大型发电厂和变电站接地网状态评估报告.docx
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大型发电厂和变电站接地网状态评估报告
大型发电厂和变电站
接地网状态评估
一概述
1.1接地网状态评估目的
1.2变电站接地网状态评估的具体内容
1.2.1接地网特性参数（接地阻抗、地线分流、跨步电压和接触电压）实测
1.2.2设备接地引下线与主接地网连接情况及接地网完整性测试
1.23接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断
1.2.4变电站站址土壤电阻率测试和土壤结构分析
1.2.5变电站接地网状态数值评估
1.3需要提供的系统参数
二接地网特性参数测量
2.1试验方法
2.1.1接地电阻测试
2.1.2变电站进线避雷线（包括OPGW光纤地线）对测试电流分流测量
2.1.3站内接触电压的测量
2.1.4跨步电压的测量
三设备接地引下线与主接地网连接情况测试
四接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断
4.1地网开挖目的
4.2地网检查步骤及试验方法
4.2.1开挖检查
4.2.2开挖要求
4.2.3检查项目
4.2.4取样办法
4.2.5检查方法
4.3地网腐蚀情况判定标准
五站址土壤电阻率测试和土壤结构分析
5.1试验目的
5.2测量原理和方法
5.3测量结果和结论
六基于CDEGS软件的变电站接地网状态数值评估
6.1前言
6.1.1CDEGS软件的简介
6.1.2CDEGS软件在变电站接地网状态数值评估中的应用
6.2接地网接地阻抗仿真计算与测量结果的比对验证
6.2.1接地网接地阻抗仿真计算
6.2.2仿真计算与测量结果的比对验证
6.3单相接地短路电流计算
6.3.1调度短路电流计算结果
6.3.2进站故障电流在出线地线的分流计算结果
6.3.3变电站母线单相接地故障时站内入地电流选取
6.4变电站发生单相接地故障时地网导体电位升高（GPR）
6.5变电站发生单相接地故障时跨步电压和接触电压
6.5.1典型的接触电势和跨步电势的三维图
6.5.2接触电势和跨步电势的允许值计算
6.5.3发生单相接地故障时，跨步电压分布的计算结果及分析
6.5.4发生单相接地故障时，接触电压分布的计算结果及分析
七地网状态评估结论
7.1土壤结构
7.2接地阻抗
7.3单相接地故障电流及其分布
7.4地表电位分布
7.5跨步电压、接触电压
7.6电气设备接地引下线与主地网连接情况
7.7地网腐蚀情况
7.8接地网状态的综合评价
一概述
1.1接地网状态评估目的
大型电厂和变电站的接地网是保证电力系统安全可靠运行、保障运行人员安全的重要措施之一。
它为大型电厂和变电站内各种电气设备提供公共参考地、系统接地故障时快速泄放故障电流以及改善变电站地电位分布。
随着电网的进一步建设和改造，接地网的安全问题越来越突出，开展变电站接地网状态评估的必要性随之而来。
大型电厂和变电站接地网状态评估工作主要是结合现场测试和理论计算，准确给出接地网入地故障电流、接地阻抗、接触电压、跨步电压、地网电位分布、地网完整性、地网金属导体腐蚀情况等现时状态，通过以上实测和计算相结合的方法分析接地网的安全性。
表征变电站接地网状态的主要参数包括接地阻抗、接触电压、跨步电压、地网电位分布及地网的完整性等，对变电站接地系统进行状态评估主要是对这些参数进行测量和分析，然而以上参数的测量和评估是一个相当复杂的问题，受到多方面因素的影响，它不仅与接地体本身的大小、形状有关，还受到周围土壤中的金属物质、土壤电阻率均匀性的影响。
由于对整个变电站接地网评估时单纯使用测量的方法工作量太大，不可能将站内所有位置的参数都测出来，因此采用主要借助于加拿大SES公司的CDEGS软件（电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析）的数值分析方法以有效地弥补测量存在的缺陷和不足，该软件是目前世界上电磁干扰分析、接地系统研究和设计领域通用性最强，功能最强大的软件包，在国内外的多年应用实践证明，该软件已经成为接地网状态评估、设计和降阻改造的科学可靠工具。
在运用测量结果验证采用基于CDEGS软件的数值分析方法的可信性后，结合接地网安全性限值的分析，可以通过数值方法完成变电站接地网的全面状态评估。
1.2变电站接地网状态评估的具体内容
1.2.1大型电厂和变电站接地网特性参数（接地阻抗、地线分流、跨步电压和接触电压）的实测
