高土壤电阻率地区变电站接地系统设计电气工程专业论文..docx
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华北电力大学硕士学位论文
摘 要
本文首先研究了人工改良土壤对半球型接地导体接地电阻的影响以及对整个接地系统的影响。
结合《交流电气装置的接地设计规范》中水平接地网接地电阻及最大接触电压计算公式,推导出改良土壤后水平接地网接地电阻及最大接触电压的计算公式,并分析改良土壤对水平接地网接地电阻及最大接触电压的影响。
其次,依托具体工程设计某220kV变电站接地系统,并就等间距和不等间距布置进行比较,确定最后接地网布置方案。
再次,通过对不同接地材料的导电性、热稳定性、耐腐性进行比较,从通过全寿命周期分析,确定接地材料。
最后。
通过CDEGS软件计算系统中不同的故障点相应的接触电压和跨步电压大小,评估变电站水平接地网的安全性能。
关键词:
变电站;接地系统;接触电阻;最大接触电压;全寿命周期
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Abstract
Firstofall,thispaperstudiedtheartificialsoilimprovementinhalfsphericalearthingconductorgroundingresistanceandtheimpactonthegroundofthewholesystem.IncombinationwiththeformulatocalculateofLevelgroundnet’SgroundingresistanceandmaximumcontactvoltageinCodefordesignofacelectricalinstallationsearthing,thecalculationformulaofLevelgroundnet’Sgrounding
resistanceandmaximumcontactvoltageisdeduced.Wealsoanalyzetheinfluenceof
thelevelgroundnet’Sgroundingresistanceandthemaximumcontactvoltageaftersoilimprovement.Thesecond,basedonaspecificengineering,wedesigna220kvsubstationgroundingsystem.Wedeterminethefinalgroundingnetworklayout
schemeaftercomparewiththeequallyspacedandnonuniformarrangement.The
third,Tocomparethematerialsofelectricalconductivity,thermalstabilityandresistancetocorrosion,wedeterminethegroundmaterialselection.Atlast,we
calculatethestepandtouchvoltagesinDifferentpointoffailureinthesystembyCDEGSsoftwareandassessthesafetyofthesubstationlevelgroundnet.
Keywords:
Substmion,EarthingSystem,Contactresistance,Thelargestcontact
voltage,Fulllifecycle
II
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曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇量詈葛皇曼量曼曼量曼曼曼曼曼曼曼鼍皇量曼曼曼曼曼葛鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍黑黑葛鼍曼曼曼 。
目 录
摘要 .I
Abstract ..II
第1章绪论 1
1.1课题背景及研究的目的和意义 ..1
1.2国内外研究现状 一2
1.3本文研究内容 4
第2章改良土壤降阻方法 .5
2.1改良土壤对半球形接地体接地电阻的影响 .5
2.2改良土壤后水平接地网的接地电阻计算 .7
2.3改良土壤后水平接地网最大接触电压和最大跨步电压计算方法 .10
2.4人工改良土壤对水平接地网接地电阻影响 11
2.5人工改良土壤对水平接地网最大接触电压的影响 ..12
2.6本章小结 .13
第3章某220kV变电站接地系统设计 ..15
3.1工程概况及土壤模型反演 .15
3.1.1 工程概况 15
3.1.2土壤模型反演 16
3.1.3土壤腐蚀性分析 17
3.2最大入地短路电流计算及设计目标 18
3.2.1系统模型分析 ..18
3.2.2站内外接地网对分流系数的影响 ..19
