變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用學(xué) 生：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 專(zhuān) 業(yè)：重慶大學(xué) 學(xué)院二O一四年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign and Application of Substation Grounding GridsUndergraduate: Supervisor: Prof. Assistant Supervisor : Major: XXXXXXXXChongqing UniversityJune 2014摘 要接地系統(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，保障設(shè)備和人身的安全具有重要意義。接

2、地電阻是接地系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，接地電阻的測(cè)量是檢驗(yàn)接地系統(tǒng)在系統(tǒng)故障時(shí)能否有效發(fā)揮作用的重要措施。因此，在變電站投運(yùn)之前或運(yùn)行一段時(shí)間后都要測(cè)量其接地電阻值。以前由于接地裝置的問(wèn)題而引起的主設(shè)備損壞、變電站停運(yùn)等事故己發(fā)生多起，都給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很大的危害，因而電力系統(tǒng)的接地問(wèn)題必須受到充分的重視。本文介紹了幾種接地電阻的計(jì)算方法，采用了常用簡(jiǎn)化公式和內(nèi)插法計(jì)算方法對(duì)南通110kV三谷變電站的接地網(wǎng)接地電阻進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩種計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的電阻值進(jìn)行了比較。然后針對(duì)江蘇電網(wǎng)中逐步推廣采用的銅材接地網(wǎng)，對(duì)正在建設(shè)中的南通110kV十總變電站接地網(wǎng)采用鋼材和銅材分別進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)

3、鋼材和銅材接地網(wǎng)的技術(shù)方案和經(jīng)濟(jì)方案做了比較。結(jié)果表明，常用簡(jiǎn)化公式算法的精度是滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求的；與鋼接地體相比較而言，銅接地體具有導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性能好，不易腐蝕，施工方便，可加快工程的進(jìn)度，并且壽命較長(zhǎng)，投運(yùn)之后可減少檢驗(yàn)維護(hù)的工作量，對(duì)土壤無(wú)污染，但是初期投資有所增加，如果從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益來(lái)考慮，采用銅接地網(wǎng)是合理的。關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)，接地電阻，鋼網(wǎng)，銅網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)性比較ABSTRACTGrounding system is important to the reliable operation of power system and the safety guarantee of person

4、and equipment. Grounding resistance is the key parameter of grounding system, the measurement of grounding resistance is an crucial step to make sure the grounding system to play its role during the system fault, it shall be carried out before the substation is launched or annually during their oper

5、ation. Many faults such as the main equipment damage and the lose power in a power substation, arise from the grounding device problem. Therefore, enough attention shall be put on the grounding problem of power system.This paper introduces some ways of computing the grounding resistance, and compute

6、s the grounding resistance of the Nantong 110kV Sangun substation, and compares the result of computing with it's of testing. Then computes Nantong 110kV Shizong substation, by comparing and analyzing the performances difference of large copper and steel material, this paper draws some useful co

7、nclusion. The conclusion indicates: the way of the simple formula is satisfied to the requirements of engineering design; comparing with steel material, copper has better electric, better heat-resistant, not easily eroded, more convenient in constructions, longer life, less pollution to the soil. Al

8、though using copper material, the earlier investment is larger, in long view, it is reasonable.Key words： Grounding net, Grounding resistance, Steel material grounding, Copper material grounding，Grids economic comparison目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論51.1 引言51.2 本課題研究的意義和價(jià)值61.3 本課題的主要內(nèi)容62 變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)82.1 變電站接地網(wǎng)

9、設(shè)計(jì)的影響因素82.1.1 接地電阻82.1.2 入地短路電流82.2 變電站接地電阻的一般要求82.2.1 有效接地和低電阻接地82.2.2 消弧線(xiàn)、高電阻接和不接地92.2.3雷電保護(hù)接地的接地 電阻92.3 變電站的接地網(wǎng)的均壓要求102.4 變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的原則103 接地電阻的計(jì)算方法123.1 均勻土壤的接地電阻計(jì)算123.1.1 內(nèi)插法123.1.2 常用簡(jiǎn)化計(jì)算公式法133.2 雙層土壤接地電阻計(jì)算133.2.1簡(jiǎn)化公式法133.2.2 經(jīng)典鏡像法143.2.3 邊界元法154 110kV三谷變電站接地電阻的計(jì)算和測(cè)試164.1 南通110kV三谷變電站簡(jiǎn)介及計(jì)算164.2

10、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量及分析174.2.1 接地電阻測(cè)量方法174.2.2 南通110kV三谷變電站接地阻抗測(cè)量174.2.3實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果比較195 鋼材和銅材接地網(wǎng)的比較205.1 性能比較205.2 經(jīng)濟(jì)比較206 現(xiàn)存接地網(wǎng)的問(wèn)題及其對(duì)策226.1 存在的問(wèn)題226.1.1 電壓分布梯度大226.1.2接地網(wǎng)不能滿(mǎn)足短路電流的熱穩(wěn)定性要求226.1.3 地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重226.1.4 施工質(zhì)量及工藝不高226.2 對(duì)接地網(wǎng)存在問(wèn)題采取的對(duì)策226.2.1接地點(diǎn)的電位均衡226.2.2 采取防腐蝕措施226.2.3 對(duì)接地網(wǎng)施工嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)236.2.4 變電站設(shè)備的年測(cè)試237 總結(jié)24參 考 文

