变电所铜质接地网应用导则050912.doc

江苏省电力公司变电所铜质接地网应用导则（送审稿）2005年6月目 录1 范围2 引用标准3 名词术语4计算用故障电流和入地电流的选择5电气装置接地的一般规定6接地导体热稳定校验7 GIS变电所的接地网8附录A 接触电位差和跨步电位差验算9附录B 增加砾石层后的修正系数Cs与砾石层厚度及土壤电阻率的关系10附录C 接地网接地电阻的精确计算11 附录D 架空地线自阻抗的计算起草人：李长益、吉宏、张霁 、张劲松、曹庆文、殷国华、卫银忠等执 笔：李长益1 范围 本导则规定了交流标称电压110kV及以上发电厂、变电所的铜质接地网的选择和要求。2 引用标准本导则的编制中，主要参照了以下标准：IEEE STD 802000 Guide for Safety in AC Substation Grounding DL/T6211997 交流电气装置的接地DL/T50911999 水力发电厂接地设计技术导则GB 500212001 岩土工程勘察规范GBJ 14990电力气装置安装工程 母线装置施工及验收规范1993 Report from WG23.10 of IEC Earthing of GIS-An Application Guide3 名词术语 本标准采用下列名词术语。3.l 接地 grounded 将电力系统或建筑物中电气装置、设施的某些导电部分，经接地线连接至接地极。3.2 工作接地 working ground、系统接地 System ground 在电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地（如中性点直接接地或经其他装置接地等）。3.3 保护接地 Protect ground电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。3.4 雷电保护接地 lightning protective ground为雷电保护装置（避雷针、避雷线和避雷器等）向大地泄放雷电流而设的接地。3.5 防静电接地 static protective ground为防止静电对易燃油、天然气贮罐和管道等的危险作用而设的接地。3.6 接地极 grounding electrode埋入地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地极。兼作接地极用的直接与大地接触的各种金属件、金属井管、钢筋混凝土建（构）筑物的基础、金属管道和设备等称为自然接地极。水平敷设的接地极称之为水平接地极，垂直敷设的接地极称之为垂直接地极。3.7 接地引下线 grounding conductor电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分。3.8 接地装置 grounding Connection接地引下线和接地极的总和。3.9 接地网 grounding grid由垂直和水平接地极组成的供发电厂、变电所使用的兼有泄流和均压作用的较大型的网状接地装置。3.10 集中接地装置 concentrated grounding connection 为加强雷电流的散流作用、降低对地电位而敷设的附加接地装置，一般敷设35根垂直接地极。在土壤电阻率较高的地区，则敷设35根放射形水平接地极。3.11 接地电阻 ground resistance接地网或自然接地极的对地电阻，称为接地网的接地电阻。接地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。接地阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值；按通过接地极流入地中工频交流电流求得的电阻，称为工频接地电阻。 3.12接地阻抗 ground impedance 接地网较大时，接地网对地交流电压与通过接地极流入地中交流电流之间有一定的相位差，接地阻抗的数值等于接地装置对地电压向量与通过接地极流入地中电流向量的比值。按通过接地极流入地中工频交流电流求得的阻抗称之为接地网的接地阻抗。3.13 接地装置对地电位 potential of grounding connection电流经接地装置的接地极流入大地时，接地装置与大地零电位点之间的电位差。3.14接地装置电位差 potential difference between two points of grounding connection接地网上有故障电流流过时，接地网上不同两点之间的电位差。