电力系统接地网检测与改善技术研究

2014-09-02高宜凡

机电信息 2014年36期

关键词：降阻剂电阻率电阻

高宜凡

(广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东肇庆 526000)

电力系统接地网检测与改善技术研究

高宜凡

(广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东肇庆 526000)

接地网为变电站内电气设备提供公共参考地，能在系统接地故障时快速泄放故障电流，改善变电站地电位分布，因而直接关系到变电站的正常运行，更涉及人身与设备安全，是维护电力系统可靠运行、保障工作人员人身安全的重要设施。现介绍了变电站接地网状态评估方法，并总结了变电站接地网改善技术，以使接地网处于更好的状态。

变电站；接地网；腐蚀性；改善

1 接地基本原理

1.1 接地基本概念

接地，比较直观的解释就是接大地。实际上，接地是一个系统级的概念，接大地已经不能清晰地描述系统接地的概念了。为了清楚地表达接地的概念，可以引用亨利·奥特的定义：“接地是为电流返回其源提供的低阻抗通道。”从工程实用观点来看，就是在线路或电气设备发生接地故障时为故障电流流回电源提供一条低电阻(或低阻抗)路径。

1.2 接地四要素

电力系统中构成接地必须要满足如下4个条件：被接地体、接地线、接地电极和大地。接地四要素如图1所示。

图1 构成接地系统的四要素

2 接地网腐蚀性诊断

接地网导体及接地引线的腐蚀甚至断裂，将使接地网的电气连接性能变坏、接地电阻增高。若发生接地短路故障，将造成接地网本身局部电位差和接地网电位异常增加，除给运行人员带来威胁外，还可能因反击或电缆外皮环流使二次设备绝缘遭到破坏，严重者可能导致二次设备发生误动或拒动而扩大事故。接地系统状态评估其中一项重要内容就是诊断接地网的腐蚀情况，判断接地系统是否满足安全运行要求，是否需要改造。

2.1 腐蚀率检查

(1) 直观法：开挖地网后，用肉眼观察其腐蚀情况，并进行拍照做好记录。

(2) 量直径法：现场把样品取回后，去掉泥土、锈迹，用稀硫酸洗净，在试验室内用卡尺测量腐蚀圆钢的直径，取最细点，判断其腐蚀程度。

(3) 失重法：本次挖检采用相对失重法。

1) 相对失重法：从现场找到腐蚀比较严重的地方，把样品带回试验室，去掉泥土、锈迹，清洗干净，在试验室内用电子天平测量其重量，算出丢失重量。再按下列公式计算相对平均腐蚀率：

(1)

式中，v为腐蚀速率(g/mm)；W1为标准重量(g)；W2为样品实际重量(g)。

2) 自然失重法：自然失重法是测量金属腐蚀速率的最经典方法，这种方法的具体测量过程是：先把样品表面擦洗干净，晾干或烘干，用分析天平称出其重量，然后将它埋入待测土壤环境中，经过一定的时间(如4周)后取出，除去表面的锈层，再用稀盐酸或其他溶液清洗，晾干称重，最后按下列公式计算其平均腐蚀速率：

(2)

式中，v为腐蚀速率[g/(cm2·a)]；ΔW为样品N天内失去的重量(g)；A为样品的表面积(cm2)；N为样品埋入土壤的天数。

(4) 在试验室检测土壤的pH值，找出腐蚀规律。

2.2 接地网腐蚀情况判定标准

因目前我国尚未制定有关标准，根据一般理论，结合实际，对接地网导体腐蚀率的判定参考以下标准：(1) 腐蚀率<10%，腐蚀程度为一般；(2) 10%≤腐蚀率<15%，腐蚀程度为严重；(3) 15%≤腐蚀率<25%，腐蚀程度为很严重。

3 接地网改善技术

为了确保设备运行的常态化，保障工作人员生命财产安全，屏蔽干扰源并消除静电聚集产生的各类安全隐患，接地设备均应有较低电阻。举例来说，仅就变电站和发电厂接地设备而言，相关法律规定接地设备的电阻值不可以超过2 000/IΩ，但对于占用土地面积较小且所处区域土壤电阻率较高的接地设备来说，想要设计出经济性和技术性均较高的电阻元件是很难做到的。下面笔者简单介绍一下工程中经常被选用的接地电阻降低方式。

3.1 加大接地体尺寸

众所周知，接地装置的接地电阻主要由接地体几何尺寸和土壤电阻率确定，在大范围内靠降低土壤电阻率的方法来降低电阻可行性较低，所以增大接地体的尺寸是行之有效的方法。

根据静电场基本理论，可以直接推导出接地体接地电阻的计算公式，即：

(3)

