大型變電站接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差

1、大型變電站接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差摘要：在大型變電站中，由于接地導(dǎo)體自身的電阻和電感的作用，使得接地導(dǎo) 體上各點(diǎn)的電位不相等。變電站內(nèi)許多儀器的接地端或電纜外皮都接在接地網(wǎng)上， 接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差可能產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁兼容問題。采用接地網(wǎng)接地參數(shù)數(shù)值分 析軟件，計(jì)算了接地網(wǎng)的內(nèi)部電位差，提出了減小網(wǎng)內(nèi)電位差的措施。關(guān)鍵詞：變電站；接地網(wǎng)；網(wǎng)內(nèi)電位差1引言在大型變電站中有大量的信號(hào)電纜和低壓供電電纜，并且電纜兩端就近與接地網(wǎng)相連。 這種做法實(shí)際上是以接地網(wǎng)等電位為依據(jù)的。然而對(duì)于大型接地網(wǎng)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故 障時(shí)，接地網(wǎng)上的電位分布是不均勻的，接地網(wǎng)與兩端接于其上的電纜屏蔽層構(gòu)成回路，故 障時(shí)將有電流

2、從電纜屏蔽層流過。如果網(wǎng)內(nèi)電位差較大，則可能因較大的電流燒毀電纜屏蔽 層。另外，變電站內(nèi)許多儀器的接地端都接在接地網(wǎng)上，接地網(wǎng)上不同點(diǎn)之間的電位差可能 在不同儀器間形成電流，造成干擾。所以，有必要研究接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差問題。接地技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的影響，近年來，國內(nèi)外由于接地不良引 起的人身傷害及設(shè)備損壞事故很多，其中，事故擴(kuò)大進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的例子也不少。發(fā)電 機(jī)單機(jī)容量的擴(kuò)大、超高壓輸電及高壓直流輸電的推行使得系統(tǒng)電壓水平提高、接地電流不 斷增大，這些都對(duì)地網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、有效等方面提出了更高的要求。接觸電壓和跨 步電壓直接關(guān)系到站內(nèi)人員和設(shè)備的安全，因此如何降低接

3、地網(wǎng)電阻從而降低接觸電壓和跨 步電壓一直是研究和設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，接地網(wǎng)安全的判據(jù)在于控制地電位和控制 網(wǎng)格電壓兩個(gè)方面，后者是基于地電位梯度考慮的。美國電站安全接地導(dǎo)則甚至認(rèn)為地網(wǎng)的 網(wǎng)格電壓是影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素。因此，對(duì)接地網(wǎng)來說，除了要降低接地電阻以利 于大電流快速地流入地下，還要讓地表電位盡可能均勻，以避免出現(xiàn)較大的電位梯度，即保 證網(wǎng)格電位的均勻性。國內(nèi)地網(wǎng)用鋼而非銅，鋼的磁導(dǎo)率和電阻率均比銅的高，因此國內(nèi)接 地網(wǎng)電位不均衡問題較國外更為突出。本文在對(duì)接地網(wǎng)的電位均衡性做詳盡分析的基礎(chǔ)上， 提出改進(jìn)接地網(wǎng)均衡性的措施。同時(shí)指出，接地網(wǎng)的腐蝕會(huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)金屬材料銹蝕損壞

4、甚 至斷裂，造成接地電阻的升高和地網(wǎng)電位均衡性的破壞，影響其對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)作用和使用壽 命，對(duì)老舊地網(wǎng)的后續(xù)改造又會(huì)造成人力財(cái)力的浪費(fèi)，因此，接地網(wǎng)的防腐對(duì)維持接地網(wǎng)電 位均衡性從而保證接地網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的意義。2地表電位均勻的重要性接地網(wǎng)不僅要求接地電阻足夠小，以保證泄流電流快速地導(dǎo)入大地，還要求在地表形成 均勻的電位，以保證跨步電壓Ek和接觸電壓Ej滿足要求。當(dāng)接地電阻難以滿足要求時(shí)，在 地表形成均勻的電位就顯得更為重要了。實(shí)際工程中，接地電阻與地表最大電位差也并不完 全對(duì)應(yīng)。在土壤電阻率較低，地網(wǎng)面積很大的情況下，雖然接地電阻值可以達(dá)到要求，但如 果接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，發(fā)生大電

