变电站双层立体复合地网研究

2016-03-20李文杰河南省电力勘测设计院河南郑州450007

低碳世界 2016年13期

李文杰（河南省电力勘测设计院，河南　郑州　450007）

变电站双层立体复合地网研究

李文杰（河南省电力勘测设计院，河南郑州450007）

在占地面积小的半户内变电站设计中，常规单层地网难以满足接地电阻及地网安全性要求。本问结合工程实际，接地材料选用铜覆钢，遵循技术先进、造价合理、性价比最优的变电站接地网设计原则，结合常见接地网布置型式，确定了不等间距等压缩比0.7的接地网布置方案，利用土建施工开挖条件，给出了双层复合式接地网设计方案。采用地网安全分析软件对本站接地网进行了安全性校验。经计算，双侧立体复合地网满足要求。

变电站；双层立体复合地网

1　变电站接地技术研究概述

1.1研究接地网设计的意义

接地网是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员安全的重要措施，其最重要的功能就是将故障电流安全地引入地下，从而达到抑制故障电位上升，限制跨步电势和接触电势在允许范围，控制地表电位梯度。接地网接地性能的优劣深受设计、生产部门的重视。随着我国电网变电容量的持续增加，变电站接地网的入地短路电流逐渐增大，为确保电力系统安全运行，要求接地网接地电阻值愈小愈好。但是又面临人均可利用耕地资源比较低的现实国情，故许多变电站选址建设时，多选择岩土、山石较多的地方，此类地区土壤电阻率相对较高。据统计，目前在我国变电站的建设中，为维护电力系统安全可靠运行、保障人身和电气设备的安全，用于接地网的费用占变电站总投资的比例呈上升趋势。与此同时，随着城市的发展，城市电网建设步伐加快，越来越多的城市中心220kV变电站正在规划和建设，城市变一般采用全户内或半户内布置方式，220kV、110kV配电装置采用GIS设备，变电站围墙内面积远小于普通郊区220kV变电站，从而大大增加了接地网设计的难度。我国普遍采用的计算方法越来越不能满足设计要求。因此加强对变电站接地系统设计技术研究，在满足变电站跨步电势和接触电势在安全值内的情况下，降低接地系统投资，是十分迫切和必要的。

1.2国内外接地网设计现状

目前，在接地系统设计方面，我国主要采用基于均匀土壤和经验公式的简单公式及均匀网格的方法，然而对于降低变电站接地网接地电阻没有较好的方案，通常利用的方法主要有：①扩大接地网面积；②采用降阻剂；③增加垂直接地极的方法；以上三种经常使用的方案效果并不明显。

而且在变电站接地网的设计、施工、验收的过程，均以满足接地电阻要求为主要目标，仅在设计满足电阻值后，简单校核变电站站址地表的接触电势、跨步电压以及电位分布。国家标准《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065-2011）中用于接地电阻、接触电势和跨步电压计算的解析计算公式，没有考虑土壤的不均匀性。特别是对于复杂形状的接地网，该标准只能初步估算变电站内地表面电位升的平均值，不能计算变电站内任意点的电位，无法分析变电站内任意点的接触电势和跨步电压，不利于接地网的全面安全设计。随着大容量高速计算机的发展，从70年代开始，国外开始将计算机数值计算方法引入到接地计算中来，为解决地网上土壤表面电位分布的计算问题，提供了有效的途径。

1.3降低接地电阻设计方案

为了保证电力系统的安全可靠运行，降低变电站接地电阻，常用的解决方案由以下几种方案：

1.3.1引外接地

在变电站主接地网区域外土壤电阻率较低的区域敷设辅助接地网，通过将主接地网与之相连接，从而实现降低接地电阻的目的。这种方案在很多地区受地理条件影响无法实现。

1.3.2增大接地网面积

在土壤条件比较均匀情况下，接地电阻跟接地网面积的平方根近似成反比，地网面积越大，其接地电阻也就越低。增大地网的面积无疑是降低接地电阻的一种行之有效的方法。但对于一些建在山区的变电站无法有效扩大其地网面积，另外对于建在市区内的变电站，通过扩大接地网面积来降低接地电阻，在技术经济上极其不合理。

