变电站接地网优化设计

目录摘要······························（Ⅰ）第1章：变电站接地网面临的现状··················（1）1.1接地网的概述·······················（1）1.2接电网的现状分析·····················（1）第2章：接地网优化设计的合理性··················（4）2.1关于接地短路电流的计算及接地要求·············（4）2.2对接地网优化设计的分析··················（6）第3章：城市变电站接地网设计···················（8）3.1三维立体接地网基本原理··················（8）3.2垂直超深钢镀铜接地棒垂直超深钢镀铜接地棒·········（9）3.3城市变电站接地网设计特点·················（11）第4章：接地网优化设计的方法····················（13）4.1接地网接地电阻计算及量大电阻的确定············（13）4.2减小接地电阻的方法···················（14）4.3工程设计中的几点建议···················（16）第5章：变电站接地网优化措施····················（18）5.1改进接地网的技术措施·················（18）5.2接地工程设计实践····················（21）第6章：与接地网相关问题······················（23）6.1接地网在设计过程中注意事项···············（23）6.2与城市接地网有关的接地·················（25）结束语····························（27）致谢····························（28）参考文献····························（29）I摘要随着电力系统容量的不断增加，流经地网的入地短路电流也愈来愈大，因此要确保人身和设备的安全，维护系统的可靠运行，不仅要强调降低接地电阻，还要考虑地网上表面的电位分布。电力系统的接地是对系统和网上电气设备安全可靠运行，及操作维护人员安全都起着重大的作用。在110kV、220kV系统采用有效接地方式，系统中的变压器的中性点直接或经消弧线圈（低电阻）接地，而对小电流接地系统的接地则是设备人员安全起着极其重要的作用。但在所有系统条件下，应使其零序与正序电抗之比（X0/X1）为正值，并且其比值应大于3，而其零序电阻与正序电抗之比（R0/X1）为正值，并且比值不大于是。接地网的设计是一十分复杂，要求又非常严格，并涉及地质学，电磁理论，电磁屏蔽，地中电流，电气测量，应用化学及钻探技术等多学科，已成为综合性极强的边缘学科。分析接地网体系结构，就其接地电阻的构成，与诸多因素相关。接地体的布置，连接，接地体的材质，埋没接地装置区域的地质及气候和化学降阻剂的应用。从理论分析及在工程实践中去探讨降低接装置电阻的措施，是保证系统安全稳定运行的必要措施。在以往接地设计中，接地网的均压导体都按3m，5m，7m，10m等间距布置，由于端部和邻近效应，地网的边角处泄漏电流远大于中心处，使地电位分布很不均匀，边角网孔电势大大高于中心网孔电势，而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大。接地装置是保证电气设备安全运行和人身安全的主要设备。由于自然条件和施工工艺等原因，变电站的接地装置腐蚀严重，接地电阻不合格，通过实施改造措施，消除隐患，解决接地网不合格问题。随着城市变电站的小型化,其接地网的面积受到了限制,由于电网的不断扩大,系统短路电流越来越大,因而对接地网的设计提出了新的要求.就城市变电站建设中面临的问题进行了分析,针对城市电网特点,对接地网形式、接地体选择及降低中跨步电势的措施提出了建议。