高土壤电阻率地区接地网降阻方案研究.doc

1、邵阳学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 本课题的提出和意义变电站接地网对于电力系统的可靠运行和变电站工作人员的人身安全起着重要作用，其接地电阻、跨步电压与接触电压是变电站接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合要求的重要参数。然而，有些变电站由于受地理条件的限制，不得不建在高土壤电阻率地区，导致这些变电站的接地电阻、跨步电压与接触电压的设计计算值偏高，无法满足现行标准的要求。近年来，随着电力系统短路容量的增加，由于接地不良引起的事故扩大问题屡有发生，因此接地问题越来越受到重视。在设计施工过程中如何合理确定接地装置的设计方案，降低接地电阻，这是变电站电气设计

2、施工的重点之一。变电站的接地电阻值是变电站接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合参数的重要参数。然而，有些变电站由于受地理条件的限制，不得不建在高电阻率地区，而且接地网敷设范围受到很大限制，导致这些变电站的接地电阻值偏高，无法满足现行标准的要求。如何合理、有效、经济、长久地解决这一问题，保障变电站的安全可靠运行，将具有十分重要的理论意义和工程价值。在国民经济的各领域中，如电力、铁路、厂矿、通讯等，各种电气设备在运行、使用中都必须通过各类接地装置以获取良好的接地，特别是电力系统要求就更高。接地网作为变电所交直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全起着重要的

3、作用。发、变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行，保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加，接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此，地网因其在安全中的重要地位、一次性建设、维护困难等特点在工程建设中越来越受到重视。本课题是根据220kV那桥变电站工程而开展的地网设计和研究工作。近年来电力系统得到迅速发展，对接地技术提出了新的要求，表现在以下的几个方面：（1）系统的容量急剧增大，入地短路电流大幅度升高。（2）由于科学技术的发展，集成式电气装置的出现和广泛应用，如GIS、箱式变压器等，使变电站的占地面积越来越小，地网的面积也越来越小。（3）随着电

4、网的大力发展，新建的电力设施一般被迫建在山区、偏僻郊区等地质状况复杂、高土壤电阻率的地区，而且地网面积也受到很大的限制。（4）随着电力系统的自动化水平和管理水平的不断提高，越来越多的计算机等电子设备进入了电力系统，但是，这些弱电设备的引入，也给系统带来了许多前所未有的问题。例如，强电设备对弱电设备的干扰，侵入波对电子设备的损坏和射频干扰等。要解决这些问题，对接地系统提出了更高的要求。为确保电力系统的安全稳定运行，提高供电可靠性，可靠安全的接地系统设计显得日益突出。1.2 变电站接地技术的发展现状和趋势电力系统接地技术对电力系统的安全运行有着重要影响，因此一直得到人们的重视。在变电站建设中接地网

5、的设计与施工是非常重要的一个环节，而接地电阻的计算又是接地网设计中的关键，误差小、简单实用的接地电阻计算方法是建设安全并造价合理的接地网的前提条件。变电站的接地技术是随电力输配系统的发展而出现的。由于变电站内电气设备聚集，电磁环境复杂，接地系统需要单独设计。最初的发、变电站接地系统采用的是埋设接地网的技术，地网接地体一般采用废铜，但发现废铜腐蚀过快，接地网一般几年后就失去作用。后来欧美国家采用金属铜作为埋设的接地体，但是接地引线与地网接地体的连接处腐蚀较快，与采用钢铁作为接地体的使用寿命等同，现在世界上统一采用镀锌钢材作为接地体，在钢材的选用上都留有腐蚀余量。接地体的设计也经历了从等间距布置到

6、不等间距，从水平地网到加入垂直极的复合三维地网的过程。随着电力系统的发展，输电线路的电压等级越来越高，入地短路电流越来越大，采用自然水平复合接地网设计，接地电阻、跨步电势、接触电势往往达不到要求，危及操作人员和电气设备的安全。为了降低接地电阻，现在在工程设计中采取了增大地网面积、增设接地体、采用降阻剂或局部换土、深孔爆破制裂压灌、电解离子接地系统、并联集中式接地体等许多方法。1.3 本设计所做的主要工作及各章节内容概要1.3.1 根据变电站接地技术的发展现状，主要展开如下工作：（1）根据系统容量和参数、主变参数计算流经接地装置的最大入地短路电流；（2）计算该变电站接地装置的接地电阻；（3）计算