11、 獻(xiàn)25 1 緒論1.1 引言 將電力系統(tǒng)或建筑物中電氣裝置、設(shè)施的某些導(dǎo)電部分，經(jīng)接地線(xiàn)連接至接地極，這就是接地；其中為提供電氣裝置至大地的低阻抗通路而埋入地中，并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體，稱(chēng)為接地極。變電站的接地網(wǎng)按作用可分為三種方式：(1) 工作(系統(tǒng))接地，根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要進(jìn)行的接地，包括電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地以及中性點(diǎn)不接地等。(2) 保護(hù)性接地，由于絕緣損壞電力系統(tǒng)中電力裝置的金屬外殼的構(gòu)架和線(xiàn)路桿塔等很有可能帶電，為防止其危及人身和設(shè)備的安全而設(shè)的接地。(3) 雷電保護(hù)性接地，為雷電保護(hù)裝置(避雷針、避雷線(xiàn)和避雷器等)向大地泄放雷電

12、流而設(shè)的接地1。變電站接地網(wǎng)在電力系統(tǒng)建設(shè)中具有非常重要的作用，通過(guò)接地網(wǎng)可以將故障電流引至大地并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備提供參考電位。它是維持變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，保護(hù)運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施2。變電站接地網(wǎng)中，接地裝置的接地電阻是一個(gè)非常重要的參數(shù)，接地電阻的數(shù)值是電流I經(jīng)接地極流入大地時(shí)，接地極上的電位V與I的比值。按通過(guò)接地極流入地中工頻交流電流求得的電阻，稱(chēng)為工頻接地電阻；按通過(guò)接地極流入地中沖擊電流求得的接地電阻，稱(chēng)為沖擊接地電阻。通常情況下，它主要是大地呈現(xiàn)的電阻，包括接地引線(xiàn)的電阻、接地極本身的電阻、接地極與大地的接觸電阻以及電極至無(wú)窮遠(yuǎn)處的土壤電阻。接地電阻的大小除和

13、大地的結(jié)構(gòu)、土壤的電阻率有關(guān)外，還和接地體的幾何尺寸和形狀有關(guān)，在雷電沖擊電流流過(guò)時(shí)，還和流經(jīng)接地體的沖擊電流的幅值和波形有關(guān)3。如果接地電阻過(guò)大，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障或遭遇雷擊時(shí)，變電站接地網(wǎng)將無(wú)法正常泄放故障電流，故障電流引發(fā)的地面電位可能會(huì)擊穿電氣設(shè)備的絕緣，甚而發(fā)生高壓竄入二次控制室，使監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作或拒動(dòng)作而導(dǎo)致事故擴(kuò)大化，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全可靠性，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及不良的社會(huì)影響。除此之外，當(dāng)故障電流在大地內(nèi)擴(kuò)散開(kāi)時(shí)，地表電位梯度可能會(huì)因?yàn)槌鋈梭w所能承受的安全上限而危及附近人員的人身安全4-7。我國(guó)曾發(fā)生多起由于接地系統(tǒng)的接地電阻未達(dá)到要求所導(dǎo)致的事故或事

14、故的擴(kuò)大，如廣西合山電廠(chǎng)、湖北潛江變電站等。因此，變電站接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施，接地電阻是變電站接地是否合格的重要技術(shù)指標(biāo)。變電站投運(yùn)前必須測(cè)量其接地網(wǎng)電阻是否達(dá)標(biāo)，運(yùn)行維護(hù)期間也要定期測(cè)量。從故障檢測(cè)的角度來(lái)看，對(duì)接地網(wǎng)電阻的定期測(cè)量以及分析是非常關(guān)鍵的，有助于監(jiān)視電氣設(shè)備運(yùn)行狀況，避免發(fā)生故障。1.2 本課題研究的意義和價(jià)值 通過(guò)以上分析，如何在眾多的地網(wǎng)接地電阻計(jì)算方法中，找到適合實(shí)際工程應(yīng)用、簡(jiǎn)單實(shí)用、誤差小的計(jì)算方法，選用合適的接地網(wǎng)的主材，克服現(xiàn)在電網(wǎng)中接地網(wǎng)主材料所暴露出的問(wèn)題，是電網(wǎng)工程建設(shè)中所面臨的重大課題之一。本文介紹了

15、集中接地電阻的計(jì)算方法，采用簡(jiǎn)化公式法和內(nèi)插法對(duì)南通110 kV的三谷變電站的接地網(wǎng)電阻進(jìn)行了計(jì)算，并將兩種方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的電阻值進(jìn)行了比較。接著對(duì)南通110kV十總變電站接地網(wǎng)采用鋼材和銅材分別進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)鋼材和銅材接地網(wǎng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方案進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，簡(jiǎn)化公式算法精度滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求；與鋼接地體相比而言，銅接地體具有較好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性，耐腐蝕能力強(qiáng)，施工方便、使用壽命長(zhǎng)，投運(yùn)后可以有效減少檢驗(yàn)維護(hù)工作量，并且無(wú)污染，缺點(diǎn)就是投資成本有所增加，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，采用銅接地網(wǎng)更為合算，特別是對(duì)那些變電站在地處城區(qū)、設(shè)備組合程度高、占地面積小的地方，采用銅接地網(wǎng)更有優(yōu)勢(shì)。1.

