工艺技术_实用电气接地技术培训

接地技术 武汉大学电气工程学院文习山 2 四个方面的内容 接地技术基础深孔与垂直接地极的作用允许地电位升高问题三峡枢纽电站接地 3 第一部分 接地技术基础 4 接地的定义 在电力系统中为了工作和安全的需要 常将电力系统及其电气设备的某些部分经导线与大地相连 5 接地 一般的定义 将电力系统或建筑物中的电气装置 设施的某些导电部分 经导线连至大地电极导线 接地线大地电极 接地极IEEE交流变电站接地安全导则 GuideforSafetyinACSubstationGrounding 6 接地 更准确的定义 一种有意或无意的导电连接 由于这种连接 可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的 某种较大的导电体接地的目的是 a 使连接到地的导体具有等于或近似于大地 或代替大地的导电体 的电位 b 引导入地电流流入和流出大地 或代替大地的导电体 GB T17949 1 20004 1 IEC61024建筑物防雷保护 7 工作接地 为了降低电力设备的绝缘水平 110kV及以上的电力系统多采用中性点接地的运行方式在两线一地的双极直流输电系统中 也需要将其中性点接地 8 防雷接地 为了减轻雷电的危害 避雷针 避雷线和避雷器等防雷设施都必须配备相应的接地装置以便把雷电流导入大地 9 保护接地 为了保证人身安全 电气设备的外壳必须接地当电气设备绝缘损坏导致外壳带电时 流过保护接地体的故障电流应该使相应的保护装置动作 切除已损坏的设备或使外壳的电位在安全值以下 10 主放电photobySteveAlbertofNOAA 11 雷电byLeslieChatfieldonAugust21 1987atMardeninBritain 12 雷击建筑物 13 接地电阻 接地电阻是电流I经过接地极流入大地时 接地极的电位V对I的比值 它主要是大地所呈现的电阻接地电阻与大地的结构 土壤电阻率有关 还与接地体的几何尺寸有关 在雷电冲击电流下还与冲击电流的波形和幅值相关 14 电流通过接地体的效应 接地电极及周围的土壤发热接地极的电位升高 可能使设备受到过电压的作用损坏地面上出现的地位梯度会使人体受到跨步电势和接触电势的作用减轻上述效应 接地电阻越小越好 15 对接地电阻的要求 110kV以上的交流系统 短路电流I接地体的压降不超过2000VR4000 R4000 R 5 新规程中规定 防雷接地一般为4 30 16 接地技术研究的内容 接地电阻的计算跨步电势和接触电势的计算土壤电阻率的测量接地电阻的测量跨步电势和接触电势的测量土壤发热的计算及电极的防腐措施 17 均匀土壤中直流和工频接地电极 均匀土壤是最简单的模型直流接地电极的计算中不用考虑电感的影响工频接地电极的计算中也基本不用考虑电感的影响对建立基本认识有重要意义 18 接地电阻和地中电位分布 以半球形接地电极为例计算简单 有理论解当不考虑大地回流的影响 接地极的电位为接地电极与无穷远零位面之间的电位差 19 半球接地电极 20 电流密度与电场强度 电流密度J电场强度E 21 半球电极电位分布 式中R为接地电阻 为土壤电阻率a为半球电极的半径 22 半球电极接地电阻 式中R为接地电阻 为土壤电阻率a为半球电极的半径 23 a到10a之间的接地电阻 a到无穷远的接地电阻10a到无穷远的接地电阻a到10a的接地电阻 24 无限大媒质圆环形电极 1 25 无限大媒质圆环形电极 2 26 无限大媒质圆环形电极的电位 27 无限大媒质圆环形电极的电阻 28 圆环形电极 埋深h 29 圆环形电极的电阻 埋深h 30 圆盘形电极 圆盘形电极表面的电位分布是极不均匀的按平均电位法会引起较大的误差准确的计算 应从拉普拉斯方程求解拉麦方法 等位面和特定曲面相吻合的方法 31 曲面成为等势面的条件 曲面F x y x C成为等势面的条件是它的拉普拉斯除以它的梯度的平方只能是C的函数 32 共焦二次曲面 满足前面提到的条件参考书解广润高压静电场斯迈思静电学与电动力学 33 圆盘形电极接地电阻 无穷大介质 34 圆盘形电极 35 圆盘形电极接地电阻 埋深h 之一 36 圆盘形电极接地电阻 埋深h 之二插值法 37 埋深对接地电阻的影响 根据前面的公式当h 0 02b时可见与h 