7、故障时可能产生的最大接触电压、最大跨步电压；（4）天然土壤条件下安全最大接触电压、最大跨步电压；（5）确定变电站的接地装置的布置方式。1.3.2 本设计各章节的主要内容本文围绕降低接地电阻、接触电势和跨步电势以及入地故障短路电流展开工作。各章节的主要内容：（1）第一章 绪论：概述了接地网的重要性，指出应准确计算接地网的接地电阻，同时地电位也是衡量接地网的一个重要指标。要进行地网参数的准确计算，对地网的接地电阻应有个正确的概念，接地网不仅要满足接地电阻的要求，还应尽可能降低接触电压和跨步电压。 （2）第二章 那桥变电站的基本情况介绍。（3）第三章 变电站接地网的设计方法：对变电站接地网设计的总原

8、则以及接地网设计的步骤和方法进行了阐述，介绍了接地电阻、接触电势和跨步电势、土壤电阻率、入地故障短路电流等参数的一些基本情况。（4）第四章 降阻措施研究：阐述了外延接地及其应用、深井式接地极及其应用、降阻剂降阻、铺设水下地网和利用自然接地体等降阻措施以及降阻剂的一些相关信息。（5）第五章 那桥变电站接地网设计。（6）第六章 降阻方案。（7）第七章 结论和展望：对论文简要总结，并对地网设计中所遇到的技术问题进行了简明扼要的归纳和展望。2那桥变电站概况2.1 那桥变电站的基本情况2.1.1接地网的作用变电站接地网对于电力系统的可靠运行和变电站工作人员的人身安全起着重要作用，其接地电阻、跨步电压与接

9、触电压是变电站接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合要求的重要参数。然而，有些变电站由于受地理条件的限制，不得不建在高土壤电阻率地区，导致这些变电站的接地电阻、跨步电压与接触电压的设计计算值偏高，无法满足现行标准的要求。近年来，随着电力系统短路容量的增加，由于接地不良引起的事故扩大问题屡有发生，因此接地问题越来越受到重视。在设计施工过程中如何合理确定接地装置的设计方案，降低接地电阻，这是变电站电气设计施工的重点之一。2.1.2 站地址概况全站占地149*150m，拟建站址场区属丘陵地貌，位于较平缓的丘岗上，场区内地面高程38m57m，相对高差约19m。东

10、、西两侧为丘谷，南面坡脚下有一条小溪从东向西流；周围山丘顶高程52m87m，山丘坡度1525。场其附近为果园，种植有龙眼、荔枝、柑子等。站址场地上覆第四系土层主要为坡残积层(Qsl+el)粘土，黄褐色，混少量泥质粉砂岩块石，稍湿，硬塑为主，厚度1.0m2.0m。基岩为侏罗系（J）泥质粉砂岩夹泥岩，进站公路开挖边坡地段有出露，中厚层夹薄层状，强风化层厚大于8.0m。2.1.3 站区土壤电阻率分布特征测区内土壤电阻率分布特点如下：(a) AB/2=5m深度时，土壤电阻率为1149m。(b) AB/2=10m深度时，土壤电阻率为813.05m。(c) AB/2=20m深度时，土壤电阻率为667.81

11、m。(d) AB/2=30m深度时，土壤电阻率为582.796m。2.1.4 设计研究基本内容(1)最大入地短路电流的计算。(2)完成水平复合地网设计，接地电阻、最大接触电压、最大跨步电压的计算。(3)如果水平复合地网接地电阻、最大接触电压、最大跨步电压不满足规程要求，必须采取合理措施降阻，直到满足要求。3 变电站接地网的设计方法3.1 变电站接地网设计总原则近些年来，国内多处变电站因雷击形成扩大事故，多数与地网接地电阻不合格有关，接地网起着工作接地和保护接地的作用,当接地电阻过大则: 发生接地故障时,使中性点电压偏移增大,可能使健全相和中性点电压过高,超过绝缘要求的水平而造成设备损坏。 在雷