16、3 本課題的主要內(nèi)容 變電站接地網(wǎng)的正常工作對(duì)于電力系統(tǒng)具有非常重要的作用，因此一直受人們的重視。本課題設(shè)計(jì)目標(biāo)是研究變電站接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算方法，并且比較分析銅接地網(wǎng)和鋼接地網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)。論文分為七章，組織結(jié)構(gòu)如下：第二章：首先闡述了影響接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的因素：包括接地電阻和入地短路電流；同時(shí)詳細(xì)分析了接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的一般要求、原則以及注意事項(xiàng)，并且重點(diǎn)介紹了在工程設(shè)計(jì)中普遍采用的降阻措施。第3章 ：主要介紹了計(jì)算均勻土壤接地電阻的內(nèi)插法、常用簡(jiǎn)化計(jì)算公式法以及計(jì)算雙層土壤接地電阻的簡(jiǎn)化公式法、經(jīng)典鏡像法和邊界元法。第4章 ：運(yùn)用第3章所介紹的簡(jiǎn)化計(jì)算公式法和內(nèi)插法對(duì)南通110kV三谷變電站接地電阻進(jìn)

17、行計(jì)算，同時(shí)采用變頻小電流法對(duì)該變電站實(shí)際接地電阻進(jìn)行測(cè)量，最后對(duì)獲得的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與對(duì)比。第五章：利用南通110kV十總變電站對(duì)銅接地網(wǎng)與鋼接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行了分析和比較，簡(jiǎn)要闡述了銅或鋼所構(gòu)成的接地網(wǎng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，證明了在一些場(chǎng)合下采用銅接地網(wǎng)的優(yōu)越性和合理性。第6章 ：著重介紹了一般接地網(wǎng)存在的問(wèn)題以及在施工中應(yīng)采取的對(duì)策。在實(shí)際施工中以最高性?xún)r(jià)比來(lái)設(shè)計(jì)接地網(wǎng)，同時(shí)應(yīng)采用新技術(shù)和新材料。第7章 ：總結(jié)了論文所作的研究?jī)?nèi)容，并展望了今后的工作方向。2 變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)2.1 變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的影響因素2.1.1 接地電阻 變電站電氣接地裝置主要是人工接地網(wǎng)，該接地網(wǎng)以

18、水平接地極為主進(jìn)行敷設(shè)，其外緣通常閉合，各個(gè)角成圓弧形，計(jì)算接地電阻的簡(jiǎn)易公式為R=0.5/，土壤電阻率和地網(wǎng)面積S是影響接地電阻的主要因素。下面對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行分析：(1) 土壤電阻率：首先，0以上時(shí)含水量越大的土壤，則其電阻率越?。黄浯?，對(duì)于結(jié)冰的土壤，當(dāng)溫度低于0時(shí)，電阻率出現(xiàn)十分明顯的增大，而溫度從0上升時(shí)，電阻率平穩(wěn)的下降；此外，土壤越致密則接觸電阻也就越小。(2) 地網(wǎng)面積：地網(wǎng)面積的大小是影響接地電阻的主要因素。當(dāng)接地電阻不能滿(mǎn)足要求時(shí)，必須增大地網(wǎng)面積，但考慮到實(shí)際操作可行性較困難，通常不推薦采用該方法。 2.1.2 入地短路電流 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，產(chǎn)生的接地短路電流經(jīng)

19、三種途徑流入系統(tǒng)接地中性點(diǎn)：(1) 經(jīng)架空地線(xiàn)桿塔系統(tǒng)；(2) 經(jīng)設(shè)備接地引下線(xiàn)、地網(wǎng)流入本站內(nèi)變壓器中性點(diǎn)；(3) 經(jīng)地網(wǎng)入地后，再通過(guò)大地流回系統(tǒng)中性點(diǎn)。 而對(duì)地網(wǎng)接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流，入地短路電流是總的接地短路電流減去架空地線(xiàn)的分流、再減去流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流(即流經(jīng)變壓器的零序電流)。如此計(jì)算，入地短路電流值相對(duì)比較小。由于接地電阻允許值R2000/I，所以接地電阻相應(yīng)的允許值就比較大，設(shè)計(jì)也容易滿(mǎn)足23。2.2 變電站接地電阻的一般要求2.2.1 有效接地和低電阻接地在這種條件下，變電站電氣裝置保護(hù)接地的接地電阻應(yīng)符合下列要求：(1) 通常，接地裝置的接地電阻必須

20、符合下式要求R2000/I (2-1)式中R最大接地 電阻，單位：；I入地短路 電流，單位：A。變電站內(nèi)外發(fā)生接地短路時(shí)，流經(jīng)接地裝置的電流可分別按下式計(jì)算 (2-2) (2-3)式中 I入地的短路電流，單位：A； Imax最大的接地短路電流，單位：A； IN在最大接地短路電流下，流經(jīng)變電站接地中性點(diǎn)的最大接地短路電流，單位：A； Ke1、Ke2分別為變電站內(nèi)或外短路時(shí)，避雷線(xiàn)的工頻分流系數(shù)。計(jì)算用入地短路電流取兩式中較大的I值。(2) 當(dāng)接地網(wǎng)的接地電阻由于受條件限制，達(dá)不到要求，可以通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，適當(dāng)增大接地電阻，但不得大于5，其他的要求如下：1) 為防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，對(duì)可能將接

21、地網(wǎng)的高電位引向變電站外或?qū)⒌碗娢灰蜃冸娬緝?nèi)的設(shè)施，應(yīng)采取必要的隔離措施。2) 把短路電流非周期分量的影響考慮進(jìn)去，當(dāng)接地網(wǎng)電位升高，變電站內(nèi)的310kV閥式避雷器不能動(dòng)作或動(dòng)作后應(yīng)能承受被反饋的能量。3) 設(shè)計(jì)接地的同時(shí)應(yīng)驗(yàn)算跨步和接觸電壓。2.2.2 消弧線(xiàn)、高電阻接和不接地消弧線(xiàn)、高電阻接和不接地系統(tǒng)中，變電站的電氣裝置的接地電阻應(yīng)符合如下要求(1) 高壓與變電站低壓電氣裝置共用的接地裝置，要求如下,但小于4。R120/I (2-4)(2) 高壓電氣裝置的接地裝置，要求如下,但小于10。R250/I (2-5)式中 R最大接地電阻，單位：； I 接地故障電流，單位：A。還需要考慮到接入