还对城市变电站避雷带接地方案，与民用建筑结合的接地以及二次设备接地等问题进行了探讨。同时建设重新测量本地土壤电阻率，以便在接地风设计中合理取值。本文结合在建工程220kV旗山变电站的接地网设计，阐释了接地网不等间距布置的方法及其合理性。关键词：变电站；接地网；接地电阻第1页第1章变电站接地网面临现状1.1概述随着电力工业的发展，变电站一次设备二次保护对接地装置的要求不断提高。接地装置是确保电力设备安全运行及其工作人员人身安全的重要设备。电力系统中对接地装置的要求越来越严格，变电所接地系统直接关系到变电所的正常运行，更涉及到人身与设备的安全。然而由于接地网设计考虑不全面、施工不精细、测试不准确等原因，近年来，发生了多起地网引起的事故，有的不仅烧毁了一次设备，而且还通过二次控制电缆窜入主控室，造成了事故扩大，故接地网对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。大型枢纽变电站，就因开关室接地与主接地网之间的接地电阻不合格，引发接地网局部地电位升高，造成高电压、大电流窜入直流系统、继电保护系统、击穿保护二次电缆、造成主控楼及保护装置、二次电缆、低压配电设备全部烧毁；150MVA主变压器和220kV、110kV部分高压设备烧毁。致使多家大型发电厂被迫停机，造成电力系统解裂大面积停电。现在尤其是35kV、10kV系统接地故障，由于接地网存在缺陷导致变电站接地网局部电位升高，致使避雷器不能正确动作，甚至发生逆闪，引发母线对地放电，开关爆炸，烧毁电气设备，甚至烧断接地装置，造成大面积停电的事故时有发生。然而，因为设计、施工、验收等各个方面的因素，未能有效地解决接地装置的防腐问题。比如，福州电业局旗山变，经过多次普测和开挖检查，发现接地网锈蚀严重，接地电阻逐年升高。规程规定：变电站接地装置接地电阻应不大于0.5欧。而该站接地网接地电阻由建站时的0.46欧升高至2007年的1.05欧。1.2现状分析为了摸清福州地区地网的腐蚀情况及存在的问题，从1999年起对南郊、北郊、雄县、东郊、等运行20年以上的变电站地网进行了挖掘检查，经检查发现如下问题。a.接地引下线热容量不够公司大部分变电站设备采用的接地引下线为ø12mm圆钢，部分设备甚至用ø8mm圆钢,而且个别站同一电压等级设备的接地引下线规格不齐，并有多点焊接。第2页b.接地引下线与水平地线截面配合不当北郊220kV部分接地引下线截面ø22mm圆钢，而接地引下线与地网干线相连的地线截面却为ø12mm圆钢；10kV母线桥接地引下线为ø10mm的圆钢，主网为40×4mm扁钢。c.没按图纸施工，接地引下线连接不合理东北郊变电站地网施工图为对称布置，是与西北角相对应的东北角上一条主干线，开挖检查却找不到。部分设备接地引下线不是直接引到主网，而是经过操作机构再引到主网，或就近与其它设备接地引下线相连，甚至有部分设备接地引下线直接引进电缆沟内扁铁上。d.后期工程的接地引下线没有与一期工程主地网相连接容城220kV变电站二期工程1号变压器中性点没有与主地网相接；1号变压器本体与底座基础相连，但底座基础没有与主网相连，该主变长期运行在本体及中性点没有有效接地的情况下，侥幸在运行期间没有发生接地故障，并及时发现事故隐患。高店117、118、119间隔，南郊2210间隔均为新增间隔，刀闸与开关接地线相连，成独立网，没与主地网连接。e.部分接地网（线）腐蚀严重电缆沟接地扁钢比土壤中的腐蚀严重；土壤中的接地引下线比水平敷设的主接地网干线腐蚀严重。如水源电缆沟内扁铁多处锈蚀50%以上，甚至有几处已经锈断。f.重要设备未能保证多于一点接地。接地装置的使用功能，就是实现不同的接地目地和用途。较大型接地网是各种电力设备的公共接地网，它必需满足各种综合使用功能的要求。