0的误差不超过3 38 变电站地网接地电阻的估算 设变电站的占地面积为A全部铺满钢材 成为金属板 接地电阻最小只敷设占地面积外框 成为金属 环 接地电阻最大 39 算例 当取A 100 100m h 0 8 b 56 42 100 m最小值R 0 435 最大值R 0 734 接地电阻的下降 0 734 0 435 0 734 0 41 40 近似计算公式 41 第二部分 深孔与垂直接地极的作用 42 垂直接地体对接地电阻的影响 假定在地网下密密麻麻打长度为a的接地棒一般a远小于地网的半径 a 2 5 用半个扁球体来计算接地电阻 43 带垂直接地体的地网 44 计算公式 45 模拟计算结果与计算结果 9 9根40 4mm281根2 5m长的棒地网面积模拟试验理论计算10000m2 2 8 7225m2 3 6480m23 2 4 2500m25 7 5 2 900m28 8 4 46 垂直接地体对接地网降阻作用的理论分析结果 a 3 47 垂直接地体对接地网降阻作用的理论分析结果 a 50 48 数值分析计算垂直接地极的效果 数值计算 边界元法 分析垂直接地体对接地网的降阻作用 主要讨论了三种情况 1 在接地网中每个均压带的交叉点处打入垂直接地体2 沿接地网四周一根紧接一根地打入垂直接地体 3 在接地网四周均压带的接点处打入垂直接地体 49 垂直接地体在接地网中每个均压带的交叉点处打入时的降阻作用 50 沿接地网四周一根紧接一根地打入垂直接地体时 垂直接地体的降阻率 y 垂直接地体 接地网 d x z z P x r 51 沿接地网四周一根紧接一根地打入垂直接地体时 垂直接地体的降阻率 52 沿接地网四周均压带的接点打入垂直接地体时 垂直接地体的降阻率 53 第三部分 允许地电位升高问题 54 地网电位允许升高 接地标准中有效接地和低电阻接地系统中发电厂 变电所的接地装置的接地电阻R一般情况下应满足R 2000 I相当多的变电站和电厂并不满足上述规定 55 影响提高允许地网电位升高值的因素 控制电缆的工频耐压特性是影响提高允许地网电位升高值的因素之一 我们对此进行了大量的试验研究继电器在系统发生故障时应该安全可靠地动作 这对系统的安全与稳定有着极其重要的意义耐压试验针对控制电缆和继电器进行 56 试验电路图 57 试验方案 针对控制电缆在到达保护屏后 芯线从电缆中分离出来 在分离处做电缆头和未做电缆头的两种情况的绝缘特性进行试验做了电缆头的带铠电缆 针对电缆头有无尖端两种情况的绝缘特性进行试验对有铠和无铠的两种情况的绝缘特性进行试验针对单根芯线在紧靠保护屏和角铁两种情况下的绝缘特性进行试验针对电缆芯线到电缆头间的沿面放电电压进行试验 58 电缆的伏秒特性 未做电缆头 59 电缆头及尖端对绝缘特性的影响 1 ZR KVVP2 7 1 5 60 电缆头及尖端对绝缘特性的影响 2 KVVP2 14 1 0 61 单根绝缘电线的绝缘特性试验 电缆敷设时 单根电缆可能会紧靠保护屏再到端子排 而保护屏是接地的 所以有必要对单根芯线的绝缘进行试验 试验分两种情况 1 芯线紧靠角铁的楞角 2 芯线紧靠金属平面 试品只选用了ZR KVVP2 7 1 5型电缆 试验结果为加压时间在30秒以内 其击穿电压均为40kV 表明单根芯线的绝缘耐压值大大高于全部芯线对屏蔽层间的绝缘耐压值 62 电缆沿面放电电压与沿面长度的关系 63 继电器击穿放电 专用继电器击穿放电的形式一般是沿面放电 放电是在继电器外壳定位螺栓和线圈接线柱之间的沿面进行通用继电器试验中还发现加上底座时 放电主要是沿底座的表面进行 一般情况下 它并不影响到继电器的性能 64 通用继电器工频击穿电压伏秒特性 65 固态继电器放电 普通封装的固态继电器击穿时 几乎都是合闸即击穿 并可看见明显的火花放电 听见明显的放电声 环氧封装的固态继电器击穿时则未能观察到继电器内部放电现象 普通封装的两种固态继电器 其耐压主要取决于采用的光电隔离器件 最低击穿电压为5 0kV 环氧封装的两种固态继电器的耐压高 在9kV以上 这可能与它们的内部结构 封装固体材料等因素有关 66 结论 1 1 电缆的工频伏秒特性是较平坦的 从工程的角度来看可近似为一条水平直线 2 当电缆的屏蔽层剥去长度在2cm以内时 其沿面放电电压的耐受强度可达5kV cm 3 