CN106468748A - 一种变电站主接地网的均压方法 - Google Patents
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Abstract
一种变电站接地网的均压方法,用于解决接地安全性问题。其特征是,它包括以下步骤:(1)测定拟建变电站土壤电阻率,进行接地网结构设计;(2)计算地电位升的分布情况,在地电位升分布最不均匀的接地网边角位置增加接地极;(3)确定接地极的参数,然后将接地极连接到接地网上后重新计算,直至接触电压和跨步电压达到设定值。本发明提供的接地网均压方法,在接地网的边角位置设置接地极,接地极的设置可以有效较低地电位的分布不均。进而有效降低接触电压、跨步电压,提高接地网的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及接地网的均压方法技术领域,具体地说是一种变电站接地网的均压方法。
背景技术
良好的接地系统是保证变电站安全运行的必要条件。根据国内相关接地标准,变电站接地网的工频接地电阻宜满足其中I为流入接地网的入地电流。主地网接地电阻满足该式时,变电站的地电位升将不超过2kV,一般均能保证设备及人身安全。
随着经济社会的发展,电力系统规模日益扩大,变电站各级电压母线接地故障电流逐年增长。站内设备发生单相接地短路时,短路入地电流也越来越大。加之由于土地资源日趋紧缺,变电站选址困难,目前在建变电站中许多变电站站址土壤电阻率较高,而随着技术进步变电站面积较以前大大减小了,从而造成近年来很多变电站的接地电阻超出标准要求,需要采取额外的措施进行降阻。
目前变电站常用的降阻措施有以下几种:
(1)在土壤中填充化学降阻剂。该方法投入不高,效果明显,缺点是对敷设其中的接地体有一定腐蚀作用,影响接地体寿命;随着使用年限的增加,化学物质降解可能造成土壤污染,且降阻效果随运行时间逐渐降解失效。
(2)站区换土。该方法可局部改善土壤性质,起到一定降阻效果,但是大范围土壤性质仍无法改变,且造价高,实施复杂。
(3)采用等离子接地棒或接地模块。该方法在难以找到低电阻率土壤或不易开挖的地方,使用离子接地系统较换土经济,但是也存在土壤污染和降解失效的问题。
(4)扩大接地网面积。该方法对降低接地电阻效果很好,但是需要增加征地成本和接地网敷设成本,实施困难。
(5)外引接地。该方法通过将接地网引到站外,起到扩大接地体范围的作用,但费用较直接扩大接地网面积省,但是也需要额外的征地,且造成后期运行维护的复杂。
(6)增加长垂直接地极或接地深井。该方法在土壤分布为上层电阻率大、下层电阻率小时增加了分流,效果明显,但对于底层土壤电阻率大的地区效果不明显,且增加了投资。
(7)爆破接地。该方法通过对站区进行爆破,改变地质结构,减低站区土壤电阻率,但是可能对建构筑物的基础造成较大影响,且实施困难。
综上,以接地电阻为指标控制接地网的安全性评价时,为降低接地电阻将付出较大的成本,且降阻效果受多种因素影响,不易实现。
变电站的地电位的升高(接地电阻)不是直接影响接地安全性的直接因素,直接影响因素是地电位的分布不均,导致空间上电位梯度很大,临近的两点间有较大的电位差,该电位差加在人身或设备上,是对人身及设备造成安全威胁的根源。所以标准进一步规定,当无外引电位、校核变电站内的接触电位差和跨步电位差满足要求时,接地网地电位升高可提高到5kV,相当于增加了接地电阻的允许值。如满足这些要求仍有困难时,经专门计算,且采取的措施可确保人身和设备安全时,可适当提高接地网地电位升的数值。但应保证3~10kV金属氧化物避雷器安全——避雷器不应动作或动作后应承受被赋与的能量。
目前变电站已很少设置生活区,不存在外引电位的问题;接地网出现问题的变电站一般为110kV及以上变电站,低压侧电压等级一般高于10kV,且低压侧出线众多,因而金属氧化物避雷器安全一般均能得到保证;故是对于变电站的接地网安全性评估来说,能否提高接地电阻的允许值,关键在于找到一种经济、高效的办法解决接地电位的分布不均问题,从而降低接触电压、跨步电压,满足安全性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变电站接地网的均压方法,用于解决接地安全性问题。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:一种变电站接地网的均压方法,其特征在于,它包括以下步骤:
(1)测定拟建变电站土壤电阻率,进行接地网结构设计;