式中，ε为土壤介电系数；ρ为土壤电阻率(Ω·m)；C为接地体对无穷远处的电容。

从式(3)可知，接地电阻的大小与接地体对无穷远处的电容成反比，加大接地体尺寸，能增大其电容，降低接地电阻。

从下面一些典型的接地体接地电阻计算公式，也很容易看出加大接地体尺寸可以降低接地电阻。

(1) 单根垂直接地体：

(4)

式中，L为接地体的长度(m)；d为接地体的直径(m)，角钢d=0.84b(b为角钢每边的宽度)，扁钢d=0.5b(b为扁钢宽度)。

(2) 水平接地体：

(5)

式中，L为接地体的总长度；h为接地体的埋深；A为形状系数。

(3) 接地网：

(6)

式中，L为接地体的总长度，包括水平与垂直接地体；S为接地网的面积。

从上述内容中我们可以看出，无论选择哪种接地设备，加大接地体尺寸都能够起到降低接地电阻的功效，但就现实情况而言，只使用加大接地体尺寸的方式降低接地电阻对简单的输电线路(电线杆接地设备)和接地体而言效果明显，但对变电站和发电厂接地网效果并不好，增加接地网尺寸虽然可以降低接地电阻，可是如果变电站、发电厂等遇到高土壤电阻率土地，其造价相当昂贵，接地成本过高会使建设变电站的资金不足，甚至个别地区会因此而无法实现工程建设目标，因此在选取该操作方式时必须先对方案的经济性和技术性进行全面分析，避免上述情况的发生。

3.2 运用降阻剂

大量工程实践证明，使用降阻剂是降低接地电阻的有效措施。DL/T621—1997《交流电气装置的接地》6.1.3条规定：在高土壤电阻率地区，可采取下列降低接地电阻的措施：(1) 当发电厂、变电所2 000 m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设外引接地极；(2) 当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用井式或深钻式接地极；(3) 填充电阻率较低的物质或降阻剂；(4) 敷设水下接地网。GB50169—92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》之第2.2.6条则对降阻剂的使用提出了要求。

最近，随着降阻剂的成功应用，其降阻效果已为人们所接受，但是由于降阻剂市场较为混乱，因此，有必要对降阻剂的降阻机理、性能特点和使用中应注意的问题进行认真的讨论。降阻剂的降阻机理有以下几个方面：

3.2.1 增大接地体的有效截面

(1) 半球形接地体：接地体周围施加降阻剂后扩大了接地体的等效体积，对于一个半径为r的半球形接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体的面至距球心2r的半球面内，如果将r～2r的土壤电阻率降低，就可以使接地电阻大大减小。

(2) 水平接地体：埋深为h的水平接地体(图2)接地电阻为：

(7)

式中，d1为内切于置换截面圆的直径(m)。

图2 水平接地体加降阻剂

当ρ1≪ρ2，式(7)可改写为：

(8)

(9)

以上讨论了半球形接地体、水平接地体加降阻剂后，相当于增大了接地体的有效截面，降低了接地电阻。但实际降阻剂的形式千差万别，有的降阻剂施加在接地体周围，确实相当于加大了接地体的有效截面，如某些固体降阻剂、导电水泥、物理降阻剂和膨润土降阻剂都具有这方面的特点。特别是膨润土降阻剂，由于加水后体积会膨胀；有效地扩大了接地体的有效截面，且长期稳定。而有些降阻剂如化学降阻剂和胶质流体降阻剂，施加在接地体周围，只能改善周围土壤的电阻率，而且改善后土壤的电阻率是不均匀的，有的会随着时间的推移发生变化，有的还会随着雨水的冲刷渗透而流失。特别是位于山区的风化石土壤和沙石土壤，某些化学降阻剂和流体降阻剂的降阻效果，即改善土壤电阻率的效果，会随着雨水的冲刷或渗透而变小，降阻作用随时间而失效。因此，降阻剂的使用不能仅仅依靠厂家的自我宣传，而应根据实际情况考虑。

3.2.2 消除接触电阻

接地体接地电阻主要包括两大类：其一为接地体周边大地呈现电阻Rd，其二为接地体和周边土地接触的电阻Rj，前述内容是就理论计算中常说的Rd而言的。当接地体周边土地和接地体间接触不良时会产生Rj，其大小和接地极周边土壤的关联性极强，通常情况下越细小和密实的土地其接触电阻越小，而当接地极表层粗糙时，其接触电阻则较大。个别降阻剂是不具备消除接触电阻这一功能的，据笔者了解，只有膨润类、物理和固体类降阻剂才会有此项功能，而化学降阻剂会因腐蚀作用导致接地极接触电阻增加。

3.2.3 改善周边土壤的电阻率

降阻剂主要的降阻原理是渗透改善接地设备周边土壤电阻率。大地导电多因金属离子的浓度而起，其所含的金属离子越多则导电性越好，而每一种降阻剂的原理都是增加土地中导电离子的浓度，随着降阻剂不断渗透和扩散，就会改善土壤中导电离子的浓度，从而达到降低土壤电阻率的效果。