CN107910663A - 一种冻土地区的变电站接地网及其设计方法 - Google Patents

一种冻土地区的变电站接地网及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种冻土地区的变电站接地网及其设计方法，属于变电站建设技术领域。所述接地网为若干横向干线和纵向干线连接成的网状结构，所述接地网包括水平接地网和水平接网边缘向下弯折的下沉接地网，水平接地网位于冻土层内，下沉接地网的最下端位于冻土层以下；横向干线和纵向干线的交点处连接方向竖直向下的接地电阻，所述接地电阻的最下端伸入冻土层以下。本发明优化了接地网结构，降低了接地网的跨步电压和接触电势，从而满足高土壤电阻率地区和深季节性冻土地区的接地网的安全性能要求。本发明不需要增加接地网的材料量、不需要扩大接地网征地面积和不使用额外的化学降阻物质，减少了工程的投资。

Description

一种冻土地区的变电站接地网及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种冻土地区的变电站接地网及其设计方法，属于变电站建设技术领域。
背景技术
变电站接地网必须满足接地电阻、安全的跨步电压和接触电势要求，以满足变电站内工作人员的人身安全和各电气设备的安全运行。在季节性冻土地区冰冻季节形成的地表冻土层对地网的安全性能有严重影响。接地系统的接地电阻、接触电势及跨步电压随冻土层的厚度和电阻率的变化而变化。当冻土层的厚度小于地网敷设深度时，对接地网的安全性能影响较小；而当冻土层厚度超过接地网的埋深时，接地电阻、接触电压和跨步电压大幅度增加，导致地网安全性能下降。
为了确保地网的安全性能,目前季节性冻土地区接地网的敷设方式包括： 1）将接地网埋设在冻土层之下；2）季节性冻土层中和冻土层下各敷设一层水平接地网的双层地网方式；3）将水平地网敷设在季节性冻土层中，在接地网周围及内部接地极交叉点布置短垂直接地极，长度深入冻土层下2m。这些敷设方式有一定的适用性，但在季节性冻土较深的地区会增加大量的施工工程量。并且当上述方式敷设的变电站接地网不能满足接地电阻、跨步电压和接触电势的要求时，还需要采用额外的降阻措施，通常包括：采取深井接地极、对土壤添加化学降阻剂、更换土壤、污水引入、外引水平接地极等，这些降阻措施会带来接地网建造成本的增加以及环境污染等问题。
发明内容
本发明针对现有的深季节性冻土地区的接地网设计、建造方案的优化，通过优化接地网布置结构，来达到降低接地网的跨步电压和接触电势，满足深季节性冻土地区的接地网的安全性能要求的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种冻土地区的变电站接地网，所述接地网为若干横向干线和纵向干线连接成的网状结构，所述接地网包括水平接地网和水平接地网边缘向下弯折的下沉接地网，水平接地网位于冻土层内，下沉接地网的最下端位于冻土层以下；横向干线和纵向干线的交点处连接方向竖直向下的接地电阻，所述接地电阻的最下端伸入冻土层以下。
本发明技术方案的进一步改进在于：下沉接地网与内部的水平接地网之间的角度为钝角。
本发明技术方案的进一步改进在于：下沉接地网与水平接地网之间的角度为100°～130°。
本发明技术方案的进一步改进在于：下沉接地网与水平接地网之间的角度为直角。
本发明技术方案的进一步改进在于：接地电阻的最下端伸入冻土层以下1～2m。
本发明技术方案的进一步改进在于：横向干线之间的距离不同，纵向干线之间的距离不同。
一种冻土地区的变电站接地网的设计方法，包括以下步骤，
a）、对变电站站址区进行勘测，确定变电站的土壤电阻率模型和最大季节性冻土深度；根据变电站站址区的腐蚀条件确定接地体种类及型号；
b)、根据变电站站址区内的最大季节性冻土深度，确定接地网边缘水平接地电阻敷设深度HB，并确定接地网的结构参数及布置参数；
c)、根据冻土随季节的冻结和解冻规律，确定四季的土壤电阻率模型；
d)、根据变电站的入地电流水平，分别校验不同季节土壤电阻率模型下的跨步电压和接触电势，计算接地电阻检查是否满足要求；如不满足要求，调整接地网结构参数及布置参数，最终至满足要求；
e)、根据最终的边缘下沉型接地网设计方案，统计敷设接地网所需的材料量和施工工程量。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤b）中HB=HD+（0.5～2.5）m。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：不同冻土的土壤电阻率为未冻土壤电阻率的5～100倍。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤b）和步骤d）中的接地网结构参数包括横向干线之间的距离、纵向干线之间的距离，接地网的布置参数包括接地电阻的敷设深度。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明中的接地网设置设置了向下弯折的下沉接地网，能够扩大接地网边缘的散流面积，有效降低地网边缘的跨步电压和接触电势，可以减少甚至取消额外的降阻措施。
本发明的下沉接地网的最下端位于冻土层以下，能够保证接地网在冻土区工作的可靠性，进而保证安全性。
本发明优化了接地网结构，降低了接地网的跨步电压和接触电势，从而满足高土壤电阻率地区和深季节性冻土地区的接地网的安全性能要求。本发明不需要增加接地网的材料量、不需要扩大接地网征地面积和不使用额外的化学降阻物质，减少了工程的投资，不会产生环境污染问题。