(2)计算地电位升的分布情况,在地电位升分布最不均匀的接地网位置增加接地极;
(3)确定接地极的参数,然后将接地极连接到接地网上后重新计算,直至接触电压和跨步电压达到设定值。
进一步地,所述接地极为螺旋状结构的金属件。
进一步地,设定接地极的螺旋高度为2~3m。
进一步地,设定接地极的螺旋层数为4层。
进一步地,设定接地极的顶角为40°~50°。
本发明的有益效果是:根据本发明提供的接地网均压方法,在接地网的边角位置设置接地极,接地极的设置可以有效较低地电位的分布不均。进而有效降低接触电压、跨步电压,提高接地网的安全性。
附图说明
图1为现有接地网的示意图;
图2为接地极的俯视示意图;
图3为接地极的正面示意图;
图4为在接地网上增加接地极后的入地电流分布图;
图5为接地极的参数示意图;
图6为接地极在接地网中的安装示意图;
图7为接地极的三维图;
图8为现有接地网中的接触电压分布图;
图9为现有接地网中的跨步电压分布图;
图10为设置均压接地极后的地电位升的变化情况;
图11为设置均压接地极后的接触电压的变化情况;
图12为设置均压接地极后的跨步电压的变化情况;
图中:1接地网,2接地极,β顶角,m层数,H高度。
具体实施方式
如图1所示,为典型变电站的接地网,接地网尺寸为60m×50m,埋深0.8m。由于变电站采用多根水平接地体形成网格状的均压带,因而接地网中间地电位分布虽有波动,但是波动不大;在接地网的边角处,由于此处是接地网与大地的交界地带,入地电流将通过接地网流入大地,在此处造成剧烈的地电位变化,如图8、图9所示,导致接触电压、跨步电压大大增大,影响接地网的安全性。
由于全部入地地电流均需要通过接地网的边缘流出,造成接地网边角处的电位分布极为不均,如何合理的增加接地网边角与土壤的接触面积,增加入地电流流进土壤的范围,将对接地网的均压产生至关重要的影响,为此,构想出一种均压接地极2。
如图2、图3、图7所示,接地极2由金属材料成,呈螺旋状,随深度的增加几何半径逐渐增大。该接地极布置于接地网1边角处,将有效降低地电位的分布不均,进而有效降低接触电压、跨步电压,提高接地网的安全性。
该接地极呈现上小、下大的螺旋形结构,影响该接地极的主要参数有三个,如图5所示,分别为:
(1)螺旋结构的高度H;
(2)螺旋的顶角β;
(3)螺旋的层数m。
下面通过仿真计算研究三个参数的选择对接地极均压效果的影响,并确定该接地极的设计原则。考虑到接触电压、跨步电压直接反映地电位分布均匀度,又是接地网安全性评估的重要指标,因而以接地极参数的变化对接触电压、跨步电压的影响作为分析的判据。
1、螺旋高度H对均压效果的影响
固定螺旋的顶角β=45°,螺旋的层数m=2,设置不同的螺旋高度,研究接地网的接触电压、跨步电压的变化如下所示:
螺旋高度H(m) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
接触电压(V) | 688.542 | 659.109 | 616.687 | 591.231 | 561.945 |
跨步电压(V) | 396.452 | 374.265 | 349.346 | 326.073 | 306.848 |
由图表可见,随着螺旋结构的深度增加,接触电压和跨步电压均有所降低,基本成线性变化,接触电压平均降低31.6V/m,仅为初始接触电压跨步电压的4.6%,跨步电压平均降低22.4V/m,仅为初始接触电压跨步电压的5.7%。然而,随着深度增加,埋设接地极需要开掘的土方量需要翻倍,且开掘深度越大对施工要求越高,造成现场施工的复杂。
考虑到埋设深度增加对接地网均压效果不明显,且深度过大造成施工复杂,因而该接地极的高度不宜过深,H=2-3m即可。
2、螺旋顶角β对均压效果的影响
固定螺旋结构的深度H=2m,螺旋的层数m=2,设置不同的螺旋顶角β,研究接地网的接触电压、跨步电压变化如下所示:
顶角角度(°) | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
接触电压(V) | 826.39 | 777.459 | 720.163 | 651.559 | 560.396 |
跨步电压(V) | 424.992 | 416.559 | 404.197 | 386.461 | 358.457 |
由图表可见,随着螺旋结构的顶角角度增加,接触电压及跨步电压均有明显减小,尤其是接触电压减小很快,顶角变化10度,接触电压约减低66.5V。