3.15接触电位差 touch potential difference 接地短路（故障）电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面上离设备水平距1.0m处与设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1.8m处两点间的电位差，称为接触电位差；主网孔中心对接地网接地极的最大电位差称为最大接触电位差。3.16 跨步电位差 step potential difference 接地短路（故障）电流流过接地装置时，地面上水平距离为1.0m的两点间的电位差，称为跨步电位差。接地网外的地面上水平距离1.0m处对接地网边缘接地极的电位差，称为最大跨步电位差。3.17转移电位 diverting potential 接地短路（故障）电流流过接地装置时，由一端与接地装置连接的金属导体传递的接地装置对地电位。3.18 外露导电部分 exposed conductive part 平时不带电压，但故障情况下能带电压的电气装置的容易触及的导电部分。3.19装置外导电部分 extraneous conductive part 不属电气装置组成部分的导电部分。3.20中性线 neutral conductor 与低压系统电源中性点连接用来传输电能的导线。3.21主变中性点环流 circling current within ground connection 变电所内发生故障时，从故障点经过接地网部分导体流回主变中性点的电流。3.22 热熔焊 利用某些金属在氧化反应中发热的原理把两金属件（极）的部分熔化后焊接在一起。4计算用故障电流和入地电流的选择4.1 计算用故障电流原则上应选择变电所远景接线情况下（1520年），站内发生接地故障时的接地故障电流和各对端有电源的出线所提供的短路电流。（当系统远景不是十分明确时，500kV配电装置的总故障电流可选63kA；500kV站的 220kV配电装置的可选50kA，220kV枢纽站的220kV配电装置选50kA，一般的220kV站的220kV配电装置选40kA；110kV站可选25kA。）4.2通常，接地故障电流应采用惯用的计算程序进行计算，估算接地电流时也可按下式进行：单相接地： Ijd=3 E/(X0+2X1) (4-1)两相接地： IjL=E/(X1+X1/X0) (4-2)Ijd= IjL (4-3)Ijd:为单相接地电流，IjL:为两相接地电流；E：系统电源电势X1：故障点看进去的系统正序阻抗X0：故障点看进去的系统零序阻抗110kV及以上的系统均属于有效接地系统，在验算接地线截面时应计算单相接地和两相接地的情况并考虑两者中的较严重的工况。4.3 计算用入地短路电流的计算 厂或所内和厂或所外发生接地短路时，流经接地装置的电流可分别按下式计算I = (Imax - In ) (1- Ke1 ) (4-4)I = In (1 - Ke2) (4-5)式中： I入地短路电流，A； Imax接地短路时的最大接地短路电流，A； In发生最大接地短路电流时，流经发电厂、变电所变压器接地中性点的最大接地短路电流，对于站内接地故障，该电流就是中性点环流，A； Ke1、Ke2分别为厂或所内和厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数。计算用入地短路电流取两式中较大的I值。故障时接地网的电位升高可按下式计算Ug=IR (46)式中：Ug接地网的电位升高，V； I计算用入地短路电流，A； R接地网(包括人工接地网及与其连接的所有其他自然接地极，但不包括各出线的架空地线)的接地电阻（阻抗）。4.4 新变电所设计，而且每路出线的故障电流的分配情况不明时，计算架空地线分流系数时可以不考虑每路出线中的故障电流而只考虑各路架空地线的等值阻抗与接地网接地阻抗之间的分流。架空地线的等值阻抗可以用下式计算： (47)其中，Z等 为架空地线的等值自阻抗；Rt 为杆塔接地电阻；Z0(g)为每档架空地线的零序自阻抗。架空地线的自阻抗的计算可以选用相关的公式（见附录D）或相应的计算软件。 老变电所改造时，每路出线的故障电流的分配情况很明确，计算分流系数时应考虑每路出线中的故障电流对架空地线分流的影响并选用相应的计算软件进行计算。5 电气装置接地的一般规定5.1 本导则使用于以下类型的变电所，其中：500kV变电所、全户内变电所、PASS、HGIS和GIS变电所应采用铜质接地网；220kV枢纽变电所和土壤腐蚀严重地区的110kV变电所宜采用铜质接地网。5.2发电厂、变电所内，不同用途和不同电压的电气装置、设施，应使用一个总的接地装置。铜质材料可以是铜绞线或铜排（主接地极推荐使用铜绞线），电气装置的接地引下线可以只选一根，其截面应符合热稳定校验的要求。 5.3设计变电所接地装置时，应考虑土壤干燥或冻结等季节变化的影响。均匀土壤中接地装置的接地电阻可按下式估算： （51） 其中： A：接地网的面积h：地网的埋深，mLT：所有水平接地极和垂直接地极的长度 进一步精确的计算可参阅附录C5.4变电所接地装置的最大地电位升高高于2000伏时，可通过技术经济比较适当降低对接地装置接地电阻的要求。