结合变电站竣工设计图纸和后期改造记录确认变电站地网结构现状，采用类工频测试方法（接近50Hz的类工频），通过对出线避雷线（包括OPGW光纤地线）、出线电缆外皮和接地的主变中性点分流测量并进行处理，测量出带出线避雷线（包括OPGW光纤地线）的运行变电站地网工频特性参数（接地阻抗、地线分流、跨步电压和接触电压）。
1.2.1.1地网接地阻抗测试
根据DL/T475－2006《接地装置特性参数测量导则》和GB/T17949.1－2000《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》的要求，采用类工频（接近50Hz的类工频）小电流法测量变电站接地阻抗。
1.2.1.2出线地线分流测量
向地网注入类工频电流，测量出线地线（如避雷线、OPGW、耦合地线等）、出线电缆外皮及变压器接地的中性点流出的电流值，同时记录注入电流和各分流电流的波形，计算与注入电流的相角差，便于更准确地确定分流系数。
1.2.1.3地网跨步电压、接触电压实测
依据DL/T475－2006《接地装置特性参数测量导则》、GB/T17949.1－2000《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》测量变电站有代表性点的跨步电压US和接触电压UT。
依据DL/T621－1997《交流电气装置的接地》、GB50150－2006《电气设备安装工程电气设备交接试验标准》，参照IEEEstd－2000《交流变电站接地安全性导则》确定变电站跨步电压US和接触电压UT的限值。
判断实测的跨步电压US和接触电压UT是否超过变电站跨步电压US和接触电压UT的限值。
1.2.2设备接地引下线与主接地网连接情况及接地网完整性测试
按照DL/T475－2006《接地装置特性参数测量导则》和Q/CSG10007-2004《电力设备预防性试验规程》的有关要求进行，判断设备接地引下线与主接地网连接情况及接地网完整性是否良好。
1.2.3接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断
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。
若遇接地短路故障，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得二次设备的绝缘遭到破坏，严重者可能导致监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。
接地系统状态评估的其中一项重要内容就是诊断接地网的腐蚀状况，判断接地系统是否满足安全运行要求，是否需要改造。
接地网导体腐蚀情况诊断可通过以下几个途径：
（1）导通性测试。
在电气完成性测试中，发现接地引下线断裂或地网金属导体断裂，需开挖确认。
（2）场区地表电位梯度测试。
发现场区地表电位梯度曲线有突变点，或局部波动较大，则可能存在接地系统状况可能不良或存在缺陷，需要开挖确认。
（3）按运行年限有针对性地开挖检查。
对运行时间达到一定年限（如10年及以上）的变电站接地网，建议选择关注的点开挖。
（4）利用发变电站接地系统腐蚀诊断系统。
该系统是指在在电力系统正常运行的情况下，确定变电站接地网的故障（包括断点及腐蚀）位置的准确、可靠和简单的诊断方法，即通过地网各引线间电气参数的测量值来确定地网的断点及腐蚀情况。
该方法应用于现场的有重庆大学的《接地网腐蚀诊断软件》和清华大学的《IntelliEDS》，由腐蚀普查系统的测量系统和分析软件组成，适用于变电站地网设计和施工图纸完整的变电站。
根据技术成熟程度和国内兄弟省份的经验，选择开挖检查结合地中导体腐蚀程度量化分析和土壤分析的方法进行接地导体腐蚀性诊断。
1.2.4大型电厂和变电站站址土壤电阻率测试和土壤结构分析
大型电厂和变电站接地网的准确评估的基础是接地阻抗、土壤电阻率的测量及土壤电阻率的分层分析和计算。
为了能更好地对变电站接地网进行分析计算，需要了解变电站所在地域的土壤状况，分层土壤电阻率数据的详细测量是CDEGS软件的应用准确性的基础，而后者直接影响到地网状态评估工作的质量，因此土壤电阻率数据的准确性非常关键。
采用四极法测量变电站站址的土壤电阻率随测量极间距变化的曲线，根据视在土壤电阻率现场基础测试数据，利用CDEGS软件，通过优化分析，反演得到土壤的实际分层结构模型。
1.2.5大型电厂和变电站接地网状态数值评估
大型电厂和变电站接地网状态数值评估主要是基于CDEGS软件，根据实际接地系统的结构，采用测量分析得到的分层土壤模型，分析分层土壤模型下接地系统的电气参数。
主要内容包括：
（1）对运行变电站接地阻抗测试结果以及分流对运行变电站接地阻抗测试结果的影响的影响进行详细计算研究，通过软件计算和实测结果对照，给出变电站接地阻抗值。