附图说明
图1是本发明接地网立体示意图；
图2是本发明接地网俯视图；
图3是本发明接地网断面图；
其中，1、水平接地网，2、下沉接地网，3、接地极。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了一种冻土地区的变电站接地网及其设计方法，具体的说明了该接地网的结构以及该接地网结构的具体参数如何设计，该方案应用于变电站的建设中，适用于各电压等级的变电站接地网的设计、建造，特别适用于深季节性冻土地区的变电站接地网的设计、建造。
本发明中的变电站接地网包括若干横向干线和若干纵向干线，横向干线和纵向干线连接组成网状结构作为接地体，横向干线和纵向干线一般使用钢质接地体。该接地网包括水平接地网1和下沉接地网2，具体的是在水平接地网1的边缘连接向下弯折的下沉接地网2，具体结构如图1、图3所示。在具体的建设过程中，将水平接地网1设置在冻土层内，下沉接地网2的最下端位于冻土层以下，具体结构如图2所示。接地网的横向干线和纵向干线具有若干的交点，在每个交点处固定连接方向竖直向下的接地极3，并且保证接地极3的最下端伸入冻土层以下，优先的将接地极3的最下端设置位于冻土层以下1～2m。本发明的接地网在具体的实施过程中横向干线之间的距离不同，纵向干线之间的距离也不同，结合图1、图2，即横向干线之间的距离A1、A2、A3……An-3、An-2、An-1、An的数值不同，纵向干线之间的距离B1、B2、B3……Bn-3、Bn-2、Bn-1、Bn的数值不同。横向干线、纵向干线以及接地极之间使用焊接连接。
本发明中的接地网包括了内部的水平接地网1和水平接地网2外边缘的下沉接地网2，其中下沉接地网2向下弯折，下沉接地网2与内部的水平接地网1之间的角度为钝角，具体的将下沉接地网2与水平接地网1之间的角度设置为100°～130°，具体结构如图3所示，优先使用该种设置方式。此外，还可以将下沉接地网2与水平接地网1之间设置为直角。
本发明中的接地网设置设置了向下弯折的下沉接地网，能够扩大接地网边缘的散流面积，有效降低接地网边缘的跨步电压和接触电势，保障安全。使用该种结构的接地网可以减少甚至取消额外的降阻措施。本发明在不增加接地网的材料量、不扩大接地网征地面积和不使用额外的化学降阻物质的前提下，通过优化接地网结构，降低接地网的跨步电压和接触电势，来满足高土壤电阻率地区和深季节性冻土地区的接地网的安全性能要求。
本发明的下沉接地网的最下端位于冻土层以下，能够保证接地网在冻土区工作的可靠性，进而保证变电站内设备及工作人员的安全性。
本发明还提供了上述用于冻土地区的接地网的设计方法，该方法包括以下步骤，
a）、对变电站站址区进行勘测，确定变电站的土壤电阻率模型和最大季节性冻土深度；根据变电站站址区的腐蚀条件确定接地体种类及型号。该步骤的操作内容为进行变电站接地网设计时的操作，具体的是对冻土层不同深度的土壤电阻率进行测量，根据测量结果将冻土层再分为若干分层。接地体的种类就是指的组成接地网的纵向干线和横线干线的类型，如果变电站站址区的腐蚀条件较轻微使用镀锌的钢材，如果变电站站址区的腐蚀条件较严重使用铜棒或者表面覆盖铜的钢材。
b)、根据变电站站址区内的最大季节性冻土深度HD，确定接地网的下沉接地网的边缘水平接地网敷设深度HB，并确定接地网的结构参数及布置参数。通常需要保证下沉接地网的边缘水平接地网敷设深度HB比变电站站址区内的最大季节性冻土深度HD大，具体的是HB=HD+（0.5～2.5）m。确定接地网的结构参数及布置参数指的是需要确定接地网的横向干线之间的距离即A1、A2、A3……An-3、An-2、An-1、An的数值，纵向干线之间的距离即B1、B2、B3……Bn-3、Bn-2、Bn-1、Bn的数值。横向干线以及纵向干线的距离根据变电站地面的设备的分布进行设计，设备较多、工作人员经常巡视的地方横向干线以及纵向干线的距离较小，由横向干线和纵向干线组成的接地网的密度较大；设备较少、工作人员不需要经常巡视的地方横向干线以及纵向干线的距离较大，由横向干线和纵向干线组成的接地网的密度较小，上述设置能够尤其方便设备与接地网进行连接，可以使用较少的线将设备与接地网连接，不仅节省材料还能简化施工。图2中HN为水平接地网的埋深；HD为最大季节性冻土深度，即HD范围内为冻土层；HB下沉接地网的边缘水平接地网敷设深度。
c)、根据冻土随季节的冻结和解冻规律，确定四季的土壤电阻率模型。在该步骤中进一步的确定了四季的土壤电阻率模型。夏季为非冻土季节，土壤电阻率较小；秋季为土壤逐渐冻结季节，土壤电阻率逐渐增大；春季为冻土逐渐融化季节，土壤电阻率逐渐减小；冬季为冻土季节，土壤电阻率较大。一般的不同季节冻土的土壤电阻率为未冻土壤电阻率的5～100倍。
d)、根据变电站的入地电流水平，分别校验不同季节土壤电阻率模型下的跨步电压和接触电势，计算接地电阻检查是否满足要求；如不满足要求，调整接地网结构参数及布置参数，最终至满足要求。该步骤中接地网结构参数的调整包括调整横向干线之间的距离和纵向干线之间的距离，接地网的布置参数包括调整接地极的敷设深度。
e)、根据最终的边缘下沉型接地网设计方案，统计敷设接地网所需的材料量和施工工程量。
本发明的接地网中的下沉接地网部分位于变电站的围墙处，因此在施工中可以和围墙基础开挖一同施工，从而大大减少接地网施工的开挖量。
通常变电站接地网设计所依据的土壤电阻率数据为一年中的某一时间段内测得，不能反映全年土壤电阻率的变化情况。而季节性冻土土壤电阻率的变化会使变电站的跨步电压和接触电势安全允许值发生变化。本发明对不同季节土壤电阻率情况下的接地网的跨步电压和接触电势进行校验，确保了接地网的安全性。