3.2.3最大入地电流的计算 20
3.2.4 设计目标 21
3.3 不等间距和等间距接地网电位分布比较 2l
3.3.1 不等间距接地网的最优压缩比选取 ..22
3.3.2不等间距和等间距接地网技术比较 ..24
3.4本章小结 26
第4章变电站水平地网接地材料的选取 27
III
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4.1接地材料技术性能比较 27
4.1.1 导电性能 27
4.1.2热稳定性 27
4.1.3耐腐性 一28
4.2接地网水平接地导体的连接 29
4.2.1 热镀锌扁钢水平接地体的连接 ..29
4.2.2铜和铜覆钢水平接地导体的连接 ..30
4.2.3 铜覆钢垂直接地极安装连接 ..32
4.3接地材料的选取 33
4.3.1 水平接地体材料 33
4.3.2站接地材料的全寿命周期比较 一33
4.4本章小结 .36
第5章某220kV变电站接地系统评估 37
5.1 本站接地网设计方案概述 37
5.2接地网安全性评估 37
5.3本章小结 40
第6章结论与展望 41
6.1结论 .4l
6.2展望 41
参考文献 ..43
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 45
致 谢 一46
作者简介 一47
IV
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第1章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
变电站接地系统是保证变电站内设备与人身安全和电力系统安全可靠运行的重要措施。
近些年来,随着我国经济的不断发展,电力事业飞速发展,电网规模不断扩大,系统电压等级不断提高,系统容量不断增大,尤其近几年特高压的发展,使得变电站接地短路电流越来越大,危害站内设备的安全运行及运行检修人员的人身安全,因此变电站接地系统在变电站设计中非常重要。
变电站接地按功能分,主要包括系统接地、保护接地、防雷保护接地以及防静电接地【·】。
系统接地是为了满足系统运行方式的需要,保证电气设备在正常或事故情况下能可靠工作;保护接地是为了防止设备因绝缘损坏带电危及人身安全;防雷保护接地是为了将强大的雷电流引入大地,消除雷击过电压对设备造成的危害。
防静电接地是为防止静电对易燃油、天然气贮罐和管道等的作用,将静电荷及时排泄到大地【2】。
变电站的接地电阻为在给定的频率下,系统、装置或设备的给定点与参考地之间的电阻,它等于接地体的地电位升与通过接地体流入地中电流的比值,接地电阻与土壤特性和接地体的几何尺寸等有关,主要包括接地引线电阻、接地体的电阻、接地体与土壤间的接触电阻以及接地体周围的土壤电阻。
接地电阻值是衡量变电站接地系统是否安全有效的标准。
当变电站内发生单相接地短路或两相接地短路时,入地短路电流经接地电阻,会使接地网电位升高,当接地电阻值较大时,接地网电位升的更高,这将给运行人员带来很大的安全隐患。
此外,接地电位升高,还可能使二次设备绝缘遭到破坏,影响变电站的安全运行。
调查表明,我国曾发生多起因接地系统设计不当引起的事故,包括变电站接地网后期腐蚀使得接地电阻增大或系统入地短路电流增大,这些事故的发生严重的影响了人们的正常生产、生活,造成了巨大的经济损失。
比如在1985,--一1986年问,湖北省胡集220kV变电站、武钢220kV变电站就因为接地系统设计不当,引起站内弧光短路放电,最后事故扩大为全站停电和相关电气设备严重损坏;又如在1991年浙江电网一个1lOkV变电站发生了35kV开关站短路,由于接地装置存在问题,使一次系统故障扩大到二次系统,造成全所失电,一、二次设备大量损坏;因此我们不难发现,降低变电站内接地电阻使其符合设计要求是保证电力系统安全运行的重要措施。
国家标准GB/T50065.2011《交流电气装置的接地设计规范》中规定有效接地系统和低电阻接地系统中,发、变电站的接地阻抗应满足Znet<、2000/I(单位为Q),I为
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计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值,该电流应按设计水平年系统最大运行方式确定,并考虑系统中各接地中性点间的故障电流分配以及避雷线的分流作用,计算出实际入地的短路电流。
当实际接地阻抗不满足上述要求时,可通过技术经济比较,适当的增大接地电阻,在符合本规范第4.3.3条规定是,接地网地电位升高可提升至5kV,必要时,经过专门计算,在确保人身安全和设备安全可靠的情况下,可以进一步提高接地网的地电位。
我国幅员辽阔,随着经济的发展,用电量逐步增大,各地区变电站不断增多,各变电站地质条件差异较大,土壤电阻率高低不一,如何在高土壤电阻率地区采取相关措施,降低接地网接地电阻,使其符合有关规程规定,成为广大科技工作者和工程技术人员研究的重要内容。