但是深度一定时,随着顶角的增加,施工时开挖土方量将急剧增加,考虑施工方便,顶角角度不宜过大。但是,顶角角度较小时,均匀效果不明显。
综合以上分析,接地极顶角不宜太小,否则均压效果不明显;接地极顶角又不宜过大,否则给施工带来加大困难。故接地极顶角应取β=40°~50°之间,既能起到良好的均压效果,又不会带来复杂的施工问题。
3、螺旋的层数m对均压效果的影响
固定螺旋结构的深度H=2m,顶角β=45°,设置不同的螺旋层数,研究接地网的接触电压、跨步电压变化如下所示:
螺旋层数(m) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
接触电压(V) | 688.542 | 637.881 | 587.08 | 558.685 | 550.321 |
跨步电压(V) | 396.452 | 379.364 | 370.44 | 362.891 | 359.11 |
由图表可知,随着螺旋层数的增加,接触电压及跨步电压均有所降低。但是该降低并不成线性关系,层数增加越多,接触电压及跨步电压降低的越缓慢。
考虑到应采用较少的接地材料取得较大的效果,故接地极的螺旋层数不宜过多,取4层左右即可较好的实现均压效果。
针对接地极的三个参数变化的分析可知,综合均压效果及施工便利性、材料节省性的要求,三个参数的确定应遵循以下基本原则:
(1)均压效果随螺旋结构的高度H增加而变好,但变化不大,故高度不宜过高,H=2m左右即可。
(2)均压效果随螺旋结构的顶角β增大而明显变好,但考虑施工便利性,顶角宜在40°~50°左右。
(3)均压效果随螺旋结构的层数m增加而变好,但是不是线性变化,层数越多,均压效果变化越不明显,故层数应控制在4层左右即可。
接地极的具体应用方法如下:
(1)测定拟建变电站土壤电阻率,进行接地网结构设计,当计算出的接触电压、跨步电压不能满足要求时,增加接地极。
(2)计算地电位升的分布情况,在地电位升分布最不均匀的地方(接地网的边角处)增加该接地极。
(3)合理确定接地极的参数,将其连接到接地网后重新计算,直至满足规范要求的接触电压、跨步电压为止。
以变电站典型接地网为例(接地网尺寸为60×50m,埋深0.8m),如图6所示,在接地网四个边角处设置均压接地极后,接地网的地电位升、接触电压、跨步电压对比分别如图10、图11和图12所示。
由图可知,增加均压接地极后,地网的地电位升有所降低,接触电压由增加接地极前的1013.6V降低为547.86V,减少45.9%;跨步电压由增加接地极前的385.98V降低为294.91V,减少23.6%。均压接地极的均压效果十分明显。在主接地网上增加均压接地极后,地电位大大改善,接触电压及跨步电压明显降低,显著提高了变电站主接地网的安全性。产生如上效果的主要原因为合理的均压接地极设计,如图4所示,具体原因如下:
(1)在接地网边角处增设该均压接地极,入地电流在接地网边缘处除了在水平方向上流入大地(Is),在垂直方向上还增加了一个螺旋向下的分量(Ic),对水平流出接地网的电流起到分流作用,从而降低水平电流,减小该电流引起的电位分布不均。
(2)均压接地极设计为螺旋形,使得入地电流的垂直分量(Ic)沿着螺旋形的路径逐渐深入大地,在深入过程中与不同深度的土壤充分接触,尽可能多的通过相应深度的土壤散流,相当于将多层土壤并联起来,降低接地电阻,减少地电位分布不均。
(3)均压接地极上小下大,可尽量减少接地极与主接地网的耦合,缩小主地网和均压接地极之间的互感,增加均压接地极的分流作用,降低水平电流,减少地电位分布不均。
Claims (5)
1.一种变电站接地网的均压方法,其特征在于,它包括以下步骤:
(1)测定拟建变电站土壤电阻率,进行接地网结构设计;
(2)计算地电位升的分布情况,在地电位升分布最不均匀的接地网位置增加接地极;
(3)确定接地极的参数,然后将接地极连接到接地网上后重新计算,直至接触电压和跨步电压达到设定值。
2.根据权利要求1所述的一种变电站接地网的均压方法,其特征是,所述接地极为螺旋状结构的金属件。
3.根据权利要求1所述的一种变电站接地网的均压方法,其特征是,设定接地极的螺旋高度为2~3m。
4.根据权利要求1所述的一种变电站接地网的均压方法,其特征是,设定接地极的螺旋层数为4层。
5.根据权利要求1所述的一种变电站接地网的均压方法,其特征是,设定接地极的顶角为40°~50°。
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