12、击或雷电波袭击时,由于电流很大,会产生很高的残压,使附近的设备遭受到反击的威胁,并降低接地网本身保护设备(架空输电线路及变电站电气设备）带电导体的耐雷水平,达不到设计的要求而损坏设备。同时接地系统的接地电阻是否合格直接关系到变电站运行人员、变电检修人员人身安全；但由于土壤对接地装置具有腐蚀作用，随着运行时间的加长，接地装置已有腐蚀，影响变电站的安全运行；因此，必须严格要求对地网接地电阻的设计。表征变电站地网的主要电气参数有：接地电阻、接触电势、跨步电势、接地电位升和转移电势。在进行变电站接地设计时，必须认真贯彻执行国家的有关方针和法规，认真总结经验，根据电气设备的类型和系统的运行方式、接地的性

13、质以及地质构造等特点，因地制宜，力求做到技术先进合理，经济节约，进行接地设计时主要考虑以下问题。3.1.1 对接地电阻的要求变电站地网的接地电阻主要是根据工作接地的要求决定，即要保证在接地故障时，流经地网的入地故障电流I在地网上产生的接地电位升不会对人身和设备安全造成威胁。运行经验证明，大接地短路电流系统（包括110kV及以上有效接地系统和635kV低电阻接地系统），当接地电位升IRV时，人身和设备是安全的，所以我国现行接地规程规定，对于有效接地和低电阻接地系统中地网的接地电阻R由下式确定，即1 （3.1）式中I为经地网向地中流散的入地故障电流，该值应采用考虑系统510年发展规划的最大运行方式

14、下，短路发生在站内或站外时的最大单项短路周期分量，并根据实际接线中的分流系数来确定，取最大值。当地网的接地电阻不满足（3.1）式的要求时，对于110kV以上的变电站，可通过技术经济比较增大接地电阻，但接地电阻及接触电势和跨步电势等数值一定要符合规程要求，且应当采取措施防止转移电位；考虑短路电流非周期分量的影响，接地电位升不应引起所内310kV阀式避雷器动作；验算接触和跨步电位差。3.1.2 接触电势和跨步电势的允许值人体能承受的接触电压和跨步电压与人体电阻、通过人体的电流值及持续时间、电流流经人体的途径、地表电阻率等因素有关。在大接地短路电流系统中，发生单相接地时，变电站及电力设备接地装置的接

15、触电位差和跨步电位差允许值为1 （V） （3.2）式中，人脚站立处地表的土壤电阻率（m）； t接地短路电流持续时间（s）。3.1.3接地电阻在电力系统中为了工作和安全的需要，必须将电力系统中一些电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。比如为了降低电力设备的绝缘水平，在110kV及以上的电力系统中多采用中性点接地(工作接地);直流系统在单极运行时，会有数以千安计的工作电流长期流过接地极;为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便把雷电流导入大地(防雷接地);为了保证人身的安全电气设备的外壳必须接地(保护接地)，以保证当电气设备绝缘损坏而使外壳带电时，流过

16、保护接地体的故障电流应使相应的保护装置动作，切除己损坏的设备，或使外壳的电位在安全值以下，从而避免因设备外壳带电而造成的触电事故。任何接地电极都存在有接地电阻。接地电阻是电流经接地电极流入大地时的电位对该电流的比值。接地电阻的大小除和大地的结构、土壤的电阻率有关外，还与接地体的材料、几何尺寸和形状有关。对于土壤均匀、接地极形状简单的情况，可以根据解析公式计算接地电阻。对于电力系统110kV及以下电压等级的变电站或面积不大的小型发电厂的接地网，可以依据经验公式计算其接地电阻。而对于220kV及以上电压等级变电站或大中型发电厂的大面积接地网一般应利用电磁场数值计算方法计算接地电阻。然而，接地体或接

