接地网的保护及龙凤坝变电站保护方案的确定

1、接地网的保护及龙凤坝变电站保护方案的确定    接地就是将电气设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷击电流的泄流通道，稳定点位，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。变电站接地网，对于变电站的安全运行有着极其重要的作用。表征接地网电气性能的参数为接地电阻。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，保护性能越好。但是，当前我国由于资源缺乏和经济原因，大多都采用普通碳钢作为接地网材料。在没有保护的条件下，这种地网极易被腐蚀断裂，从而增大接地

2、电阻，降低地网对电力系统的保护性能。国内由于地网腐蚀而导致的电力事故较多。随着电压等级的升高，这种事故发生的几率将更大、破坏性将更强。鉴于此，龙凤坝变电站决定对电网采取保护措施。1接地网的作用接地网在变电站中占有十分重要的位置，其作用是把故障电流引入地下并为站内设备提供参考电位。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。另外发变电站仪器和控制设备也应当接地。交流电力系统根据中性点是否接地而分为中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统（包括中性点绝缘系统、中性点通过电阻或电感接地的系统）。我国在110kV及以上的电力系统中均采用中性点有效接地的运行方式，其

3、目的是为了降低电气设备的绝缘水平，这种接地方式称为工作接地。采用中性点有效接地方式后，正常情况下作用在电气设备（如电力变压器）绝缘上的电压为相电压。如果采用中性电绝缘的工作方式，则发生单相接地故障，且又不跳闸时，作用在设备绝缘上的电压为线电压，二者相差姨3倍。采用中性点有效接地方式后，作用在设备绝缘上的电压明显降低，因此设备的绝缘水平也可以降低，即达到缩小设备绝缘尺寸、降低设备造价的目的。对于有效接地系统，在正常情况下，流过接地装置的电流为系统的不平衡电流，而在系统发生短路故障时将有数十千安的短路电流流过接地装置，一般短路电流持续时间为0.5秒左右。在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带电，

4、如果这时人接触设备外壳，将产生危险。因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳必须接地，这种接地称为保护接地。当电气设备的绝缘损坏而使外壳带电时，流过保护接地装置的故障电流应使相应的继电保护装置动作，切除故障设备，另外也可以通过降低接地电阻保证外壳的点位在人体的安全电压值之下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的触电事故。为了防止雷电对电力系统及人身安全的危害，一般采用避雷针、避雷线及避雷器等雷电防护设备。这些雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连，以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地。流过防雷接地装置的雷电流幅值很大，可以达到数百千安，但持续的时间很短，一般只有数十微秒。现代电力系统大量采用

5、以固体电子设备为基础的仪器和控制设备，这些设备工作时需要确定信号的参考地。信号参考地对于保证电子设备及计算机控制系统等的正常工作起着十分重要的作用。而现代电力系统，很难提供纯净的无干扰的信号参考地，因此提高信号地的抗干扰能力是接地设计时需要考虑的重要问题之一。从功能上看，信号参考地是一种特殊的工作接地。将电力系统中性点接地的工作接地，能够降低作用在电气设备上的电压，从而降低电气设备的绝缘水平。在发变电站，通过避雷线、避雷针和避雷器来吸收和泄放雷电能量，这些防雷设备必须通过接地装置将雷电能量泄放到大地。将所有电气设备的外壳接地，当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，能够保证接触设备外壳的人员的

6、人身安全。另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均压措施来保证接触电压和跨步电压满足人身安全要求。接触电压是指故障时人体接触与接地装置相连的设备外壳或金属构件时所承受的手和脚之间的电位差，而跨步电压则是故障时人体两脚之间承受的电位差。通过接地可以将由于摩擦等产生并积蓄的静电尽快释放到大地，防止静电干扰引起事故和破坏。2接地网的腐蚀及其危害我国接地网材料大多采用普通碳钢，普通碳钢在土壤中较易受到腐蚀。腐蚀的程度主要取决于用于保护构筑物和设备的防护措施以及所处环境的腐蚀特性。当设计地网时应考虑到腐蚀。接地导体和连接线埋在或浸没在腐蚀性环境中时会受到腐蚀的影响。接地装置一般埋在地下，构成接地装置

