电力系统接地技术.doc

1.1 研究变电站接地网的重要意义接地网是变电站安全运行的重要保证，它不仅为变电站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变电站的地电位升，因而接地网接地性能的优劣直接关系到变电站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，变电站接地网的接地性能一直受到设计和生产运行部门的重视。电力系统接地可分为工作接地、防雷接地和保护接地。工作接地是为了满足电力系统运行需要的接地，例如为了降低电力设备的绝缘水平，我国在 110kV 及以上的电力系统中采用中性点接地的运行方式。在交流系统中，正常情况下流过工作接地极的电流是几安至几十安的不平衡电流，但在系统发生接地故障时，则会有高达数十千安的短路电流流过接地极，短路电流的持续时间不长，一般为几十微秒左右。防雷接地是为了消除雷电过电压危险影响的接地，例如避雷针、避雷线和避雷器的接地。防雷接地只是在雷电冲击的作用下才会有电流流过接地装置，雷电流值可达数十至数百千安，持续时间为几十微秒。保护接地是为了防止设备因绝缘损坏带电危害人身安全的接地，例如设备外壳接地。保护接地只是在设备绝缘损坏的情况下才会有电流流过。最初的变电站接地系统采用埋设接地网的技术，地网接地体一般采用废钢，但发现废钢腐蚀过快，接地网一般几年后就失去作用。后来欧美国家采用金属铜作为埋设的接地体，但是接地引线与地网接地体的连接处腐蚀较快，与采用钢铁作为接地体的使用寿命等同，现在世界上统一采用镀锌钢材作为接地体，在钢材的选用上都留有腐蚀余量。接地体的设计也经历了从等间距布置到不等间距，从水平地网到加入垂直极的复合三维地网的过程。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。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。首先，超高压大容量的现代变电站越来越多，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大于普通变电站接地网的占地面积，故障时接地网上的电位分布不均匀。接地网的接地材料普遍选用扁钢，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。其次，随着我国城市的发展，其用电量也在日益增长，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。国内己经发生多起接地装置故障引起的特大事故,例如古竹变电站曾因中性点接地引下线机械损伤及锈蚀严重,雷击造成接地引下线烧断,变压器主绝缘遭受严重破坏需返厂大修,经济损失近千万元。四川华莹山发电厂因未能及时检测出主变中性点接地引下线的严重腐蚀,年在雷电击中线路反击造成系统接地故障时,由于接地装置隐患继而发生重大接地故障及事故扩大,仅直接设备造成了多台发电机损坏、站主变损坏、控制室多面主屏烧毁,经济损失达数千万之巨。接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。从本质上讲,它的目的就是为了在正常和事故以及雷击的情况下,利用大地作为接地电流回路的一个元件从而将设备接地处固定为所允许的接地电位。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。1.2 电力系统接地装置的分类 接地就是将电气设备的某些部件、电力系统的某点与大地相连,提供故障电流及雷电流的泄流通道,稳定电位,提供零电位参考点,以确保电力系统、电气设备的安全运行,同时确保电力系统运行人员的人身安全。接地功能是通过接地装置或接地系统来实现的。电力系统的接地装置可以分为两类,一类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地装置,如水平接地体、垂直接地体、环形接地体等,另一类为发变电站的接地网。简单而言,接地装置就是包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体包括金属水平埋设或垂直埋设的接地极、金属构件、金属管道、钢筋混凝土构筑物基础、金属设备等,或有金属导体组成的金属网,其功能是用来泄放故障电流、雷电或其他冲击电流,稳定电位。而接地系统则是指包括发变电站接而接地系统则是指包括发变电站接地装置、电气设备及电缆接地、架空地线及中性线接地、低压及二次系统接地在内的系统。