17、地网的接地电阻的实际值需要在地网敷设完毕后通过实测得出。在进行接地电阻测量时，测量用电流极和电压极的位置及其引线的布置方式将直接影响到测量的准确性;在测量时如何消除或补偿各种干扰带来的误差是一个需要研究的问题。 电气装置保护接地的范围电气装置和设施的下列金属部分，均应接地：a)电机、变压器和高压电器等的底座和外壳；b)电气设备传动装置；c)互感器的二次绕组；d)发电机中性点柜外壳、发电机出线柜和封闭母线的外壳等；e)气体绝缘全封闭组合电器(GIS)的接地端子；f)配电、控制、保护用的屏(柜、箱)及操作台等的金属框架；g)恺装控制电缆的外皮；h)屋内外配电装置的金属架构和钢筋混凝土架构、以及靠近

18、带电部分的金属围栏和金属门；i)电力电缆接线盒、终端盒的外壳，电缆外皮，穿线钢管和电缆桥架等；j)装有避雷线的架空线路杆塔；k)除沥青地面的居民区外，其他居民区内，不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中无避雷线架空线路的金属杆塔和钢筋混凝土杆塔；l)装在配电线路杆塔上的开关设备、电容器等电气设备；m)箱式变电站的金属箱体。3.2 接地网设计的步骤和方法变电站地网的接地参数（地网竣工后的实测值）是否符合接地规程的要求，技术经济指标是否合理，取决于地网设计方法的正确性。只要按正确的步骤和方法来设计地网，是能够获得接地参数满足规程要求、技术经济指标合理的地网的，地网设计的步骤和方法一般如下。3.2.

19、1接地材料的选择 现在广泛使用的接地工程材料有各种金属材料（最常用的如扁钢）、接地体、降阻剂和离子接地系统等。金属材料如扁钢，也常用铜材替代，主要用于接地环的建设，这是大多接地工程都选用的；接地体有金属接地体（角钢、铜棒和铜板）这类接地体寿命较短，接地电阻上升快，地网改造频繁（有的地区每年都需要改造），维护费用比较高，但是从传统金属接地极（体）中派生出类特殊结构的接地体（带电解质材料），使用效果比较好，一般称为离子或中空）接地系统；另外就是非金属接地体，使用比较方便，几乎没有寿命的约束，各方面比较认可。降阻剂分为化学将阻剂和物理降阻剂，化学降阻剂自从发现有污染水源事故和腐蚀地网的缺陷以后基本上

20、没有使用了，现在广泛接受的是物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。在以下的讨论中以非金属接地块、物理降阻剂和离子接地系统为代表进行探讨。下面将设计中考虑的主要因素进行简要的说明。 物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。物理降阻剂是接地工程广泛接受的材料，属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，所以使用范围广，可以和接地环或接地体同时运用，包裹在接地环和接地体周围，达到降低接触电阻的作用。并且，降阻剂有可扩散成分，可以改善周边土壤的导电属性。现在的较先进降阻剂都有一定的防腐能力，可以加长地网的使用寿命，其防腐原理一般来说有几种：牺牲阳极保护（电化学防护），致密覆盖金属隔绝空气

21、，加入改善界面腐蚀电位的外加剂成分等方法。物理降阻剂有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。 非金属接地体有是在通讯、广电等部门广泛使用的工程材料。基本成分是导电能力优越的非金属材料复合加工成型的，加工方法有浇注成型和机械压模成型的，一般来说浇注成型的产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，一些小型厂家少量生产使用这样的办法；机械压模法，是使用设备在几到十几吨的压力下成型的，不仅尺寸精度较高、外观较好，更重要的是材料结构致密、电学性能好、抗大电流冲击能力强，质量也相当稳定，但是生产成本较高，批量生产多采用。选型时，尽量