从旗山变电站几年来测试结果（表1）分析，接地网接地电阻呈逐年升高趋势，其特征是：工程起始标准低，水平接地埋设，部分地段接地线裸露地面设备引下线截面较小地网焊接防腐处理不标准地质状况不良，自然环境恶劣表的格式见表1-1表1-1旗山变接地电阻测试对照表日期接地电阻值（欧）测试变化值运行时间（年）1994年9月0.46-----------------------1996年9月0.5增大0.0422002年9月0.915增大0.41562007年9月1.05增大0.1355旗山变电站接地网的不良状况接地电阻不合格、地网严重锈蚀等，直接影响设备第3页安全运行和系统的安全可靠性。改造目标不但要解决地网缺陷问题，还要弄清造成地网不合格的原因，从而制定切实可行的解决方案。通过对旗山变电站地网不合格状态测试分析，得知自然环境是地网不合格的主要原因：地壤盐碱含量高；地质为沙石结构；土壤电阻率高。通地开挖检查，发现靠近大门侧80%为沙石结构；35kV配电区域为沙粒结构；变压器及开关区域为土沙结构。当然还有其它一些原因，比如，施工时水平地网埋设较浅，地网连接没有严格按照规程规定施工等。总之，接地网不合格的主要原因是地质条件差。随着电力系统的发展，电网短路容量越来越大，对接地的要求也越来越高。长期、可靠、稳定的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障，而选择品质好的接地材料和可靠的连接是保障接地系统长期安全可靠的重要因素。长期以来，我国选用镀锌扁钢作为接地材料。这是因为解放初期，我国变电站的规模很小，由于经济和资源的原因，普遍采用钢质材料作为变电站的接地(体)极的材料，这种做法一直沿用到现在。上世纪八十年代末，全国各地相继出现了一些在系统发生接地故障时，因接地网原因，造成变电站高压串入控制室，烧毁控制室和保护盘柜的重大停电事故。根据国家电网公司统计资料，运行10年以上的变电所钢接地网均有不同程度的腐蚀，20年以上的更为严重。根据接地网事故的统计分析，地网腐蚀，接地体在故障时烧断是引发接地网事故的重要因素之一。为防止该类事故的发生，各地除加大接地体及接地引下线的截面外，还制定了相应的运行维护措施，如导通检查和开挖检查，有关院校开展了检测接地体腐蚀程度的分析研究。原国家电力公司“25项反措”对此给予了高度重视，并制订了一系列反措，同时也提出：接地装置腐蚀比较严重的枢纽变电所宜采用铜质材料的接地网。近年来，城市用电水平不断提高，城区内110千伏甚至220千伏变电站不断增多，由于这些站的占地面积普遍较小，而且地面基本无土壤露出，采用钢接地网的缺陷越来越突出，有关反措几乎无法实施，给变电站的安全运行带来了极大隐患。于是选择合适材料作为变电站的接地体而成为一项新课题。.第4页第2章接地网优化设计的合理性2．1关于接地短路电流的计算及接地要求2.1.1关于接地短路电流的计算电力行业标准DL/T6211997中的计算公式为I=（Imax-In）(1-Kel)和I=In(1-Ke2)，取其最大值，式中I为接地短路电流，即通过接地网进行散流的电流。Imax为接地短路时的最大接地短路电流，上述公式仅适用于有效接地系统，该值可向运行部门或继电保护部门索取，也可自己计算，一般采用单相接地时，最大运行方式下的最大短路接地电流。In为发生最大接地短路时，流往变电所主变压器中性点的短路电流。当所内主变压器中性点不接地时，In=0，此是上述可简化为I=Imax（1-Kel）；当变压器只有1个中性点，发生所内接地时，In=30%Imax，有2个中性点时，In约等于50%Imax，实际值应以继电保护部门计算和实测为准。Kel为短路时，与变电所接地网相连的所有避雷线的分流系数，据专家分析，Kel应由避雷线的出线回路数确定，出线为1路时，取0.15，2路时取0.28，3路时取0.38，4路时取0.47，5路以上时取0.5~0.58，且应根据出线所跨走廊的分流效果做出相应的增减。Ke2为所外接地时，避雷线向两侧的分流系数，一般取0.18，这仅适于变电所内有变压器中性点接地的所外接地。取值时，要考虑10年以上的发展规划，需乘以1.2~1.5的发展系数；在散流比较困难的地方，还应乘以散流系数1.25。由上述取值可得出，只有当变电所内有两个中性点接地时，所外接地时的入地短