22、線(xiàn)路的避雷線(xiàn)的接地裝置散流的作用。(3) 消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中，接地的故障的電流需要滿(mǎn)足下面的要求：1) 對(duì)于裝有消弧線(xiàn)圈的變電站的電氣裝置的接地的裝置，計(jì)算電流是接在同一個(gè)接地的裝置中同一個(gè)系統(tǒng)中的各消弧線(xiàn)圈額定電流總和的1.25倍；2) 對(duì)于不裝消弧線(xiàn)圈的變電站的電氣裝置的接地的裝置的計(jì)算電流，相當(dāng)于系統(tǒng)中斷開(kāi)最大的一臺(tái)消弧線(xiàn)圈或系統(tǒng)中最長(zhǎng)線(xiàn)路被斷開(kāi)的時(shí)候最大可能殘余的電流值；(4) 在土壤電阻率較高的地區(qū)的接地電阻要小于30，且應(yīng)符合接觸和跨步電壓的要求。2.2.3雷電保護(hù)接地的接地 電阻獨(dú)立避雷針的接地電阻。在土壤的電阻率小于500的地區(qū)下，其接地電阻應(yīng)小于10；在土壤電阻率較高的地區(qū)的

23、接地電阻，如接地電阻難于降到10，較高的電阻值可以采用，但還需滿(mǎn)足其他如下要求：1) 配電裝置帶電部分與變電站電氣設(shè)備接地部分、獨(dú)立避雷針、架構(gòu)接地部分之間的空氣中距離Sa，應(yīng)符合下式要求Sa0.2Ri+0.lh (2-6)式中 Sa相距的距離，單位：m； Ri避雷針沖擊接地電阻，單位：； h避雷針校驗(yàn)點(diǎn)高度，單位：m。2) 獨(dú)立避雷針的接地裝置與變電站接地網(wǎng)間的地中距離Se，應(yīng)符合如下的要求Se0.3Ri (2-7)式中 Se地中距離，單位：m。2.3 變電站的接地網(wǎng)的均壓要求變電站的接地網(wǎng)的均壓應(yīng)符合下列要求（考慮110kV的變壓器系統(tǒng)），當(dāng)發(fā)生單相接地或異點(diǎn)兩相接地時(shí)，變電站接地裝置的跨

24、步和接觸電位差不應(yīng)超過(guò)下列數(shù)值： (2-8) (2-9)式中 Ut接觸電位 差，V； Us跨步電位 差，V； f人腳站立處地表面的土壤電阻率，·m； t接地短路(故障)電流的持續(xù)時(shí)間，s。在366kV不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地和高電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障后，當(dāng)不迅速切除故障時(shí)，變電站的接地裝置的接觸和跨步電位差都不應(yīng)超下面數(shù)值 (2-10) (2-11)2.4 變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的原則隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站各級(jí)電壓母線(xiàn)接地故障電流越來(lái)越大，在接地設(shè)計(jì)中要滿(mǎn)足R2000/I是異常之困難。故而，變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：(1)接地網(wǎng)應(yīng)盡量與建筑物地基的鋼筋和自然金屬接

25、地物統(tǒng)一連接； (2)盡量以自然接地物為基礎(chǔ)，輔以人工接地體補(bǔ)充，外形盡可能采用閉合環(huán)形； (3) 應(yīng)采用統(tǒng)一接地網(wǎng)，用一點(diǎn)接地的方式接地25-26。 3 接地電阻的計(jì)算方法接地電阻是接地裝置性能的重要標(biāo)志，變電站的設(shè)計(jì)最重要的一點(diǎn)就是接地電阻的計(jì)算。自1972年以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)接地系統(tǒng)接地參數(shù)的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了大量的研究，將各種數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用到接地參數(shù)的計(jì)算中，在一定程度上克服了采用解析公式計(jì)算變電站接地參數(shù)存在的誤差。主要的計(jì)算方法如下：3.1 均勻土壤的接地電阻計(jì)算3.1.1 內(nèi)插法圓形地網(wǎng)的接地電阻可以將圓盤(pán)和圓環(huán)的接地電阻為基礎(chǔ)用內(nèi)插法求出。圓盤(pán)的計(jì)算的公式： (3-1)圓環(huán)的計(jì)算的

26、公式： (3-2)其內(nèi)插法如下 (3-3)式中A為圓形的地網(wǎng)的占地面積，L為水平接地體的總長(zhǎng)度，K1和K2為待定的系數(shù)，可根據(jù)圓環(huán)的接地電阻確定。當(dāng)L時(shí)，R應(yīng)等于圓盤(pán)的接地的 電阻，即 (3-4)則K1=1當(dāng)L=2b=2時(shí)，R應(yīng)等于圓環(huán)的接地的電阻，即 (3-5)則 (3-6)將K1，K2代入公式(3-3)，圓形的地網(wǎng)的接地的電阻是： (3-7)其中方形和矩形地網(wǎng)則要考慮到保持周長(zhǎng)不變將圓環(huán)變?yōu)榉娇蚝?，占地面積由原來(lái)的A縮小為，將(3-2)式中的第2項(xiàng)的A用取代，修正后的方形地網(wǎng)的接地電阻公式為 (3-8)當(dāng)矩形板的長(zhǎng)寬比是a/b8時(shí)，矩形板的電極的接地的電阻計(jì)算的公式可以通過(guò)方板電極的計(jì)算的