5、流入地故障時(shí)，地表就可能出現(xiàn)較大的電位梯度，從而產(chǎn)生 很大的接觸電壓，危及運(yùn)行人員和設(shè)備的安全；在土壤電阻率很高的情況下，要使接地電阻 達(dá)到。3接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差早在上世紀(jì)80年代初期，國內(nèi)開始興建500kV變電站時(shí)，接地網(wǎng)不等電位問題已得到工 程技術(shù)人員的高度重視。如湖北500kV雙河變電站曾在系統(tǒng)調(diào)試中進(jìn)行單相短路接地試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)2400A短路電流由地網(wǎng)中心入地時(shí)，地網(wǎng)中心對(duì)2km外零位點(diǎn)的電位升高為 254V，對(duì)地網(wǎng)邊緣的電位升高即網(wǎng)內(nèi)電位差為117V；當(dāng)2866.7A的短路電流由地網(wǎng)中心入地 時(shí)，地網(wǎng)中心對(duì)2km外零位點(diǎn)的電位升高為307V，對(duì)地網(wǎng)邊緣的電位升高為140V。根

6、據(jù) 1982年中南電力設(shè)計(jì)院5500kV雙河變電所工程接地設(shè)計(jì)總結(jié)6，雙河變電站土壤電阻率 608#m，面積104283m2，接地帶長度12075m，地網(wǎng)為正方形，水平接地帶用40mmx5mm 扁鋼，埋深0.6m。為計(jì)算方便將接地網(wǎng)簡化為：324mx324m，18mx18m網(wǎng)孔，導(dǎo)體半徑 0.008m。導(dǎo)體電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率取文獻(xiàn)中所用數(shù)值，即導(dǎo)體電阻率1.7x10-78#m，相對(duì)磁 導(dǎo)率636，入地電流頻率為50Hz。本文采用計(jì)算軟件所得計(jì)算結(jié)果為：短路電流2400A時(shí)， 網(wǎng)內(nèi)電位差為122V；短路電流2866.7A時(shí)，網(wǎng)內(nèi)電位差為146V。所以驗(yàn)證用軟件計(jì)算的網(wǎng) 內(nèi)電位差與現(xiàn)場實(shí)測值相近似

7、。4影響接地網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)電位差的幾個(gè)因素4.1地網(wǎng)大小、導(dǎo)體半徑和短路電流入地點(diǎn)的影響如表1所示，在1008m的均勻土壤中， 接地網(wǎng)孔為10mx10m，導(dǎo)體電阻率1.7x10-78m，相對(duì)磁導(dǎo)率636，地網(wǎng)埋深0.6m，50Hz故 障電流由地網(wǎng)中心入地和地網(wǎng)邊角入地時(shí)，鋼材接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差。表1中$V為1kA入地 電流下接地網(wǎng)導(dǎo)體上的電位最高點(diǎn)（故障電流入地點(diǎn)）和接地網(wǎng)導(dǎo)體上的電位最低點(diǎn)（離故 障電流入地點(diǎn)最遠(yuǎn)處）之間的電位差，DV為網(wǎng)內(nèi)電位差占地網(wǎng)上接地點(diǎn)對(duì)無窮遠(yuǎn)處總電位升 高的百分?jǐn)?shù)。在入地電流I時(shí)，若短路電流入地點(diǎn)的接地阻抗為Z，則DV=$V/（IZ）x100。 由表1可見，隨著地網(wǎng)面積加大

8、，地網(wǎng)不等電位問題嚴(yán)重，且短路電流由地網(wǎng)邊角入地時(shí)， 地網(wǎng)不等電位問題比短路電流由地網(wǎng)中心入地時(shí)嚴(yán)重得多，而加大導(dǎo)體半徑是減小網(wǎng)內(nèi)電位 差的有效措施。表1m的均勻土壤中接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差4.2 土壤電阻率和均壓導(dǎo)體根數(shù)的影響如表2所示，土壤電阻率為25m的均勻土壤中，不同地網(wǎng)大小和不同網(wǎng)孔大小下，接地 網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差。接地導(dǎo)體半徑為0.01m，導(dǎo)體電阻率為1.7x10-78m，相對(duì)磁導(dǎo)率636，地 網(wǎng)埋深0.6m，入地電流1kA，頻率為50Hz。表2中的計(jì)算結(jié)果同表1中的計(jì)算結(jié)果相比，可 見土壤電阻率降低時(shí)，接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差占地網(wǎng)上接地點(diǎn)對(duì)無窮遠(yuǎn)處總電位升高的百分?jǐn)?shù) 加大，但由于地網(wǎng)電位升高