Claims (10)

1.一种冻土地区的变电站接地网，所述接地网为若干横向干线和纵向干线连接成的网状结构，其特征在于：所述接地网包括水平接地网（1）和水平接地网（1）边缘向下弯折的下沉接地网（2），水平接地网（1）位于冻土层内，下沉接地网（2）的最下端位于冻土层以下；横向干线和纵向干线的交点处连接方向竖直向下的接地极（3），所述接地极（3）的最下端伸入冻土层以下。
2.根据权利要求1所述的一种冻土地区的变电站接地网，其特征在于：下沉接地网（2）与内部的水平接地网（1）之间的角度为钝角。
3.根据权利要求2所述的一种冻土地区的变电站接地网，其特征在于：下沉接地网（2）与水平接地网（1）之间的角度为100°～130°。
4.根据权利要求1所述的一种冻土地区的变电站接地网，其特征在于：下沉接地网（2）与水平接地网（1）之间的角度为直角。
5.根据权利要求1所述的一种冻土地区的变电站接地网，其特征在于：接地极（3）的最下端伸入冻土层以下1～2m。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种冻土地区的变电站接地网，其特征在于：横向干线之间的距离不同，纵向干线之间的距离不同。
7.一种冻土地区的变电站接地网的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，
a）、对变电站站址区进行勘测，确定变电站的土壤电阻率模型和最大季节性冻土深度；根据变电站站址区的腐蚀条件确定接地体种类及型号；
b)、根据变电站站址区内的最大季节性冻土深度，确定接地网的下沉接地网的边缘水平接地网敷设深度HB，并确定接地网的结构参数及布置参数；
c)、根据冻土随季节的冻结和解冻规律，确定四季的土壤电阻率模型；
d)、根据变电站的入地电流水平，分别校验不同季节土壤电阻率模型下的跨步电压和接触电势，计算接地电阻检查是否满足要求；如不满足要求，调整接地网结构参数及布置参数，最终至满足要求；
e)、根据最终的边缘下沉型接地网设计方案，统计敷设接地网所需的材料量和施工工程量。
8.根据权利要求7所述的一种冻土地区的变电站接地网的设计方法，其特征在于：步骤b）中HB=HD+（0.5～2.5）m。
9.根据权利要求7所述的一种冻土地区的变电站接地网的设计方法，其特征在于：不同冻土的土壤电阻率为未冻土壤电阻率的5～100倍。
10.根据权利要求7所述的一种冻土地区的变电站接地网的设计方法，其特征在于：步骤b）和步骤d）中的接地网结构参数包括横向干线之间的距离、纵向干线之间的距离，接地网的布置参数包括接地极的敷设深度。
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Tang et al. Overview of Method for Reducing grounding resistance of substation grounding system

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