27、公式為基礎(chǔ)擬合為：。保留方形地網(wǎng)中的函數(shù)形式，則矩形地網(wǎng)的接地電阻為 (3-9)3.1.2 常用簡(jiǎn)化計(jì)算公式法在實(shí)際的計(jì)算中采用簡(jiǎn)化公式 (3-10)其中，S接地網(wǎng)的面積 L接地體的總長(zhǎng)度 L'水平接地體所埋的深度 d等效的半徑 R接地的電阻34-363.2 雙層土壤接地電阻計(jì)算3.2.1簡(jiǎn)化公式法雙層的土壤中水平的地網(wǎng)的K值與上層的土壤的電阻率1，下層的土壤的電阻率2，上層的土壤的厚度s，地網(wǎng)面積A的變化，地網(wǎng)中網(wǎng)孔的數(shù)目M的關(guān)系如下 (3-11)式中K0是，和A的函數(shù)，通過(guò)曲線(xiàn)查找，還可以通過(guò)下面公式計(jì)算，即 (3-12)式中是網(wǎng)孔淑M的函數(shù)，由兩項(xiàng)組成，即 (3-13)式中可通過(guò)

28、查表得到，在和可由表查，在其他情況取0即可。 (3-14)雙層土壤地網(wǎng)的接地電阻(3-15)其可在a×b=900250000，的范圍內(nèi)使用。3.2.2 經(jīng)典鏡像法對(duì)于均勻的半無(wú)限大的媒質(zhì)，格林函數(shù)為其點(diǎn)電流源和它的一個(gè)鏡像點(diǎn)所產(chǎn)生的電位；對(duì)于兩層模型，格林函數(shù)是由點(diǎn)電流源和無(wú)限多個(gè)它的鏡像所產(chǎn)生的電位。如果源點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)均放置在上表層，分別位于(或)和(或)，以大地表面為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，格林函數(shù)為： (3-16)式中； 分別是上、下層電導(dǎo)率； (3-17)其中，對(duì)于和有；對(duì)于和有；對(duì)于其他情況有；，為上層厚度。很顯然，較高的計(jì)算精度，必須要計(jì)算較長(zhǎng)的時(shí)間。3.2.3 邊界元法邊界元法是以

29、邊界上的電荷的分布為未知數(shù)，利用邊界的電位已知的條件，用庫(kù)侖定律決定的積分的方程求解的一種方法。設(shè)電流I自某一接地體向周?chē)鸁o(wú)窮打的煤質(zhì)流出，若已知在接地體表面S上電流密度分布函數(shù)為，則其地中任一點(diǎn)的電位可按下式寫(xiě)出而導(dǎo)體表面上任意點(diǎn)的電位 (3-18) (3-19)在求解積分方程(3-19)時(shí)，基函數(shù)選用三角函數(shù)和脈沖函數(shù)，權(quán)函數(shù)為狄拉克函數(shù)。權(quán)函數(shù)為狄拉克函數(shù)就是在接地體表面選用和離散的線(xiàn)電流密度數(shù)目相等的電位的匹配點(diǎn)，使待求的線(xiàn)電流的密度分布在所選定的電位匹配點(diǎn)上能滿(mǎn)足給定的邊界的條件，有此即可得出求解線(xiàn)電流密度的1聯(lián)立的方程組： (j=1，2，3.n) (3-20)式中Kj，是線(xiàn)電流密度

30、1所決定的匹配點(diǎn)J的電位，即為電位計(jì)算的系數(shù)。這種把導(dǎo)體的表面劃分成有限個(gè)小的單元，從而把導(dǎo)體表面連續(xù)的電流的密度分布離散為有限個(gè)待求的電流的密度，并使之和導(dǎo)體的表面的某些點(diǎn)的電位進(jìn)行匹配的求解電流場(chǎng)的方法，在接地計(jì)算中稱(chēng)為邊界元法。4 110kV三谷變電站接地電阻的計(jì)算和測(cè)試4.1 南通110kV三谷變電站簡(jiǎn)介及計(jì)算該變電站的電壓等級(jí)為110kV，位于南通市開(kāi)發(fā)區(qū)，電氣設(shè)備型號(hào)為GIS。主接地的地網(wǎng)采用銅排，埋深為電纜夾層(-2.7m)以下0.8m，網(wǎng)格之間的間距為8.0m ×8.3m。接地網(wǎng)的材質(zhì)為銅材，垂直接地極為銅包鋼。變電站每層則設(shè)有室內(nèi)環(huán)網(wǎng)，沿構(gòu)造柱直接與地下主接地網(wǎng)焊接

31、。具體的見(jiàn)圖4.1。圖4.1 南通110kV三谷變接地網(wǎng)示意圖已知接地網(wǎng)： 水平接地體：銅排，-50*4，共計(jì)2400米 垂直接地極：鍍銅鋼棒，19L=3000，共計(jì)60根(1) 簡(jiǎn)化公式計(jì)算 接地網(wǎng)面積：S(A)=a×b=59×39.5=2330m2 接地體的總長(zhǎng)度：L=2130m 接地網(wǎng)外緣的長(zhǎng)度：L'=197m 水平接地體參數(shù)： 所埋深度：h=0.8m 寬度：b=0.05m 等效半徑：d=b/2=0.025m 土壤電阻率： 接地電阻： (4-1) (4-2)(2) 內(nèi)插法計(jì)算 (4-3)4.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量及分析4.2.1 接地電阻測(cè)量方法(1) 三極法：適應(yīng)