本文通过现场调查研究、理论分析计算以及依托具体的工程实例,研究如何在高土壤电阻率地区降低变电站电阻及接触电压和跨步电压的方法,为在高土壤电阻率地区变电站接地系统设计提供参考,这对于解决高土壤电阻率地区的接地问题具有重要的工程及现实意义。
1.2国内外研究现状
通过调查研究国内外相关文献及工程应用情况,在高土壤电阻率地区降低电阻主要采用以下几种方法。
本节将就其降阻原理、特点、应用的范围及发展趋势作简要分析。
(一)增大接地网面积及接地网埋深。
根据GB/T50065.2011《交流电气装置的接地设计规范》附录A第A.0.3条规定,在均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的复合接地极的接地电阻,其与接地网的面积的平方根近似成反比。
因此在实际工程设计中,增大接地网面积是一种有效的降低接地电阻的方式,并已经在具体工程应用,如安徽某220kV变电站由于土壤电阻率较高,使得接地网接地电阻较大,不满足安全运行,后经充分的计算论证,采用扩大接地网的面积并在接地网四周敷设垂直接地极的方式降低接地电阻,满足了安全运行的要求;不过并不是所有变电站都可以采用增大接地网面积方法来降低接地电阻,需考虑经济效
益和方案可行性,在山区建的变电站由于受到变电站周围的地理条件的限制,无法增大接地网面积,此外,城市中的变电站也因受其周围建筑的影响,无法扩大接地网面积,因此需采取其他降阻措施。
此外,对于增大接地网埋深来降低接地电阻,降阻效果不明显,同时,由于增大埋深,会提高土建工作量,从经济性角度不适宜采用,故在工程中一般很少采用这种方法降阻。
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(二)外引接地外引接地是将变电站内主接地网与站址附近某一低土壤电阻率地区辅助接地网
连接,以达到降低接地电阻的目的【3】。
外引接地的一个必要条件是变电站附件需有一块土壤电阻率较低的区域。
此类方法通常适合于水电站或变电站附近有池塘等低土壤电阻率地区。
如在安徽安庆某一110kV变电站,由于站址处土壤电阻率较高,接地网接地电阻始终居高不下,最后经多方讨论勘查,决定从变电站内接地网四个角分别向站外引出接地极,至站外一土壤电阻率较低处,同时在外引接地极周围填充降阻剂,最终使接地电阻满足要求。
(三)垂直接地极接地采用长垂直接地极接地,结合分层土壤模型,可以充分利用地下低电阻率土壤
层,以达到降低接地电阻的效果【4】。
为了降低水平接地网对垂直接地极和垂直接地极之间的屏蔽效应,提高垂直接地极的降阻作用,垂直接地极宜沿水平接地网外围布置,尽可能增大两垂直接地极间的距离,同时保证两垂直接地极间的距离大于2倍垂直接地极长度。
但在采用垂直接地极降阻方案中,需考虑垂直接地极的饱和效应,即当垂直接地极增加到一定值时接地电阻将趋于饱和,不再降低。
此外,还需考虑施工费用,通过技术经济比较,确定是否采用垂直接地极方法。
(四)爆破接地爆破接地技术是采用钻孔机在地中垂直钻一深孔,在深孔中插入接地极,同时,
沿深孔在不同深度安放一定量的炸药,将深孔周围的岩石颗粒爆裂爆松,接着,用压力机将低土壤电阻率材料压入深孔中,此时爆破深孔和爆破产生的缝隙中填满低电阻率材料,从而实现较大幅度降低接地电阻的目的【s】。
深井爆破接地适用于地层裂隙较多、土壤干燥地区或岩石地区,如固结坚硬的沉积岩、岩浆岩、变质岩地区,硬度稍差的各种砂岩、片岩地区,特别是在地下水奇缺、土壤电阻率极高的岩石地区深井爆破接地具有其它方法无法比拟的优点,但不适用于土壤硬度小、松散的地区【6】。
(五)降阻剂
在高土壤电阻率地区,还可以使用降阻剂并配合其它降阻方法,以达到降低接地电阻的目的[71N。
在接地体周围的土壤中加入降阻剂,可以明显改善土壤的导电性能,从而达到降低接地电阻的目的。
最早的降阻剂是木炭、食盐或者用丙烯酰铵、硅酸盐、石墨和水的混合物,但是这些降阻剂大都溶于水,因此降阻有效期较短,一般只能维持两年左右。
目前,已有很多厂家生产出性能良好的降阻剂,并取得较好的效果。
降阻剂原理为:
降阻剂本身电阻率较低,将降阻剂敷设在接地体周围,可以改善土壤的导电性能,降低接触电阻,同时,也相当于增大了接地体尺寸,从而达到
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降低接地电阻的目的。
当然,由于降阻剂会对环境造成污染,目前不推荐采用其作
为降阻的主要措施。
1.3本文研究内容
本文通过研究高土壤电阻率地区的降阻技术,设计在高土壤电阻地区某变电站的接地系统,主要内容包括:
(1)分析改良土壤对接地系统影响
(2)依托工程概况及土壤模型反演;(3)最大入地短路电流计算及设计目标;(4)不等间距和等间距接地网电位分布比较;(5)水平地网接地材料的选取;(6)接地系统评估
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第2章改良土壤降阻方法