如果按大型电力系统能在30s内切除故障考虑 实际上会在1s内切除 从控制电缆的绝缘特性来看 允许地电位升高l5kV是可能的 在此电压下为保证不出现电缆的沿面闪络 电缆的屏蔽层应剥掉4cm 67 结论 2 4 由试验可知 击穿位置均在靠近屏蔽层有尖角处 尤其是钢铠屏蔽层在做电缆头时所产生的尖端 会使绝缘的工频耐压值大大下降 所以在做电缆头时应特别要求避免产生尖端 同时 一定要注意切不可损伤绝缘层 5 继电器的工频伏秒特性是很平坦的 在0 30s的范围内可以认为是一条水平直线 6 对专用继电器 通用继电器和环氧封装的固态继电器的绝缘性能而言 地电位升高到5 0kV是可以承受的 7 基于安全考虑 若地电位升高到5kV 不宜采用普通封装的固态继电器 68 第四部分 三峡枢纽电站接地 69 电站概况 三峡水利枢纽工程规模巨大 电站安装26台单机容量700MW水轮发电机组 在电力系统中占有举足轻重的地位三峡工程的接地装置设计能否满足要求 是关系到电站安全运行的重大问题由于三峡枢纽工程地处花岗岩地区 属高电阻率地区三峡枢纽拥有大量的结构钢筋和各种金属结构物 在接地设计中充分利用枢纽建筑物的自然接地体 单相短路电流64kA 入地电流33 4kA 70 枢纽接地装置出五部分组成 1 1 大坝接地装置 三峡大坝全长约2km 利用大坝上游迎水面结构表面钢筋 网孔为20m 20m 垂直地网面积为239000m2 在上游围堰库底敷设人工接地网 水平地网面积为264800m2 2 左 右岸电站接地装置 三峡左 右岸电站接地装置布置相同 充分利用水下钢结构物连成一体 钢结构物有 尾水护坦结构钢筋 尾水底板结构钢筋 蜗壳 锥管 进水压力钢管等 左岸电站水平接地网面积为2880m2 右岸电站水平按地网面积为35400m2 71 枢纽接地装置出五部分组成 2 3 泄水闸接地装置 泄水闸全长583m 有22个底孔 23个深孔和22个表孔 利用闸门槽钢结构与上游迎水面结构钢筋连接 闸门槽钢结构顶端与坝顶部机轨道连接 底端与泄洪坝段的深孔底板接地网和1 7号泄洪坝段下游护坦水平接地网连接 泄洪坝段水平接地面积为7200m2 泄洪坝段上游围堰内敷设水平人工接地网与泄洪坝段的深孔底板接地网连接 人工接地网面积为264800m2 4 永久船闸接地装置 双线五级船闸全长1600m 将船闸的闸室底板和侧墙结构钢筋与贯穿五级船闸两侧四条输水廊道结构钢筋连接一体 上下游导航墙的表层结构钢筋与船闸侧墙钢筋和人字门连接一起 永久船闸水平接地网面积为108800m2 72 枢纽接地装置出五部分组成 3 5 临时船闸和升船机接地装置 临时船闸为一级船闸 船闸上下游导航墙表层结构钢筋大与闸室底板结构钢筋和人字门连接一起 临时船闸水平和垂直地网面积为142356m2 利用升船机滑道将升船机蓄水槽接地网与金属沉船箱连接 蓄水槽水平接地网面积为3300m2 临时船闸接地网与升船机接地网紧挨在一起 利用结构钢筋将两接地网连接一起1000000m2 73 三峡计算模型 74 计算方法 边界元法并经多次模拟实验检验程序用琼脂模拟长江 水模拟土壤用水模拟长江 琼脂模拟土壤天然沙池模拟计算和试验结果的误差在8 以内 75 计算结果 以前经多次测量长江水电阻率为27 m 30 m 此次测量时所测水电阻率为28 m 故计算枢纽接地装置接地电阻时 采用30 m水电阻率计算 根据测量的上 下游水位 水电阻率和测量接地电阻值 利用接地电阻计算程序经多次试算出河床和两岸土壤的等效电阻率为785 m 然后用接地电阻计算程序计算目前水位情况的接地电阻值 接地电阻的计算结果为0 174 76 接地装置的接地电阻测量 根据现行规范规定 对竣工投运的电气设施需进行接地装置的接地电阻测量对三峡枢纽二期工程完工的左岸电站和永久船闸的接地装置进行了接地电阻测量测量要求在大坝蓄水到初期发电水位135高程时进行测量 77 测量用线路 测量采用三峡至龙泉第三回线路和三峡至万县第一回线路作为电流极线和电压极线 在测量时电流极线和电压极线可以相互倒换龙泉变电所距电站测点直线距离为49 5km 万州变电所距电站测点直线距离为260km 龙泉变和万州变与三峡测点的两直线夹角为166 78 测量用仪器 由于三峡枢纽二期工程接地装置面积大 采用经隔离变压器供电的电流 电压法进行测量电流极和电压极分别距被测地网不小于5D