32、于各種接地電阻的測(cè)量，具有一定的可信性，但實(shí)際情況錯(cuò)綜復(fù)雜，特別是工頻干擾、土壤電阻率的各向異性以及電位極和電流極引線(xiàn)間的互感等因素的干擾，使得測(cè)量的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重影響。(2) 四極法：從消除電壓電流和引線(xiàn)間互感相互影響的角度看，該方法是一種比較理想的方法，能有效地消除電壓測(cè)量線(xiàn)上的互感影響。通過(guò)倒相消除地中干擾電流的影響，從而得到較為真實(shí)的接地電阻。但是對(duì)于大型地網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。(3) 異頻測(cè)量法：通過(guò)獨(dú)特的硬、軟件抗干擾措施，在實(shí)驗(yàn)電流頻率與系統(tǒng)工頻電阻相當(dāng)接近的條件下，可獲得穩(wěn)定可信的測(cè)量結(jié)果，但該法對(duì)于測(cè)量引線(xiàn)間的互感卻很難完全避免。(4)變頻測(cè)量法：采用變頻電源消除地網(wǎng)

33、的干擾，使得系統(tǒng)電源以及地網(wǎng)是否運(yùn)行或干擾信號(hào)存在對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，可從測(cè)量結(jié)果中提取初電流、電壓的同相的分量，消除引線(xiàn)的互感和地網(wǎng)的自感影響，直接給出地網(wǎng)接地電阻值。(5) 多電極布置法：是在接地極四周布置多個(gè)電流極，使電流場(chǎng)地面地位分布及測(cè)量電阻值更加接近真實(shí)值，測(cè)量誤差更??；同時(shí)，零電位點(diǎn)、誤差補(bǔ)償點(diǎn)向電流極移動(dòng)，在被測(cè)接地極與電壓極距離不變時(shí)，電流極與被測(cè)電極間的距離可減小。50-56。4.2.2 南通110kV三谷變電站接地阻抗測(cè)量(1) 接地網(wǎng)概況110kV三谷變電站接以銅材為地網(wǎng)材質(zhì)，采用銅包鋼微垂直接的地極。工程中采用聯(lián)合接地方式，等電位接地網(wǎng)絡(luò)的實(shí)

34、現(xiàn)是用火泥熔接把樁基鋼筋接與地網(wǎng)連接。該變電站接地網(wǎng)的最大的對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度為71m。(2) 試驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證變電站地網(wǎng)的接地阻抗值能否符合設(shè)計(jì)的要求。(3) 試驗(yàn)項(xiàng)目接地網(wǎng)的接地的阻抗的測(cè)量接地的引下線(xiàn)的導(dǎo)通的檢查(4) 試驗(yàn)方案1) 試驗(yàn)方法經(jīng)過(guò)比較選擇，本次接地電阻的測(cè)量將會(huì)采用變頻小電流法進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器選用澳大利亞紅相M8000接地網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)，采用30度等腰夾角法進(jìn)行布線(xiàn)方式，見(jiàn)圖4.2。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)用GPS定位測(cè)量：電壓線(xiàn)和電流線(xiàn)用專(zhuān)用線(xiàn)施放，長(zhǎng)度為d12=d13=180mY2D，電壓極使用兩根鋼棒插入到地面，電流極用四根鋼棒插入到地面，電壓極與電流極的鋼棒的夾角為30度。圖4.2 30度夾角法的

35、示意圖2) 試驗(yàn)步驟：確定電壓和電流線(xiàn)的走向、電壓和電流極位置；電壓線(xiàn)、電流線(xiàn)的敷設(shè)及與電壓極和電流極的連接；布置測(cè)量用儀器；測(cè)量接地網(wǎng)的阻抗；測(cè)量設(shè)備引下線(xiàn)的導(dǎo)通。(5) 測(cè)量的接線(xiàn)如圖4.3所示的測(cè)量接地阻抗的電氣的接線(xiàn)，220V工頻電源經(jīng)變頻源變換頻率后，傳到升流變，注入電流到接地網(wǎng)，接著測(cè)量接地電阻。圖4.3 測(cè)量回路電氣接線(xiàn)圖測(cè)試的儀器設(shè)備：紅相接地網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)包括：接地引下線(xiàn)導(dǎo)通儀 變頻源 升流變 選頻萬(wàn)用表(6) 測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果測(cè)量結(jié)果如表4.1所示。表4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)表頻率(Hz)45464748495152535455備注電壓(V)0.3860.4220.4180.4130

36、.4330.3450.4350.4250.4140.409工頻接地阻抗0.107總電流(A)3.6603.9153.8903.8704.0153.1804.0253.9503.8353.805阻抗()0.1050.1080.1070.1070.1080.1080.1080.1080.1080.107(7) 接地的引下線(xiàn)的導(dǎo)通的檢查對(duì)所有的接地的引下線(xiàn)進(jìn)行了導(dǎo)通的測(cè)量，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷線(xiàn)的情況。(8) 結(jié)論接地網(wǎng)的接地的阻抗測(cè)量值為0.107。4.2.3實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果比較表4.2為采用兩種不同的方法的計(jì)算結(jié)果。從和實(shí)測(cè)結(jié)果比較可以看出(實(shí)測(cè)結(jié)果為0.107)；表4.2采用兩種方法計(jì)算接地電阻結(jié)果接