9、大為減小，網(wǎng)內(nèi)電位差變化不大。增加導(dǎo)體均壓導(dǎo)體根數(shù)時(shí)，可 顯著降低網(wǎng)內(nèi)電位差。表2的均勻土壤中接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差4.3等面積和等鋼材用量下網(wǎng)內(nèi)電位差的優(yōu)化設(shè)計(jì)由上述分析可見，加大導(dǎo)體半徑和增加導(dǎo)體均壓帶根數(shù)均可有效地降低接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電 位差。下面以面積為200mx200m的接地網(wǎng)為例，在鋼材用量相同的情況下，以降低接地網(wǎng) 的網(wǎng)內(nèi)電位差為目的，忽略接地導(dǎo)體埋設(shè)過程中的人工費(fèi)用，探討導(dǎo)體的優(yōu)化布置。如表3 所示，在50m的均勻土壤中，3種不同布置方式下接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差。計(jì)算參數(shù)為導(dǎo)體電 阻率1.7x10-78m，相對(duì)磁導(dǎo)率636，地網(wǎng)埋深0.6m，入地電流1kA，頻率為50Hz。由表3可 見，在

10、等鋼材用量的條件下，均壓導(dǎo)體根數(shù)越多，網(wǎng)內(nèi)電位差越低。在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中要充分考慮均壓帶的敷設(shè)間隔尺寸，以及減小埋設(shè)接地網(wǎng)的土建工作量， 建議均壓帶的平行間距不大于10m。以前設(shè)計(jì)的地網(wǎng)有采用長孔地網(wǎng)的，且地網(wǎng)均壓網(wǎng)格稀 疏，在大接地短路電流流過地網(wǎng)時(shí)，很容易造成地網(wǎng)局部地電位升高，對(duì)微機(jī)保護(hù)和綜合自 動(dòng)化系統(tǒng)造成地電位干擾，或者使地面產(chǎn)生危險(xiǎn)的跨步電壓和設(shè)備接觸電壓，對(duì)人身安全構(gòu) 成威脅。因此對(duì)發(fā)電廠、變電所地網(wǎng)，以方孔地網(wǎng)為宜，且網(wǎng)格間距不宜過大。在接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)上，如果土壤電阻率均勻，采用不等間距接地網(wǎng)，可以使導(dǎo)體散流均勻， 接地網(wǎng)上方電位均勻分布；如果土壤電阻率不均勻，可以采取樹枝狀的接地網(wǎng)

11、也可以采取外 延接地。在土壤電阻率低的地方埋設(shè)樹枝狀地網(wǎng)，把電流引到電阻率低的部位，有利于電流 的快速泄流和地表電位的均勻分布，外延接地就是這種思路。高土壤電阻率地質(zhì)地區(qū)，當(dāng)在 發(fā)電廠、變電所周圍2km以內(nèi)土壤電阻率較低時(shí)可敷設(shè)外引接地極。這就要求在確定降阻方 案時(shí)要對(duì)發(fā)電廠、變電所周圍進(jìn)行認(rèn)真的勘探、測量得到土壤電阻率p沿水平方向上的分布 并找出p值較低適合做外引接地的地方。這種方法是既滿足降阻要求，又滿足均壓要求的簡 單有效的措施。5結(jié)論大型鋼材接地網(wǎng)存在較大的網(wǎng)內(nèi)電位差，其值隨地網(wǎng)面積的加大、接地導(dǎo)體半徑的減小 和均壓導(dǎo)體根數(shù)的減少而增加。短路電流入地點(diǎn)越偏離地網(wǎng)中心，網(wǎng)內(nèi)電位差就越大。參考文獻(xiàn)：徐華，文習(xí)