22、采用后者，特别是接地体有抗大电流或大冲击电流的要求（如电力工作地、防雷接地）时，不宜采用浇注成型的非金属接地体。非金属接地体的特点是稳定性优越，其气候、季节、寿命都是现有接地材料中最好的，是不受腐蚀的接地体，所以，不需要地网维护，也不需要定期改造，但是，非金属接地体施工需要的地网面积比传统接地面积小很多，但是在不同地质条件下也需要的保证足够接地面积才可以达到良好的效果。 离子（中空）接地系统是传统的金属接地改进而来，从工作原理到材料选用都脱胎换骨的变化，形成各种形状的结构。这些接地系统的共同点是结构部分采用防腐性更好的金属，内填充电解物质及其载体组分的内填料，外包裹导点性能良好的不定性导电复合

23、材料，一般称为外填料。接地系统的金属材料已经出现的有不锈钢、铜包钢和纯铜材的。不锈钢的防腐较钢材好，但是在埋地环境中依然会多多少少的锈蚀，以不锈钢为主体的接地系统不宜在腐蚀性严重的环境中使用。表面处理过的铜是很好的抗锈蚀材料，铜包钢是铜 -钢复合材料，钢材表面覆盖铜，可以节约大量的贵金属-铜材。套管法或电镀法生产，表面铜层的厚度从0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐效果越好。纯铜材料防腐性能最好，但是要耗用大量的贵金属，在性能要求较高的工程中使用。由于接地系统大多向垂直方向伸展，所以接地面积大多要求很小，可以满足地形严重局限的工程需要。特别是，补偿类型的接地系统有加长的设计，笔者曾使用过加

24、长至24米的接地系统，辅以深井法施工，可以达到非常好的效果。介绍的接地材料各有优势，但是都有自身的局限。我们提倡各取所长，选择适当的材料满足不同的工程情况。3.2.2 调查测定土壤电阻率 土壤电阻率是决定地网参数的重要参数，根据土壤类型及土壤中所含水分的性质和含水量的多少，土壤电阻率的变化范围很大，由于实际的大地结构比较复杂，同一土壤在不同地点电阻率会有所不同，所以土壤电阻率的确定必须进行实测。在变电站站址选定后，在用物探法进行地质结构调查时，收集站区内土壤在水平方向和垂直方向的变化情况，同时，利用电探法测出站区（包括站区周围）的土壤电阻率的分布情况，并重视站区土壤电阻率随季节的变化情况，然后

25、，经过对实测数据的分析处理，以便获得设计时所需要的土壤电阻率。除此以外，还应该调查站区土壤对普通钢、镀锌钢等金属材料的腐蚀情况，测出对金属材料的腐蚀速度，为地网设计选择正确的金属材料和截面提供依据。3.2.3 计算入地故障短路电流入地故障电流是指系统发生接地短路时经地网向地中流散并引起地网电位升高的那部分电流。在输电线路有避雷线和系统中性点直接接地的情况下，当系统发生接地短路时，短路点的全部短路电流中，一部分电流由与地网连接的避雷线为回路流通，另一部分电流经地网流回系统的中性点，而剩下的那部分电流才经地网向地中流散，因此，入地故障电流并不等于故障点的全部短路电流。入地故障电流经地网流散时，它不

26、仅影响着接地电位升、接触电势、跨步电势以及转移电势、局部电位差的大小，而且还影响着接地引线、均压导体截面的选择，因此，在接地设计中，需准确计算入地短路故障电流。根据220kV变电站的规模2，有： I=（ImaxIn）（1ke1） ke1=0.5 I=In（1ke2） ke2=0.1 （3.3）取两式中最大值为入地短路电流I入地式中，Imax最大接地短路电流； In流经变电所接地中性点的最大接地电流。3.2.4 选择地网的布置方式变电站接地装置大多数都是以水平接地极为主，外缘闭合，内部敷设若干均压导体的接地网。均压导体一般按3m、5m、7m、10m等间距布置或按不等间距进行布置。由于端部效应和邻