37、地電阻誤差常用簡(jiǎn)化公式0.10750.47%內(nèi)插法0.3916265.98%計(jì)算值(簡(jiǎn)化公式算法)略大于實(shí)測(cè)值，之間的誤差大概在0.47%，誤差很小，說(shuō)明模型與實(shí)際情況是相符的。5 鋼材和銅材接地網(wǎng)的比較5.1 性能比較銅和鋼在20C時(shí)的電阻率分別是17.24×10-6(mm)和138×10-6(mm)，卡伊看出銅的導(dǎo)電率是鋼的八倍?？芍~的熔點(diǎn)為1083C，短路時(shí)最高允許的溫度為450C，相對(duì)應(yīng)的鋼的熔點(diǎn)雖然為1510C，但短路時(shí)最高允許的溫度只有400C。從熱穩(wěn)定性上看，截面相同下，銅材好。銅表面會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性極強(qiáng)的氧化物，對(duì)內(nèi)部的銅起了較好的保護(hù)的作用，從而阻斷了腐蝕的

38、形成，對(duì)同在地下的其它金屬(以鋼材為主)，銅作為陰極不會(huì)受到腐蝕。但是鋼材是逐層被腐蝕，鍍鋅層雖有一定的防腐的能力，但卻降低其導(dǎo)電的性能。由于銅導(dǎo)線(xiàn)的柔性好，允許的彎度半徑小，故銅材拐彎更加方便，穿管更加容易。由于銅線(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度高，能成卷供貨，有利于機(jī)械化施工。5.2 經(jīng)濟(jì)比較南通剛建設(shè)完畢的110kV變電站的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)銅接地網(wǎng)與鋼接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行比較。采用扁鋼接地設(shè)計(jì)的材料表見(jiàn)表5.1，采用銅接地設(shè)計(jì)的材料表件見(jiàn)表5.2.表5.1 采用扁鋼接地設(shè)計(jì)的材料表序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)及規(guī)范單位數(shù)量備注1接地極63×6 L=2500 熱鍍鋅根120總計(jì)300m2熱鍍鋅的扁鋼-60&#

39、215;8m1200設(shè)備引下線(xiàn)3熱鍍鋅的扁鋼-60×8m2000水平接地網(wǎng)4熱鍍鋅的扁鋼-50×5m800電纜溝、室內(nèi)5斷線(xiàn)卡緊固件2×(M16×35) GB5-76套506銅排-30×4m2207臨時(shí)接地端子M12×25 GB5-76套228焊接點(diǎn)個(gè)725表5.2 采用銅接地設(shè)計(jì)的材料表序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)及規(guī)范單位數(shù)量備注1接地極BS-F鍍銅棒 14.2 L=2400根120總計(jì)300m2銅排截面120mm2m1200設(shè)備引下線(xiàn)3銅排截面120mm2m2000水平接地網(wǎng)4銅排-25×4m800電纜溝、室內(nèi)5斷線(xiàn)卡緊固件2

40、5;(M16×35) GB5-76套506銅排-30×4m2207臨時(shí)接地端子M12×25 GB5-76套228焊接點(diǎn)個(gè)725根據(jù)表5-15-2所列材料，考慮相關(guān)的費(fèi)率之后，采用銅材接地網(wǎng)與鋼材接地網(wǎng)的投資為：銅為37042元/噸，扁鋼為5329元/噸；單個(gè)焊接點(diǎn)銅接地的費(fèi)用為120元。采用銅接地的初期投資的費(fèi)用合計(jì)為 905869 元，采用扁鋼接地的初期投資的費(fèi)用合計(jì)為 631623 元；為便于在同等條件下比較，通過(guò)以增大銅材的接地網(wǎng)的面積，獲得與扁鋼的接地網(wǎng)相等的接地電阻，通過(guò)計(jì)算，費(fèi)用需增加3.5%，銅接地網(wǎng)補(bǔ)償接地電阻后的投資為937562元，采用銅接地投

41、資約增加30.60萬(wàn)元，約48.5%。但是采用扁鋼的接地的變電站在投運(yùn)大概10年左右時(shí)，都要投入巨大資金開(kāi)挖、檢查和改造，并且接地網(wǎng)的改造施工的難度很大，需要在變電站不停電的情況下進(jìn)行，需要生產(chǎn)施工、運(yùn)行及設(shè)計(jì)的單位的幾方的協(xié)同，消耗巨額的物力和人力；同時(shí)扁鋼的焊接的接頭的抗腐蝕的性能及通流的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及銅接地網(wǎng)的放熱焊接的接頭。而銅材接地網(wǎng)不需改造，綜合考慮從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看，銅材接地網(wǎng)是值得投資的。6 現(xiàn)存接地網(wǎng)的問(wèn)題及其對(duì)策6.1 存在的問(wèn)題6.1.1 電壓分布梯度大 均壓效果不理想。原因如下：接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)考慮得不充分會(huì)造成均壓效果不理想；施工單位方面若是未按設(shè)計(jì)要求施工或施工質(zhì)量不好等也能造

