阻率较高 设计中采用了降阻防腐剂或阴极保护措施 应按设计要求加入降阻剂或阴极保护材料 降阻剂和阴极保护的施工按降阻剂和阴极保护的说明施工 4 焊接 当水平接地体和垂直接地体铺设完毕后 对各焊接头应进行可靠的焊接 焊接应采用搭接焊接 对圆钢来讲 搭接的长度应为其直径的6倍 并应双面焊接 扁钢的搭接长度应为其宽度的2倍 并应四面焊接 焊口质量应符合要求不得有虚焊 假焊现象 当圆钢采用爆压连接时 爆压的壁厚不得小于3mm 长度不得小于搭接时圆钢直径的10倍 对接时圆钢直径的20倍 接地引下线与接地体的连接应使用焊接或爆压连接 扁钢与钢管 扁钢与角钢焊接时 为了连接可靠 除应在其接触部位两侧进行焊接外 并应焊以由钢带弯成的弧形 或直角形 卡子或直接由钢带本身变成弧形 或直角形 与钢管 或角钢 焊接 接地线与杆塔的连接应用镀锌栓连接 应接触良好 以便于打开测量接地电阻 当引下线直接从架空避雷线引下时 引下线应紧靠杆身 并应每隔一定距离与杆身固定一次 对焊口要涂沥青进行防腐处理 对接地引下线 要从与水平接地体连接处直到与杆塔的连接螺栓处 全部刷沥青 或防锈漆和黑漆进行防腐处理 因为这部分由于防腐电位的不同最容易发生化学腐蚀 5 回填 当水平接地体 垂直接地体全部焊接完毕 降阻 防腐措施也施工完毕 经检查验收合格后 才能开始回填 回填要用细土回填 回填土内不得有石块和建筑垃圾等 外取的土不得有较强的腐蚀性 在回填土时应分层夯实 不准用砂石回填 6 地面处理 在回填完毕后 如是处于山坡 或斜坡地带 为了防止雨水冲刷造成水土流失 应在回填完毕后的地表栽植草皮进行保护 7 全部施工完毕后 经过一定时间再测接地电阻看是都达到设计要求 第五节 降低杆塔接地电阻的措施 在土壤电阻率高的山区 由于受地质 地势等条件的限制 架空线路的杆塔接地装置的工频率接地电阻往往达不到要求 而杆塔接地电阻对提高线路耐雷水平 降低雷击跳闸率又十分重要 需要把接地电阻降下来 这时要根据每基杆塔的实际情况 认真查看地质 地势 测试杆塔周围各个不同深度的土壤电阻率 然后根据每基杆塔的实际情况经技术经济对比之后 采取有效的降阻措施 要降低杆塔的工频接地电阻 首先要做好以下工作 1 做好地质 地势的调查 了解杆塔工频接地电阻超标的原因 看杆塔所处的位置是处在什么样的地形 实地勘测土层的情况和土质情况 2 测试杆塔周围的土壤电阻率 看四周是否有土壤电阻率低的地方可以利用 再测试不同深度的土壤电阻率 看地下有无可以利用的低电阻率的地层 根据实地调查勘测的情况 采取经济有效的降阻措施 降低工频接地电阻的措施主要有以下几种方式 1 水平外延接地体 如杆塔所处的地方允许水平放射接地体时应尽量采用水平放射的方式 因为水平放射接地体不但可以降低工频接地电阻 更重要的是可以有效的降低冲击接地电阻 起到有效的防雷作用 关于水平放射的形状和方位可根据现场实际情况而定 水平放射的长度可按表1 1要求取 但如在水平放射长度的1 5倍范围内有较低土壤电阻率的地方 可以采用外引接地的方式 2 深埋式接地极如地下较深处的土壤电阻率较低 可用竖井式 或深埋式接地极 在选择埋设地点时应注意以下几点 1 选择地下水位较丰富及地下水位较高的地方 2 杆塔附近如有金属矿体 可将接地体插入矿体上 利用矿体来延长或扩大人工接地体的几何尺寸 3 利用山岩的裂缝 插入接地极并灌入降阻剂 4 在北方冻土区 深埋接地体应在冻土层以下 5 深埋接地体的间距大于20m 可不计互相屏蔽影响 3 填充电阻率较低的物质 降阻剂 1 如果附近有可以利用的低电阻率的物质 可以因地制宜 综合利用 但这些物质的性能具备 电阻率低 不易流失 性能稳定 易于吸收和保持水分 无腐蚀作用 施工简便 经济合理 2 施加降阻剂进行降阻 实践证明 在水平接地体周围施加高效膨润土降阻防腐剂 对降低杆塔的饿接地电阻效果明显 另外还可采用深井爆破制裂压力灌注降阻剂的方法 4 铺设水下接地装置如杆塔附近有水源 而水的电阻率又较低 可以考虑利用这些水源 布置水下或水边接地极 这样也可以收到一定降阻效果 究竟采用那种方法降阻要根据实际情况做认真的技术经济比较 从中筛选出经济 有效 合理的方法 一般情况下水平接地体施加降阻剂的方法 比较经济且效果好 如采用深井 地下一定要有低电阻率的地层才有明显效果 如若没有 采用深井爆破制裂压力灌注降阻剂的方法费用较大 而效果并不明显 若受地形 地势和土壤电阻率的限制把工频接地电阻降到合格 30 比较困难时 可以考虑用6 8根