表征接地装置电气性能的参数为接地电阻。接地电阻的数值等于接地装置相对无穷远处零电位点的电压与通过接地装置流入地中的电流的比值。如果通过的电流为工频电流,则对应的接地电阻为工频接地电阻如果流入的电流为冲击电流,接地电阻为冲击接地电阻。冲击接地电阻是时变暂态电阻,一般用接地装置的冲击电压幅值与通过其流入地中的冲击电流幅值的比值作为接地装置的冲击接地电阻。接地电阻的大小,反映了接地装置流散电流和稳定电位能力的高低及保护性能的好坏。接地电阻越小,保护性能就越好。电力系统交流电气装置的接地按其功能可分为基本的三类工作接地、防雷接地和保护接地。1.3 接地电阻测量的目的及意义接地装置接地电阻的测量一般基于如下几个方面的目的来测量接地装置的真实接地电阻,检查新接地网的接地电阻是否达到设计要求,检查旧接地网的接地电阻是否发生了变化。对计算值进行校核,以检验计算方法的正确性,为新的计算方法或软件的推广应用提供依据。确定由于电力系统接地故障电流引起的地电位升高及在整个阶段内的电位变化，确定防雷保护接地装置的合适性。取得建筑物防雷保护,建筑物内设备防雷保护及有关人身安全所必需的设计数据。电力系统接地电阻的变化范围很大,从输电线路杆塔接地装置的几欧至几十欧,到发变电站接地系统的零点几欧。对于大型地网,接地装置的电抗分量起到很重要的作用。 变电站是电力系统的枢纽,一旦发生雷击损坏设备事故,将造成大面积停电,而且变压器等高压电气设备的内绝缘大都没有自恢复性能,设备被雷击损坏后,修复起来十分困难,造成长时间停电,造成设备损坏和供电的直接损失,构筑物基础、金属设备等,或有金属导体组成的金属网,其功能是用来泄放故障电流、雷电或其他冲击电流,稳定电位。由于保护设备及措施,刁一能避免电气设备发生雷害事故。因此对变电站的地网电阻进行分析和研究,使其防护措施更为可靠,这将具有深远的意义。1.4 国内外研究的背景及现状用于现场测量接地电阻的方法主要有电流电压表法即三极法,比率计法,异频法,电桥法等。这几种方法除了所采用的电源形式、仪表类型不同外,就其测量回路和电极布置而言,归纳起来,都是以“导线大地”为回路,用补偿法作为电极布置的要求进行测量。各种方法都有其优点,也存在着不足及局限性,应根据实际的测量目的及测量对象选择适当的测量方法和仪器。采用三极法测量接地电阻的方法，按采用电源的性质分为直流和交流两种，按采用测量仪表的类型可分为电压电流表法、电流功率表法、比率计法和电桥法等。以上的各种方法主要是为测量工频接地电阻而采用的,测得的数值是工频下的接地电阻。然而,在对各地电厂、站的地网长期的研究发现,地网接收最多的是雷电流,而雷电流是波头很陡,含频率特别是高频及其丰富的瞬时单脉冲冲击波,从它进入地网一直到向土壤泄放过程,都是与传统测量中注入的信号在地网呈现的过程完全不同的。在冲击电流的情况下,地网的电阻作用仍然是有的,但是此时的电抗分量将不可忽视,甚至是起主要作用的。所以,工频接地电阻概念在此情况下意义不大,取而代之的应该着重讨论接地阻抗的概念。在吸取了以往的测量方法优点的基础上,将冲击电流发生器作为试验电源来对地网进行测试,用优化后的算法精确的得出在冲击电流作用下的地网的电阻和电抗分量,并能测出其他方法不能测出的冲击接地阻抗。经过实验室模拟试验和现场实验数据的比较分析,证明该方法确有实际工程意义,值得推广。1.5 接地电阻的测量 大电流工频测量法和冲击电流法测量接地电阻都使用三极法布线方式,所不同的只是试验在电源上。而接地系统则是指包括发变电站接地电阻为接地体的电位与通过接地体流入地中电流的比值。它与土壤特性及接地体的几何尺寸有关。接地体的接地电阻也可以通过求解电流场得到。电流流经接地体向地中散流时所遇到的土壤电阻为散流电阻,通常所说的接地体电阻包括接地引线的电阻、接地引线与接地装置的接触电阻、接地体本身的电阻、接地体和土壤间的接触电阻及土壤的散流电阻。因为散流电阻比其他四种电阻大得多,因此可以近似地认为接地电阻等于土壤的散流电阻。通常通过求解恒定电流场分析得到的接地装置的电阻为土壤的散流电阻,即一般计算公式计算得到的接地电阻只是接地装置周围土壤的散流电阻。但实际测量得到的接地电阻一般比计算结果大,这是因为实际的接地装置与土壤的接触毕竟不是面接触,而是点接触,二者之间存在一定的接触电阻,特别是在岩石地区,接触电阻有时是比较大的。接触电阻是一个不定值,它与施工时的压紧程度、土壤的颗粒状况及潮湿程度有关,但接触电阻在计算公式中是很难反映的。