（2）确定变电站最大入地故障电流。
变电站最大入地故障电流是关乎变电站系统安全指标的重要参数，对于运行中的变电站，当变电站发生接地短路，一部分短路电流经接地网入地，另一部分经由与地网相连的出线地线（如避雷线、OPGW、耦合地线等）、出线电缆外皮及变压器接地的中性点流回系统。
在考虑系统结构，用CDEGS软件计算系统的分流系数Kf后，即可根据设计时的总故障电流求出。
在计算分流系数Kf前，需确定的影响因素有：
（a）与地网出线地线回数，出线地线与杆塔的是否有金属连接方式，以及该杆塔的接地电阻值；（b）出线电缆回数、电缆的参数；（c）变电站地网的接地电阻值；（d）与被评估变电站直接相连的对侧各电压等级变电站地网接地电阻值；（e）变电站所处位置土壤结构；（f）变压器中性点接地方式。
（3）以整个变电站场区为研究对象，计算实际接地系统在单相接地短路故障情况下，变电站地网接地导体的电位升高，是否满足二次设备安全的要求。
（4）计算变电站跨步电压US和接触电压UT分布情况，对比测试结果以及跨步电压US和接触电压UT的限值，判断变电站US、UT的分布情况，分析和评估在地表产生的接触电压和跨步电压是否满足人身安全要求。
1.3需要提供的系统参数
以500kV砚都变电站为例，表一为广东省电力调度中心提供的500kV砚都变电站在500kV侧或220kV侧发生单相接地短路故障时主变、500kV线路和220kV线路各支路提供的入地短路电流的计算结果。
在2009年6月运行方式下核算的砚都变电站500kV和220kV母线单相接地短路电流分别为37.90kA和16.68kA。
表1-1500kV砚都变电站单相入地短路电流计算数据（2009年6月运行方式）
故障类型
系统部分
流经线路的A相短路电流（kA）
支路名称
各支路提供的A相短路电流（kA）
在500kV出线处发生A相故障
500kV线路
35.6725∠60.1782°
砚花甲
3.91∠57.6°
砚花乙
3.91∠57.6°
砚西甲
7.72∠50.3°
砚西乙
7.74∠50.3°
蝶砚甲
2.95∠62.5°
蝶砚乙
2.95∠62.5°
砚肇甲
3.64∠82.5°
砚肇乙
3.64∠82.5°
主变
2.36∠40.5°
＃2变
2.36∠40.5°
220kV线路
4.7313∠39.1045°
砚东甲线
0.84∠43.2°
砚端甲
0.75∠35.3°
砚端乙
0.75∠35.3°
砚珠甲线
1.44∠44.8°
砚兴线
0.66∠46.2°
砚荷甲
0.18∠8.2°
砚荷乙
0.18∠8.2°
在220kV出线处发生A相故障
500kV线路
4.7140∠55.0611°
砚花甲
0.55∠37.1°
砚花乙
0.55∠37.1°
砚西甲
1.60∠-10.4°
砚西乙
1.61∠-10.4°
蝶砚甲
0.57∠67.0°
蝶砚乙
0.57∠67.0°
砚肇甲
1.63∠123.1°
砚肇乙
1.63∠123.1°
主变
4.72∠25.1°
＃2变
4.72∠25.1°
220kV线路
12.2453∠48.7983°
砚东甲线
3.79∠51.2°
砚端甲
1.97∠46.6°
砚端乙
1.97∠46.6°
砚珠甲线
2.69∠49.9°
砚兴线
1.1859∠51.839°
砚荷甲
0.3296∠38.105°
砚荷乙
0.3296∠38.105°
500kV砚都变电站的500kV和220kV线路的参数如表1-2所示。
表1-2砚都变电站500kV和220kV出线的线路参数
序号
线路名称
长度
（km）
平均档距（m）
终端塔
型号
导线规范
地线规范
对侧变电站名
对侧变电站接地阻抗值（）
1
500kV砚花甲
138.98
450
SJCD274-26/28/29/30
4×ACSR-720/50
LGJX-150/35
LGJ-150/35
花都
0.450
2
500kV砚花乙
3
500kV砚西甲
46.423
407
SJCD274-24/25/26
4×LGJ-400/35，ACSR-720/50
LGJX-150/35
JLB2-40-7
西江
0.206
4
500kV砚西乙
5
500kV蝶砚甲
148.49
464
SJDG374-25/29/32/33
4×LGJX-630/50
LGJX-150/35
LGJ-150/35
蝶岭
0.455
6
500kV蝶砚乙
7
500kV砚肇甲
1.34
335
SJCD274-22/23/24/25
4×ACSR-720/50
LGJ-95/55
JLB2-40-7
肇庆换流站
0.479
8
500kV砚肇乙
9
220kV砚东甲
15.0
326
GUT8-23
2*LGJ