土壤电阻率不大于500m的地区，220kV的变电所的接地电阻一般不大于1（占地面积小的GIS站的接地电阻不得大于2），在高土壤电阻率地区的接地电阻一般不大于5。经技术经济比较，可以进一步放宽对接地电阻的要求。 为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向所外或将低电位引向所内的设施，应采取隔离措施。例如：对外的通信设备加隔离变压器或用光缆联结；向所外供电的低压线路采用架空线，其电源中性点在厂、所外适当的地方接地并采用隔离变压器；通向所外的生活和消防用水管道采用绝缘段(城市变电所地下水管线比较密的除外)，铁路轨道分别在两处加绝缘鱼尾板等等。各种措施的隔离电压应大于等于变电所的最高电位升高。5.5确定变电所接地装置的型式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差。当人工接地网局部地带的接触电位差、跨步电位差超过规定值，可采取局部增设水平均压带或垂直接地极，铺设砾石地面或沥青地面等措施。并应符合下列要求：a）在 110kV及以上有效接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值U1=(174+0.17Cs1)/ t (52)U2=(174+0.7Cs1)/t （53)式中：U1接触电位差，V； U2跨步电位差，V； 1人脚站立处地表面的土壤电阻率，m。当地表面敷设有15cm的高阻砾石层时，取砾石层的电阻率； t接地短路（故障）电流的持续时间，S，对220kV变电所取0.2秒。Cs当地表面敷设有15cm的高阻砾石层时，接触电势和跨步电势计算时的修正系数。若地表面没有敷设高阻砾石层时，Cs取1，否则按附录B选取，也可以按如下经验公式计算。 1 （54） b) 500kV变电所、220kV重要变电所的接地网设计，推荐使用国内（外）认可的软件以数值计算方法计算分层土壤的电阻率、接地网的接地电阻、变电所各点的跨步电势和接触电势。c) 用传统方法进行铜质接地网设计时，应精确计算接地网入地电流并采用附录A的有关公式估算接地网各点的跨步电势和接触电势。主变中性点的环流对铜质接地网本身电位差和变电所接触电势和跨步电势的影响可以不考虑，这样做安全裕度更大。d)对占地面积很小的接地电阻较高的城市变电所，还应校核变电所周围的跨步电势是否符合要求。5.6垂直接地极可以使用铜的或镀铜钢接地极。使用镀铜钢的垂直接地极时，外层铜膜的厚度应不小于0.25mm。垂直接地极长度一般不超过3m。为保证施工后电极外层铜膜的完整性，铜包钢接地极还应有相应的结构措施。接地电阻较大时，在高电位升的隔离措施或深钻垂直接地极之间选择措施时，应根据实地的地质情况选择垂直接地极的长度并与相关的隔离措施进行技术经济比较。5.7 铜质接地网水平接地极可以采用铜绞线或铜排，铜材应使用导电性能好耐腐蚀的无氧铜。从施工的简便性和减少接头的数量的角度，推荐使用铜绞线。铜绞线每根导线的截面应大于4mm2，并在施工中应采取相应的保护措施，防止造成伤（断）股。铜质接地网水平接地极的连接可以采用以下方式：5.7.1铝热焊接法采用铝热焊接时，应选择好各种水平接地体之间和水平接地体与垂直接地极之间的连接方式及相应的焊料。对接焊缝的上部应有24mm的加强高度；不应有毛刺、凹凸不平之处。其焊接接头的平均最小抗拉强度不得低于原材料的抗拉强度，焊缝的直流电阻应不大于同截面、同长度的原金属的电阻值。 5.7.2气焊法采用气焊法时,应搭接焊接，扁铜排搭接长度为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接)，焊接必须牢固无虚焊。焊接前应将母线坡口两侧表面各50mm范围内情刷干净，不得有氧化、水分和油污；坡口加工面应无毛刺和飞边。 对接焊缝的上部应有24mm的加强高度；不应有毛刺、凹凸不平之处；引下线母线采用搭接焊时，焊缝的长度不应小于母线宽度的两倍；角焊缝的加强高度应为4mm。5.7.3两种焊接方法施焊前，焊工必须经过考试合格，并应符合下列要求:5.7.3.1考试用试样的焊接材料、接头型式、焊接位置、工艺等应与实际施工时相同。5.7.3.2在其所焊试样中，取一件，按下列项目进行检验，当其中有一项不合格时，应加倍取样重复试验，如仍不合格时，则认为考试不合格：l 表面及断口检验：焊缝表面不应有凹陷、裂纹、未熔合、未焊透等缺陷；l 焊缝抗拉强度试验：焊接接头的平均最小抗拉强度不得低于原材料的75；l 直流电阻测定：焊缝直流电阻应不大于同截面、同长度的原金属的电阻值。5.7.4螺栓连接法用螺栓连接时，螺栓连接处的接触面应按现行国家标准电气装置安装工程母线装置施工及验收规范的规定处理。