接地装置的接地电阻主要由三部分组成,接地引线电阻、接地体自身电阻、接地体与土壤之间的接触电阻以及接地周围土壤的散流电阻,后面两部分与土壤的电阻率密切相关【9]。
在高土壤电阻率地区,接触电阻和散流电阻都比较高,如果能够采取措施降低土壤电阻率,将能够有效的降低整个接地系统的接地电阻。
工程实际中,常常在接地体周围用低土壤电阻率土换原来高土壤电阻率土,或者在接地低周围使用降阻剂,降低接地体周围土壤的电阻率。
本章首先通过理论推导,分析改良土壤对半球形接地体接地电阻的影响,结合接地规范中的水平接地网的接地电阻及最大接触电压、最大跨步电压公式,推导出改良土壤后水平接地网的接触电阻、最大接触电压跨步电压的计算公式,最后,分析改良土壤对降低接地系统接地电阻、最大接触电压、跨步电压的影响,为工程设计提供理论支持。
2.1改良土壤对半球形接地体接地电阻的影响
假设半球形接地体的半径为r0,经过它流入地中的电流为I,再假定大地为电阻率为P半无限大均匀介质,在离球心r(r>ro)处电流密度为
ar2砑1芦(2-1)
电场强度为:
E_陋=等(2-2)
假设零电位点为无穷远处,则距离球心r处的电位为:
Ur I;Edr=f争=筹 协3,
由式(2.3)可得
砜:
兰 (2.4)
Z刀ro
故半球接地体的接地电阻为:
R=%2东 沼5)
半球形接地体表面到距球心r’处土壤电阻足.为
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B=(’争2参唼一专 亿6,
将式(2-5)和式(2.6)相比,可得半球形接地体表面到距球心土壤电阻兄,与半球接地体的接地电阻比值
万:
Rj__L:
1一一ro (2.7)
R ,’
由式(2.7)可得万与二曲线图,如图2.1所示
图2.1万与!
关系曲线图
%
从图中可以看出,当!
=2时,万为o.5,即在半球形接地体周围土壤厚度约为
,O
半球体球半径两倍时,其土壤电阻约为半球体半径的0.5倍;当二=10时,半球形
,i
接地体周围土壤电阻厚度约为半球体电阻的90%。
可见,在对半球体周围一定范围内进行土壤改良,有助于降低接地电阻。
将半球体周围一定范围内的土壤进行改良,假设改良的土壤电阻率为P’,改良土壤厚度为%,即,’2ro,故可求得改良土壤后,半球体的接地电阻为
墨2(’争+f争2筹 沼8,
由式(2.5)和式(2.8)可得土壤改良后与土壤改良前半球体的接地电阻比值
42丢=扣≯ 协9,
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;曼曼曼曼曼曼曼曼量皇皇寡舅舅曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼舅舅曼舅舅量曼舅曼舅舅曼曼曼曼笪曼曼量曼置曼皇曼皇曼笪曼曼曼皇量舅曼量量舅鼍曼曼曼曼量
,'
Eh式(2.9)可得4与土壤电阻率与的关系曲线如图2-2所示。
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l2
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08
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04
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U b lO 15 2U Zb
Q}p÷
图2.24与土壤电阻率二的关系曲线
pj
从图中可以看出,当人工改良的土壤电阻率p’为原土壤电阻率的1/5时,半球体的接地电阻能降到改良前60%左右,故人工改良半球体周围土壤电阻率,可有效降低接地电阻。
2.2改良土壤后水平接地网的接地电阻计算
前面主要分析的是半球形接地体在人工改善土壤后对降低电阻的作用,然而在实际工程现场,接地网的接地材料往往不是半球形的。
半球接地体是我们用来分析和研究的一种模型,将半球接地体半径逐渐缩小,其实就是一点,故可将半球体当作一点电流源[10】【11】。
在工程现场常用的接地材料形状大小不一,有镀锌扁钢、镀锌圆钢、铜排等各种金属或非金属导体,或是由它们组成复杂的接地网系统(如水平
接地网)。
此外,变电站接地网接地体周围介质及附件接地地影响,它的散流分布与电位分布与点电流源有比较大的区别,所以,我们不可能用简单的点电流源模型来分析。
现以我们工程中常用的镀锌扁钢为例分析计算接地网接地电阻,镀锌扁钢其截面为矩形,并且现场施工开挖时,用于敷设接地导体的沟其截面也大多为矩形,为便于分析和计算,首先将接地导体截面与人工改善土壤的截面均近似为圆形,如图2.3与图2.4所示。
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空气
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、接她导体
& \、改良后土壤
L——丛——一
图2.3人工改良土壤
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