-300
LGJ-95/55
东岸
0.21
10
220kV砚端甲
31.8
388
GUT8-20
2*LGJ
-240
GJ-50
端州
0.490
11
220kV砚端乙
12
220kV砚珠甲
16.0
364
GUT8-23
2*LGJ
-240
LGJ-95/55
珠山
0.483
13
220kV砚兴线
54.0
390
GTU9-17
2*LGJQ-300
LGJ-95/55
兴瑶
0.468
14
220kV砚荷甲
44.0
400
SJ633-21
2*LGJ
-300
GJ-50
荷村
0.480
15
220kV砚荷乙
二接地网特性参数测量
2.1试验方法
2.1.1接地电阻测试
根据变电站主地网现场地形情况和试验条件，选择远离夹角法进行测量。
采用类工频（接近50Hz的类工频）小电流法测量，所加测试电流3～10A。
试验原理如图2-1所示。
8000型类工频小电流接地网测试系统见图2-2。
由于采用远离夹角法，测量结果需要修正，根据DL475—92《接地装置工频特性参数的测量导则》有关公式计算，接地网接地电阻测量结果应为测量值乘以修正系数1/0.8061。
由于运行要求，所有运行的500kV和220kV出线线路的避雷线无法与接地网断开联结达到隔离的目的，本次测试将在出线构架上带着避雷线和OPGW光纤地线的运行状态下进行测量，并采用对变电站内500kV场地和220kV场地与出线金属构架相连的所有金属构架、主变中性点和500kV出线杆塔进行分流测量并进行处理的方法尝试消除或减少避雷线和OPGW光纤地线等对测量结果的影响，测试结果供参考。
S1：
开关A：
选频电流表V：
高内阻电压表
图2-1类工频小电流法试验原理接线图
图2-28000型类工频小电流接地网测试系统
2.4.2变电站进线避雷线（包括OPGW光纤地线）对测试电流分流测量
选择45Hz频率，施加测试电流，利用柔性罗哥夫斯基线圈测量与500kV和220kV出线构架相连通的所有金属构架及变压器中性点和500kV出线杆塔塔脚的分流，得到分流系数，以便于剔除分流因素对测量结果的影响，得到较为真实的变电站地网接地电阻值。
2.4.3站内接触电压的测量
在变电站中可能有接地短路电流流过的电力设备外壳或构架上测量接触电压，试验原理如图2-4所示。
将电流注入点引至待测设备外壳或构架上，高内阻电压表V1的一端接至地面上离设备外壳或构架水平距离1.0m的测量极上，电压测量极采用Φ22圆钢打入地下0.5m，并保证钢钎紧密插入土壤，电压表的另一端接至设备外壳或构架离地面1.8m处。
加测量电流I，读取电压表指示值可测出通过主地网电流I对应的接触电压UT。
站内接触电压与通过地网流入土壤的电流值成正比。
实测的接触电压尚需按经接地网流入地中地最大短路电流Imax（取37.90kA）换算，接触电压的最大值为：
UTjmax=UT×Imax/I
图2-4接触电压和跨步电压测试原理图
2.4.4跨步电压的测量
在变电站中工作人员经常活动的区域测量跨步电压，试验原理如图2-4所示。
电流注入点取接地短路电流可能流入接地网的地方注入，将两根Φ20圆钢电压测量极按1.0m间距打入地下0.5m，并保证钢钎紧密插入土壤，高内阻电压表V2的两端分别接至两根测量极上。
加测量电流I，读取电压表指示值可测量出通过主地网电流I对应的跨步电压US。
如在水泥地面上测量，需在测量点放置两块包裹湿抹布、半径约为10cm的圆盘电极，并在每块圆盘上加不小于40kg的重量。
跨步电压与通过地网流入土壤中的电流值成正比。
实测的跨步电压尚需经按接地网流入地中的最大短路电流Imax（取37.90kA）换算，跨步电压地最大值为：
USmax=US×Imax/I
DL/T621—1997《交流电气装置的接地》中推荐的110kV及以上有效接地系统发生单相接地或同点两相接地时，变电站接地装置的接触电压UT和跨步电压US允许值不应超过：
、
，式中，ρs是变电站表层土壤的电阻率。
对于砚都变电站：
ρs取100Ω·m（参照本报告第七部分“500kV砚都变电站站址土壤电阻率测试和土壤结构分析”中站内场地0.1m深度土壤电阻率测试数据），考虑后备保护动作的系统单相接地短路（故障）电流持续时间t＝0.35s，计算得UT＝322.84V，US＝412.43V。
从表2-2、表2-3的实测结果看，变电站场区各部分典型点实测的跨步电压换算值最高为53.6V，接触电压换算值最高为187.06V，均远小于各自允许的安全限值。
2.2测量结论
根据DL/T475—2006《接地装置特性参数测量导则》的有关要求，在出线构架上带着500kV、220kV避雷线和OPGW光纤地线的运行状态下，采用施加5.5A类工频小电流的电流—电流远离夹角法所测得的500kV砚都变电站地网接地电阻值为0.186Ω。