铜绞线必需做接线鼻或用特殊的线夹和螺栓才可以用螺栓连接。对接地装置的地下部分的连接，本导则推荐使用铝热焊接法。5.8 母线接头螺孔的直径宜大于螺栓直径lmm；钻孔应垂直，螺孔间中心距离的误差应为土05mm。5.9 母线的接触面加工必须平整、无氧化膜。母线扭转90时，其扭转部分的长度应为母线宽度的255倍。经加工后，母线截面减少值不应超过原截面的3。5.10当铜绞线采用压接型线夹连接时，导线的端头伸入线夹或设备线夹的长度应达到规定的长度。采用液压压接导线时，还应符合下列规定：5.10.1压接用的钢模必须与被压管配套，液压钳应与钢模匹配。5.10.2压接时必须保持线夹的正确位置，不得歪斜，相邻两模间重叠不应小于5mm。5.10.3压接后管口导线不应有隆起和松股，接续管表面应光滑、无裂纹。5.11 铜质引下线经铜质接线鼻与钢质材料的连接时，应对铜质接线鼻的接触面和钢质材料接触面进行搪锡处理。在户外与铝质材料相连接时，需用铜铝过渡板。5.12 铜质引下线与钢质接线鼻经铝热焊焊接后与设备支架相连时，钢质接线鼻的截面应符合相关要求。 6、接地导体热稳定校验6.1 引下线的热稳定校验接地引下线的热稳定按以下公式进行校验 （61）式中：Sg接地线的最小截面，mm2； Ig流过接地线的短路电流稳定值，A(根据系统1020年发展规划，按系统最大运行方式确定)； te短路的等效持续时间，s； c接地线材料的热稳定系数，铜质材料取2106.2 目前我省220kV系统线路保护配置基本采用“11、901”系列保护，各套装置均设有高频、距离和零序电流保护。距离保护和零序保护各有三段。后备保护为近后备，故障持续时间应选择：tetm+tf+to其中：tm为主保护动作时间，s；tf为断路器失灵保护动作时间，s；to开关固有动作时间tm+to一般取0.1s，tf取0.5s。110kV系统的故障持续时间应参照各市供电公司保护的具体时间定值选取。6.3 接地体（水平）的热稳定校验根据热稳定条件，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引下线截面的75%。6.4 普通长度的垂直接地极对降低接地电阻的作用并不明显，但可以改善局部点导泄雷电流的能力和降低跨步电势。这种垂直接地极一般应增加在接地网的四周、构架避雷针、独立避雷针和避雷器安装处。6.5 对于大多数可能埋在附近的其他金属而言，铜是阴极，所以铜质接地网的耐腐蚀性较好。由于在短路电流的计算和故障持续时间的选取上都考虑了比较严重的情况，铜质接地网截面的选择时不再考虑留腐蚀的余量。铜质接地网一般不进行开挖检查。7、GIS变电所的接地网7.1一般情况下，GIS 装置只需要常规变电所设备所占土地面积的1025。GIS外部发生故障时，人触摸GIS的金属外壳回产生两种接触电压。手脚的接触电压应满足： （71）其中 接地网最大接触电压，由人脚下的点所决定 GIS外壳上和外壳之间或这些外壳和任何水平或垂直支架之间金属到金属电压差（主要是感应产生的）的最大值。7.2 由于GIS的紧凑特性，其绝缘气体中发生电击穿时产生的高频暂态会耦合到接地系统，这些暂态可能引起短时间、高幅值的地电位升高。 因为GIS站的占地面积小，在总体接地设计中都必须考虑这些暂态，GIS装置下应有接地网，接地网的网格应适当加密（推荐比常规网格加密1倍），GIS 四周的环形接地网增加相应的垂直接地极。7.3 GIS的外壳应连接并多点接地，每个金属支架都应接地。每根接地引下线到GIS接地端子之间的连线尽量短。必要时，还可以使用与GIS装置对应点连接良好的接地的导电平台（接地板）。制造商应向用户提供站内外故障时，外壳感应电压的计算报告、接地端子的设置及对接地网的要求。7.4 GIS外壳与支架之间应直接连接。GIS的外壳应连接并多点接地时，每根引下线应直接连接到接地网上，其截面可按最大短路电流的70进行选择。 7.5 GIS使用板式基础时，宜将基础的钢筋网连通(焊接点之间的距离一般不超过10 m)并尽可能多点与公共接地母线（主接地母线）相连，（前提是GIS地基内的加强钢筋和其他金属都不会由于局部过热而损坏基础）。7.6 GIS站的主接地网的周边应装有一定长度的垂直接地极，垂直接地极之间的距离一般不小于两倍垂直接地极的长度。应校核接地网边缘和围墙或公共马路处的跨步电势。变电所所在地土壤电阻率较高时，紧靠围墙外的人行马路推荐使用沥青路面。7.7为了限制由GIS环流电流引起的不利影响，应该满足下列要求：a) 所有金属外壳应该正常运行在地电位水平。当在指定点接地时，应该确保母线各段外壳之间电压差在允许范围内。b) GIS装置与电缆和变压器（电抗器）直接相连时，为了避免屏蔽电流在GIS装置外的非正常路径中流动，GIS外壳与变压器（电抗器）套管及GIS外壳与电力电缆护层应通过各自的接地连线接到接地系统上。