7、的导体将产生土壤腐蚀现象。接地装置在土壤中的腐蚀属于化学腐蚀。目前我国普遍反应接地装置的导体和接地引线腐蚀严重，特别是上世纪5060年代埋设的接地装置及接地引线已普遍出现比较严重的腐蚀，由于腐蚀导致的电力系统事故也时有发生。接地网的腐蚀源于普通碳钢在腐蚀性土壤环境中的电化学腐蚀以及电网设备运行中的泄流电流造成的电解腐蚀。腐蚀使接地网接地性能不良，危及设备及人身安全。因此接地网防腐蚀，保证接地性能的稳定，延长接地网适用寿命，是需要解决的课题。3接地网的保护3.1采用镀锌钢作接地网材料目前，变电站普遍采用镀锌钢作接地网材料。试验表明，热镀锌钢在没有泄流电流影响时耐蚀性能尚好，但是在输变电设备接地网

8、有泄流电流的电解腐蚀时，其耐蚀性能与普通碳钢相比，提高极少，不能明显改善接地网的防蚀性能。3.2使用抗腐蚀性能好的降阻剂降阻剂主要由含强导电性的盐份组成，使用抗腐蚀性能好的降阻剂包裹接地网，一方面使其能有效降低接地网的接地电阻，另一方面又减缓对接地网的腐蚀。但是如果降阻剂选用不当，仍然会加剧腐蚀反应。3.3采用涂覆层涂覆层是防止金属腐蚀最常用的一种手段。由于接地网主要起泄流作用，变电站接地网的接地电阻值要求极低，因此接地材料不能采用绝缘涂层，这就使该方法受到了一定限制。另外这种方法由于对导电涂料的导电性能和理化性能要求高，并且施工困难，难以在大规模的新建接地网上应用；对于使用多年的老接地网使用

9、导电涂料防腐蚀，更是价格昂贵，施工困难，而且导电涂料的使用寿命有限；除此之外，一旦涂覆层有针孔、破损等缺陷，还会发生大阴极小阳极现象，使地网遭到严重的局部腐蚀，造成地网穿孔或断裂。因此，在较强的腐蚀性土壤中，涂覆层很难使接地网得到长期有效的保护。3.4选用铜材选用铜材做接地网，其耐腐蚀性能虽然比碳钢好，但投资较高，而且还会给与之相连的其他金属带来严重的电偶腐蚀。3.5采用电化学保护法电化学保护技术是控制和减缓接地网金属腐蚀的极有效而又很经济、省事的方法。电化学保护法有许多种，阴极保护是最常见的电化学保护方法。阴极保护技术是国际上公认的防蚀技术，它发明于1824年，直到上世纪30年代才开始应用，

10、至今已有一百多年的历史，其应用涉及到地下、水中及化工介质中的管道、容器、港口码头、船舶、电缆金属护套、混凝土构筑物和化工设备等诸多方面。我国是从1958年开始研究阴极保护技术工业应用的，但在变电站接地网上的开发研究时间并不长。根据外部提供阴极电流的方式不同，阴极保护方法可分为牺牲阳极法和外加电流法两种。一是牺牲阳极法阴极保护，牺牲阳极法是用一种更活泼的金属或合金与被保护的金属连接在一起，靠该合金不断地腐蚀溶解产生的电流来保护被保护的金属。可用作牺牲阳极的材料有锌合金、镁合金、铝合金等。二是外加电流法阴极保护，外加电流法阴极保护防蚀技术是依靠外部的自动控制直流恒电位/恒电流电源向接地网提供阴极保

11、护电流的方法。它通过埋设于地下的辅助阳极向作为阴极的接地网金属输送所需的保护电流；以一个参比电极所测得的接地网电化学电位来控制保护电流的大小。4龙凤坝变电站接地网保护方案4.1变电所基本情况概述恩施州电力总公司龙凤坝220kV变电站位于恩施市东郊8km的丘陵地带。于2002年1月完成一期建设，2005年12月二期建设竣工。接地网地域面积约为24 394m2。建站时所用接地网材料为63×6mm的普通扁钢及50×50×5普通角钢。龙凤坝变电所投运7年，土壤中的部分接地网的锈蚀已很严重。因此有必要采取有效防锈保护措施。龙凤坝变电所土壤理化性能见表1。土壤中可溶性盐类电解