在注入电流频率47Hz的测试方式下，采用柔性罗哥夫斯基线圈对与500kV和220kV出线构架相连通的所有金属构架、500kV出线杆塔塔脚以及变压器中性点进行分流测量，得到所有500kV和220kV出线构架出线避雷线（普通地线和光纤地线）的分流系数达69.62%，考虑到分流因素的影响，砚都变电站地网的接地电阻真实值应远大于实测结果。
500kV砚都变电站场区各部分实测的跨步电压和接触电压水平均远小于允许的安全限值。
三设备接地引下线与主接地网连接情况测试
3.1测试方法
按图3-1接线，通过测量两个相邻设备接地引下线之间的回路电阻来检查设备接地引下线与地网连接情况。
（1）以测主地网接地电阻的电流注入点（#3主变A相接地引下线）为第一个参考点A，分别检测该参考点附近场地（第一个区域）各设备的接地引下线（B1，B2……Bi）与主地网的连接情况；
（2）在待测场地（第二个区域）选定一台设备的引下线M，若M同第一区域内与主地网连接良好的点引下线Bi连接情况良好，认为M与主地网连接良好，则选定其为第二区域的参考点，测该区域设备与M的连接情况，判断其与主地网的连接情况。
（3）其他待测场地参照第
（2）条依次递推测试，直至完成全站的检测。
DFDC-ⅢGG主地网A、B设备接地引下线
图3-1FDC-ⅢG测试仪测量原理接线图
四接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断
4.1地网开挖目的
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。
若遇接地短路故障，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得二次设备的绝缘遭到破坏，严重者可能导致监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。
接地系统状态评估的其中一项重要内容就是诊断接地网的腐蚀状况，判断接地系统是否满足安全运行要求，是否需要改造。
4.2地网检查的步骤及方法试验方法
根据技术成熟程度和国内兄弟省份的经验，选择开挖检查结合地中导体腐蚀程度量化分析和土壤分析的方法进行接地导体腐蚀性诊断。
4.4.1开挖检查
对于500kV变电站，分别在500kV场地、220kV场地和35kV场地选择典型区域，共计开挖8个点（500kV场地3个点、220kV场地3个点和35kV场地2个点）。
对电缆沟内的接地体实行开盖目测检查，沿电缆沟每隔10米开盖一处，至少拍照8点。
4.4.2开挖要求
顺引下线开挖，一直挖到引下线和水平接地线连结处，在水平地网前方左右开挖5米。
沿避雷针引下线开挖，找出垂直接地体，进行检测及拍照。
4.4.3检查项目
a.水平接地带腐蚀情况；
b.引下线腐蚀情况；
c.垂直接地体腐蚀情况；
d.电缆沟内接地带腐蚀情况；
4.4.4取样办法
a.引下线长度100mm；
b.水平接地带长度100mm；
c.土壤每个开挖处各1kg；
取样前，应在想断开的地方，先焊接一段同等面积的钢材，然后再把样品锯断。
去掉泥土，锈钢，放入袋内。
样品应做好标签，写好记录，拍好照片，交给内勤人员处理。
4.4.5检查方法
4.4.5.1腐蚀率检查
a.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。
b.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，测量其腐蚀程度。
c.失重法：
本次挖检采用相对失重法
c.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试其重量，算出丢失重量。
再按照下列公式计算相对平均腐蚀率：
其中V：
腐蚀速率（g/mm）；W1：
标准重量（g）；W2：
样品实际重量（g）
c.2自然失重法：
自然失重法是测量金属腐蚀速率的最经典的方法。
这种方法的具体测量过程是先把样品表面檫洗干净，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：
其中
：
腐蚀速率（g/cm2.a）
：
样品N天内失去的重量（g）
N：
为样品在土壤中埋设的天数A：
为样品的表面积（cm2）
d.在试验室检测土壤的PH值，找出腐蚀规律。
e.针孔法：
以腐蚀深度表示的腐蚀率，即在单位时间内被腐蚀金属的厚度变化。
以工程观点看，腐蚀深度的程度，可用来预测接
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