1.3.3合理利用变电站周围自然接地体

若变电站周围有水电站进水口拦污栅、建筑物的钢骨架、进水闸门以及水管等具有较低接地电阻的自然接地体，在变电站接地网设计中，可考虑接地网主网连接这些自然接地体，从而降低主网的接地电阻。这种方案在技术上容易实现，并且经济性也较好，但是，故障状态下低电位引入、高电位引出，将会引发安全问题。

1.3.4增加地网的埋深

在同等条件下增加地网的埋深可减小接地电阻，但降阻效果一般。

1.3.5采用深井接地

土壤随着深度的增加电阻率越来越稳定，采用接地井降低接地电阻，是一种有效解决方案，并且不受气候和季节的影响，在城市以及山区变电站设计中可以考虑此种解决方案。

1.3.6采用局部换填低电阻土壤

土壤电阻率直接影响接地电阻。在土壤电阻率高的变电站设计中，可以采用局部换填电阻率较低的土壤或低电阻率材料的方案，从而降低接地电阻。

以上降低接地电阻的方法都有一定的局限性，在实际应用过程中可以相互配合，以获得明显的降阻效果。

2　接地材料选择

由于部分工程入地短路电流也较大，接地材料的内阻可能会对接地网的安全性能产生影响，造成地电位分布不均，且电流注入点不同也会对接地网的安全性能产生影响。因此要求接地网设计需要从安全性及经济性两方面综合考虑。目前常用的接地网材料主要有铜材、钢材及铜覆钢。

2.1热镀锌扁钢

热镀锌扁钢是目前国内使用最多的接地材料，它主要利用高温热浸时所形成的锌合金层本身的防腐特征。钢材是逐层被腐蚀，锌的平均腐蚀率比钢略小，在土壤中对钢起到了一定的阴极保护作用，因此镀锌层有一定的抗腐蚀性，钢材经热镀锌后抗腐蚀能力有所提高。热镀锌钢在一般土壤中，年平均腐蚀厚度为0.065mm，但我国生产的热镀锌层一般只有0.05～ 0.06mm，即镀层只有一年的保护作用，且如果镀锌层被破坏，会造成镀锌钢的点蚀就。

2.2铜绞线

铜绞线是用铜制成的多股绞线，纯铜绞线柔软易弯，单卷长度长，而铜排单根长度较短。由于铜之间连接通常采用放热焊接，因此，铜绞线与铜排相比，能节省焊点，运输及施工更加方便，价格也只比扁铜贵不到10%，是较好的接地导体。

2.3铜覆钢绞线

铜覆钢是指作为芯体的钢表面被铜连续包覆所形成的金属复合材料。采用铜覆钢材料设计的变电站接地网，主要优点如下：

①电阻率小：铜覆钢绞线可降低接地电阻，铜覆钢的连接一般采用放热焊接，这样的接头性能优于传统铜焊以及电弧焊接头，同时放热焊接可确保连接件一次成型，接头质量易控制；接头导电性好、能耐受大电流冲击、热稳定性达700℃；接头缺陷少、耐腐蚀性高。②导电特性优良：铜覆钢材料拥有优良的导电特性，在相同疏导电流下，铜覆钢的所需截面积比镀锌钢材小很多。③耐腐蚀性强：铜作为一种耐土壤腐蚀材料，土壤中仅当含高酸性和高量时，才能使铜产生点蚀。通过增加铜层厚度，可确保铜覆钢绞线满足变电站接地网设计要求。④高机械强度：常规接地镀锌钢入地后，表面镀的锌层容易掉落。然而铜覆钢绞线铜层结合度性能优良，在与施工摩擦中不会大幅度影响接地导体的防腐性能。对三种材料优缺点的分析，铜覆钢接地材料在导电性、热稳定性、耐腐蚀性等主要技术参数上与铜接地材料相当，远远优于钢接地材料。铜覆钢在导电性、热稳定性、耐腐蚀性等方面与铜相当，在全寿命周期投资上优于铜。综合考虑推荐在变电站接地网设计中接地材料选用铜覆钢。