12、质含量为89119mg/100g土。龙凤坝变电所土壤pH值平均为7.67，属中性土壤。根据表2列出的土壤含盐量及土壤pH值与土壤腐蚀性的相关判定标准，龙凤坝变电所土壤具有中等腐蚀性。龙凤坝变电所设计资料提供的采用Wenner四极法测试现场土壤电阻率在150635·m，这表明龙凤坝变电所不同地域的土壤电阻率均很高，且差别很大，说明土壤的导电性差且很不均匀。这种不均匀因素会对接地网腐蚀的均匀性产生较大影响，接地网有的部位腐蚀会非常严重，并且呈现明显的局部腐蚀形态。4.2变电所接地网阴极保护防蚀技术方案阴极保护技术是控制和减缓接地网金属腐蚀的极有效而又很经济、省事的方法，它是基于金属腐蚀的

13、电化学理论，由外部向地下腐蚀的接地网金属材料提供阴极直流电流的方法，使金属电位降低（阴极极化），从根本上降低金属的腐蚀倾向和腐蚀速率，达到抑制接地网金属碳钢材料的土壤腐蚀的效果。图1中Ea和Ec是金属表面阳极和阴极的开路电位。金属腐蚀时由于极化作用，阳极和阴极区的电位都接近于图上的S点所对应的电位Ecorr，这时金属以腐蚀电流Icorr相应的速率腐蚀。如果从外部把阴极电流输入接地网系统，使金属进行阴极极化，此时电位从Ecorr向负的方向变动，当金属电位极化到E1，这是所需的极化电流为I1，相当于图上的AC段。相当于BC线段部分的I是外部提供的电流，而AB线段这部分电流乃是金属阳极腐蚀过程中所产

14、生的电流，这表明金属被阴极极化到E1电位时，金属的腐蚀还未停止，阴极保护尚未达到完全。但被保护的金属本身的腐蚀（溶解）速率已大大降低。为了达到完全的阴极保护，必须使整个金属的电位阴极极化降低到最活泼的阳极区的开路电位Ea，此时被保护金属的腐蚀速率就为零，这时加的电流Iappl即为达到完全保护所需的电流，相应的电位Ea称为最小保护电位。实际上，根据金属腐蚀电极过程动力学原理及碳钢在土壤中的实测极化曲线及实际应用情况可知，当阴极极化使碳钢的腐蚀电位比它的起始电位低0.1V以上时，碳钢在土壤中的腐蚀速率已有明显的下降。因而在实际应用时，接地网金属的电位并不需要阴极极化到最小保护电位值，而是只需将电位

15、下降例如0.1V以上就有明显的保护效果，减缓金属的腐蚀达到满足接地网防蚀的要求。根据外部提供阴极电流的方式的不同，阴极保护方法可分为牺牲阳极法和外加电流法两种。前者是用一种更活泼的金属或合金与被保护的金属连接在一起，靠该合金不断地腐蚀溶解产生的电流来保护被保护的金属。可用作牺牲阳极的材料有锌合金、镁合金、铝合金等。这种方法不需要外部电源，但是在土壤电阻率大的情况下输出电流有限，无法满足保护所需的电流要求，且电流不能或难以调节。采用时需要在变电站现场埋设数量很多的牺牲阳极块。牺牲阳极块的设计寿命有限，需定期更换。外加电流法阴极保护是依靠外部的直流恒电位/恒电流电源向接地网提供阴极保护电流的方法。它通过埋于地下的辅助阳极向作为阴极的接地网输送所需的保护电流；以参比电极所测得的接地网电化学电位来控制电流的大小。此种方法可输出的电流大且可调，电位可以人为设定，且自动跟踪控制，使用寿命可长达2030年。因而适于在面积大的接地网上采用。但在系统的设计上要考虑全面、小心，接地网用外加电流进行保护。龙凤坝变电所的土壤电阻率很大，达到150635·m，因此龙凤坝变电所接地网电化学技术防蚀保护采用外加电流型阴极保护方式。5结语本文介绍了接地网的