42、成均壓效果不好。實(shí)際上由于地網(wǎng)電流密度的分布不同，不同截面的接地體的導(dǎo)電率也不盡相同，土壤的電阻率的不均勻等原因，都能使地網(wǎng)存在很高的局部的電位差，也就是不能將接地網(wǎng)看作成完全的等電位體。6.1.2接地網(wǎng)不能滿(mǎn)足短路電流的熱穩(wěn)定性要求 伴隨電力系統(tǒng)容量的日益增大，故障短路電流也隨即增大。原設(shè)計(jì)考慮的裕度也跟著不夠充分，特別是接地引下線(xiàn)當(dāng)發(fā)生故障時(shí)首先燒斷的可能性非常大，形成安全事故。6.1.3 地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重 由于土壤中含有的化學(xué)成份(酸和強(qiáng)堿)能夠腐蝕和氧化金屬材料，地網(wǎng)所用的金屬的材料未做好防腐的處理或處理的不好，特別是接地的引下線(xiàn)入土的50cm以?xún)?nèi)的地網(wǎng)的腐蝕更為嚴(yán)重。隨著時(shí)間的流逝，銹層

43、漸漸加厚，截面逐漸的減少，致使在事故發(fā)生的時(shí)候往往首先是接地的引下線(xiàn)發(fā)生燒斷，形成事故的隱患。6.1.4 施工質(zhì)量及工藝不高制造方有偷工減料行為，接地網(wǎng)的搭接焊接多不符合規(guī)定的要求，焊接的質(zhì)量不是很高，螺栓的連接的接觸面不符合要求。施工中接地體的周?chē)靥钔两佑|松散等因素都會(huì)給設(shè)備的運(yùn)行留下事故的隱患。6.2 對(duì)接地網(wǎng)存在問(wèn)題采取的對(duì)策6.2.1接地點(diǎn)的電位均衡在接地裝置的設(shè)計(jì)中接地電阻較大的變電站需要充分考慮其各部分的電位均壓，特別是主中性點(diǎn)與主控制室二次設(shè)備、室內(nèi)配電室接地點(diǎn)的電位的均衡。在故障電流高發(fā)區(qū)使用加強(qiáng)的接地的裝置，可鋪設(shè)交叉的接地網(wǎng)絡(luò)，增多短路電流的通道，降低故障點(diǎn)的處地的電位的

44、升高，降低接觸和跨步電勢(shì)，在原地網(wǎng)遭受機(jī)械損傷時(shí)仍保證地網(wǎng)導(dǎo)體的連續(xù)性和有一定的裕度。6.2.2 采取防腐蝕措施以前，接地體的防腐處理多采用鍍鋅材料為主網(wǎng)部分，而接地引下線(xiàn)的部分只涂防銹漆進(jìn)行防護(hù)，這些措施在只一定程度上延長(zhǎng)了地網(wǎng)的使用的壽命。后來(lái)，新技術(shù)的不斷的發(fā)展，有了更多的防腐措施：如使用耐腐蝕性鋼材，這類(lèi)鋼材中加有銅、鉆、鎳、磷等元素，能在鋼材的表面上生成一種保護(hù)膜，經(jīng)多年后成為一種穩(wěn)定的銹蝕層，組織銹蝕向內(nèi)進(jìn)一步的發(fā)展?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)了一種長(zhǎng)效降阻劑能夠降低接地電阻、防止地網(wǎng)腐蝕較產(chǎn)生較為明顯的作用，還可以改善接地網(wǎng)的均壓的效果。另一方面，銅材作為接地材料有很多的優(yōu)點(diǎn)，銅的熱容量較大、

45、耐腐蝕性較強(qiáng)、電阻率又低，可在重要的樞紐變電站、占地小的GIS變電站采用銅網(wǎng)的接地。6.2.3 對(duì)接地網(wǎng)施工嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)對(duì)地網(wǎng)施工嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)；尤其是主網(wǎng)施工時(shí)；運(yùn)行單位應(yīng)參加施工過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)督檢查工作；作好施工記錄。接地引下線(xiàn)連接盡量選用焊接，搭接面和焊接符合規(guī)程要求。當(dāng)采用螺栓連接時(shí)，螺栓及接地線(xiàn)必須使用鍍鋅材料，接觸面積符合要求并涂防腐導(dǎo)電膏。施工時(shí)回填土應(yīng)按要求處理并嚴(yán)格質(zhì)檢。6.2.4 變電站設(shè)備的年測(cè)試對(duì)使用年限久遠(yuǎn)的變電站，雖然接地電阻檢測(cè)合格也必須要檢查回路的連接的狀況，特別對(duì)重點(diǎn)的地區(qū)可進(jìn)行開(kāi)挖來(lái)檢查腐蝕的情況。從短路容量變化情況來(lái)定期進(jìn)行短路的電流熱穩(wěn)定檢測(cè)和校驗(yàn)，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的

46、以及校驗(yàn)短路電流熱穩(wěn)定達(dá)不到要求的地網(wǎng)應(yīng)必須進(jìn)行改造，有條件的應(yīng)在改造之前通入電流，測(cè)量各點(diǎn)的電位差。7 總結(jié) 本文介紹了幾種接地電阻的計(jì)算方法，并選用常用簡(jiǎn)化公式和內(nèi)插法對(duì)南通110kV三谷變電站的地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行了計(jì)算比較，得知常用簡(jiǎn)化公式的方法計(jì)算精度能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求。接著對(duì)南通110kV十總變電站接地網(wǎng)采用鋼材和銅材分別進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)行鋼材和銅材接地網(wǎng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方案比較。得出，銅接地網(wǎng)在地處城區(qū)、設(shè)備組合程度高、占地面積小的變電站中有著明顯優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在江蘇電網(wǎng)中的部分變電站已試點(diǎn)采用，在建設(shè)和運(yùn)行取得一定經(jīng)驗(yàn)后，將進(jìn)一步在更大范圍內(nèi)推廣使用。參 考 文 獻(xiàn)1 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)

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