由于GIS外壳和电缆护套及GIS外壳和变压器（电抗器）套管是分别接地的，设计电缆头和变压器套管时，应该提供一个合适的隔离（绝缘）元件和相应的保护器。c) 保护器额定电压的选择应能承受在接地故障电流流入地网时GIS和电缆护层两个接地系统之间产生的地电位差，又能在由开关（隔离开关）分合或GIS中的故障产生的快速暂态电压（VFT）下，保护绝缘垫免受损坏。由于各个制造商的GIS 结构是不同的，制造商应根据各自的GIS装置的特点，提供绝缘垫的绝缘水平和保护器的额定电压的计算书。第24页附录A 接触电位差和跨步电位差验算设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。均压带等间距布置时接地网(见图A1)，地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算：图A1接地网的形状 1) 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Utmax = Ktmax Ug (A1)式中：Ug：接地网的电位VUtmax最大接触电位差，V； Ktmax最大接触电位差系数。 当接地极的埋设深度h=0.60.8m时，Ktmax可按下式计算Ktmax = KdKLKnKs (A2)式中：Kd、KL、Kn和Ks系数，对3030m2S500500m2的接地网，可按式(A3)计算。 (A3)式中：n均压带计算根数； d均压带等效直径，m；L1、L2接地网的长度和宽度。 2)接地网外的地表面最大跨步电位差可按下式计算Usmax = KsmaxUg (A4)式中：Usmax最大跨步电位差，V； Ksmax最大跨步电位差系数。 正方形接地网的最大跨步电位差系数可按下式计算 (A5) 而T=1.0m，即跨步距离。 对于矩形接地网，n值由下式计算 （A6）式中：L、L0分别与式(A3)中意义同。 c)均压带非等间距布置时正方形或矩形接地网地表面的最大接触电位差和最大跨步电位差的计算：1) 接地网均压带可按表A1所示的不等间距方式布置。表A1 接地网不等间距布置网孔边长为网边长百分数 % 网孔序号12345678910网孔数网孔边长百分数327.5045.00417.5032.50512.5023.3328.3368.7517.5023.7577.1413.5718.5721.4385.5010.8315.6718.0094.508.9412.8315.3316.78103.757.5011.0813.0814.58113.186.369.5411.3612.7313.46122.755.428.1710.0011.3312.33132.384.696.778.9210.2311.1511.69142.003.866.007.869.2810.2410.76151.563.625.356.828.079.1210.0110.77161.463.274.826.147.288.249.079.77171.382.974.355.546.577.478.248.909.47181.142.583.864.955.916.767.508.158.71191.052.323.474.535.476.266.957.538.118.63200.952.153.204.155.005.756.407.007.507.90注 由于布置对称，表中只列出一半数值。 2)接地网地表面最大接触电位差仍采用式(A2)计算，但Ktmax变为Ktmax = KtdKthKtLKtmaxKtnKts (A7) 式中各系数依次为对最大接触电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且Ktd =0.401+0.522/Kth =0.257-0.095 KtL =0.168-0.002(L2/L1) (L2L1)Ktmax =2.837+240.021/ Ktn =0.021+0.217-0.132(n2/n1) (n2n1)Kts =0.054+0.410式中：n1沿长方向布置的均压带根数； n2沿宽方向布置的均压带根数； m接地网孔数，其中m=(n1-1)(n2-1)； h水平均压带的埋设深度； L1、L2接地网的长度和宽度。 3)接地网的最大跨步电位差仍采用式(A4)计算，但Ksmax变为Ksmax=KsdKshKsLKsmaxKsnKss (A8) 式中各系数依次为对最大跨步电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数的影响系数，且Ksd=0.574-0.64Ksh=383.864e-2.789KsL=0.741-0.011(L2/L1) (L2L1)Ksmax=0.056+1.072/mKsn=0.849+0.234 (n2n1)