27、近效应，各均压导体流散电流很不均匀，造成地网边角处的接触电势和中心处的接触电势相差很大，而且这种不均匀随地网面积的增大和网孔数的增多而越来越严重。为了保证发电厂、变电站人身和设备安全，又不过多地耗费钢材，设计是以比边角网孔低20%30%的次边角网孔电势不超过允许接触电势为原则。但这样做还是没有根除因为地面电位分布不均匀而引起的事故的危险，还需要在地网边角处采取辅助安全措施，而中部导体得不到合理利用。所以，大型地网均压导体按等间距布置，在经济技术上都是不合理的。为了解决这个问题，最好的方法就是采用不等间距布置均压导体。不等间距布置接地体就是从地网边缘到中心，导体间距按一定的规律逐渐增加，使网孔电

28、势大致相等。不等间距布置接地体由于良好的均压特点和经济上的节省，在发、变电站地网设计中得到了广泛的应用。如果在埋设地网的地方土壤上层的电阻率远比下层的电阻率高，或者地网处于容易干燥或冰冻的土壤地区的情况下，可以在地网周边埋设若干垂直接地体，并与水平接地网相连。这样既可以进一步减小接地电阻，也可以维持地网的性能，使之不随气候的变化而发生显著变化。此外还应重视各种自然接地体(如水电厂的钢筋混凝土基等)的利用。3.2.5接触电位差接地短路(故障)电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1.8m处两点间的电位差，称为接触电位差;

29、接地网孔中心对接地网接地极的最大位差，称为最大接触电位差。当电气设备发生碰壳等接地故障时，接地电流便经接地体流入地中，并向四面八方扩散，形成半球形电场。此半球形球面，在距接地体愈近的地方其表面积愈小，相应的散流电阻就愈大。在距接地体愈远的地方其表面积极愈大，相应的散电流电阻就愈小。实验证明:距单根接地体约20m的地方，距多根接地体比20m稍远的地方，半球形球面已经相当大，相应的散流电阻己接近于零，与之对应的电位也接近于零。电位为零的地方称电气上的“地”。3.2.6跨步电位差接地短路(故障)电流流过接地装置时，地面上水平距离为0.8m的两点之间的电位差，称为跨步电位差。接地网外的地面上水平距离0

30、.8m处对接地网边缘接地极的电位差，称为最大跨步电位差。当人步入半球形电场内时，两脚之间就存在电位差，称之为跨步电压，记为Vst，Ust=U一U2式中，U1、U2分别为两脚所在点的电位。跨步电压的大小与两脚跨距、人体与接地体之间的距离有关。跨距越大，跨步电压就越大。当人的一脚踩在接地体上时，跨步电压有最大值；当人站在距接地体20m及以上的地方时，跨步电压趋于零。一般取人的跨距为0.8m计算跨步电压。在电力行业标准交流电气装置的接地中，对跨步电位差进行了如下的规定:a)在100kV以上有效接地系统和635kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的跨步电位差不应超过下

31、列数值。 式中:Us跨步电位差，v；人脚站立处在表面的土壤电阻率，m；t接地短路(故障)电流的持续时间，s。b)366kv不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值。 4 降阻措施研究随着电力系统的发展，接地短路电流越来越大，接地装置对设备和人身安全的影响也越来越大。在山区、高土壤电阻率地区如何有效地降低接地装置的接地电阻，如何用较少的投资获得较大的降阻效果，目前仍然是电力系统中广大工程技术人员面对的主要技术难题。对发电厂、变电所接地装置，推荐了三种主要的降阻措施，但这三种措施如何根据现场实际情况正确、合理的使用则不是一件容易的事，在实际接地工程中就曾发生过因采用的降阻措施与现场实际不符而造成投资大收益小的事情。还有一些在降阻措施使用不当而造成高电位外引留下安全隐患的，因而有必要对每种降阻措施的作用、适用场所和应注意的问题进行深入的分析和研究，采用技术经济分析的方法，具体的工程，具体对待，在保证设备和人身安全的前提下，结合具体的工程情况和现场实际，特别是现场的地质、地势情况，土壤电阻率分布以及