变电站接接地电阻与接地阻抗变电站接地装置结构一般情况下变电站的接地装置是以外缘闭合、中间敷设若干均压导体为主的水平接地网,埋深一般为,有时加些垂直接地极。对于防雷接地只需在避雷针、避雷线及避雷器附近埋设一组垂直接地体,并将它们与水平接地网相连。普通接地网的结构对变电站接地系统接地电阻的要求是为了达到电力系统安全稳定运行的目的,就必须使接地装置的接地电阻达到较低的值,确保短路电流及雷电流的安全散流。对于变电站接地装置,在工频对地短路时,要保证流过接地网的电流在设备上造成的电位升高不致太大,还应保证变电站人员的跨步电压取跨距和接触电压以取人手触摸设备的1.8米高处,而人脚离设备的水平距离不超过0.8米处。从保证安全出发,在中性点有效接地的系统中,要求接地装置的工频接地电阻值应满足接地体的电位为式中时对应的电位值确的得出在冲击电流作用下地网的电阻和电抗分量,并能测出其他方法不能测出的冲击接地阻抗。1.6 接地网的计算方法1 传统接地计算方法我国的接地网设计是依靠中华人民共和国电力行业标准交流电气装置的接地的经验公式再结合设计者自身的经验完成的。其中给出了接地电阻、接触电压和跨步电压等接地参数的经验公式，这些经验公式是基于国内科研工作者近十多年的研究成果。运用这些经验公式，可以计算均匀土壤中任意形状水平接地网的接地电阻以及矩形接地网的接触电压和跨步电压。经验公式的优点是物理概念清晰，使用方便，但也存在缺点。1. 行业标准上的经验公式没有考虑土壤电阻率的不均匀性。大型变电站占地面积很大，故障时故障电流入地较深，深层土壤电阻率对接地网接地电阻影响较大，而经验公式将土壤视为均匀土壤，可能造成较大的计算误差。2. 行业标准上的经验公式对于形状复杂接地网接地参数的无法计算，例如不规则的水平地网接触电压和跨步电压的计算，或者带有垂直接地极的复合接地网的接地电阻、接触电压和跨步电压的计算。3. 行业标准上的经验公式不能计算变电站内任意点的电位，无法分析变电站内任意点的接触电压和跨步电压，不利于接地网的全面安全设计。4. 行业标准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。国内接地参数经验公式计算方法的研究仍在不断的取得进展。与国内相比，国外研究人员在接地网接地参数近似解析计算方面早已开展了广泛而深入的研究。早在 1915年 F. Wenner 就提出了土壤电阻率的测量方法，这种方法直到现在仍然被广泛使用。此后，到二十世纪六十年代末，不断有关于接地方面的文献发表，这些文献或者从电磁场理论分析入手，或者从实验室模型测试入手，得到了简单接地网设计的经验公式和有指导意义的结论，有些成果至今仍可用于简单接地网的设计。IEEE 变电站安全导则，从 1961 年公布起，到现在修订了 3 次, 经过修订后，接地网的接地参数如接地电阻、接触电压和跨步电压的解析计算公式的计算精度有很大的提高。但是，由于这些经验公式所能考虑的影响接地网接地性能的因素非常有限，因而使用它们设计接地网存在着很大的缺陷。另外，由于当时计算工具落后，虽然从理论上已经建立了分析简单接地体的方法，但由于计算量庞大，对于复杂接地网分析却难以实现。在电力工业大发展的时代，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，其中所推荐的接地参数解析计算公式，以及国内外研究人员在这一领域取得的研究成果，都只能对较为简单的土壤模型中规则地网进行计算，而对于复杂土壤模型或形状复杂的接地网，只能应用计算机通过现代电磁场数值计算技术来模拟计算。 2 数值计算方法伴随着电子计算机的飞速发展，数值计算方法日趋成熟，从二十世纪七十年代开始，使用数值计算方法设计安全性能优越的接地网成为趋势。有很多文献从不同的角度使用不同的方法对接地网进行了全面的分析。 F. Dawalibi 研究组将其接地网分析方法逐渐完善，并发表了完善的基于矩量法分析接地网的文献。L. D.Grcev 利用天线理论建立了接地网的高频分析方法，并使用该方法分析了接地网的瞬态性能，同时还与实测数据进行了对比。A. F. Otero 提出了分析接地网的电路模型，并比较了该方法在接地网瞬态分析中的有效性。Y. L. Chow 提出了求解多层土壤中电位格林函数的复镜像法，这一方法极大地提高了分析接地网接地性能的效率。而用有限元法、边界元法、矩量法这些电磁场数值计算方法则更多被讨论分析接地网的各项性能。利用边界元法(boundary element method，BEM)部分科研工作者开发了接地网分析的软件，由于在不同土