论文部分内容阅读
【摘要】随着近年来电网容量的快速增长，系统短路电流也随之增大，对变电站接地网的接地电阻提出了更高的要求。提高接地网的可靠性是保证电网安全运行的重要措施。本文以宜昌110kV茶园变电站接地网改造为实例，详细阐述了通过新材料新技术的应用，来增强接地网抗腐蚀能力，降低接地网接地电阻，从而提高了变电站接地网的运行可靠性。
【关键词】立体接地网 接地电阻 离子接地极
1引言
变电站接地系统在变电站中占有十分重要的位置，它是维护电力系统安全可靠运行、保护运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。调查表明，我国因接地网的接地电阻达不到要求，而造成高压窜入二次回路及操作系统，使保护失灵，短路电流时间持续较长，进一步将地网多处烧断，使整个变电站多处出现高电位差，造成许多主设备损坏的事故时有发生。近年来电网容量的快速增长，系统短路故障电流越来越大。为确保系统短路电流快速散失，保证人身及设备的安全运行，电力系统对降低变电站接地网的接地电阻值提出了更严格的要求。针对1996年投运的宜昌110kV茶园变电站接地网电阻值偏高、腐蚀严重等问题，2012年我们通过建立立体接地网对该站接地网进行了改造，显著降低了该站接地电阻值，增强了接地网耐腐蚀能力。
2立体接地网
2.1接地网接地电阻的要求
根据我国《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065-2011新规程要求，在有效接地系统和低电阻接地系统中，接地网的接地电阻宜符合R2000/IG。当不符合这各要求时可通过技术经济比较，适当增大接地电阻，但应符合R <0.5 。在符合本规程第4.3.3条规定时，接地网地电位升高可提高至5kV。随着电网容量的快速增长变电站的短路入地电流已达20 kA甚至更大，即使将R降到0.5 ，其地电位升也有10 kV。所以必须降低接地网的接地电阻才能满足容量日益增长的电网的发展。
2.2立体接地网的基本原理
由接地电阻值估算公式可知
ρ--接地电阻
S--接地网面积
接地电阻值大小与土壤电阻率成正比，而与水平接地网边缘闭合面积S的大小成反比。由于受变电站接地网外扩、地形等各方面原因的限制，接地网很难向水平方向扩张，于是我们把变电站接地网向纵深方向发展，增设深井式离子接地极。
在变电站接地网的改造中，我们重新建立符合现规程规定的水平接地网及垂直接地棒，然后在水平接地网基础上，把多根经过计算入地深度、位置和根数的垂直超深度离子接地极打人地下深处，并与水平接地网连接起来，在地下的深层，形成的半球散流接地网，使变电站的接地网呈立体型。这种立体接地网建立后将极大的降低了整个地网的接地电阻值。
2.3深井式离子接地系统
2.3.1离子接地系统的工作原理
电解离子接地系统由先进的合金化合物组成，电极外表是铜合金，以确保最高导电性能及较长使用寿命。导体内部填充材料含有特制的电离子化合物，能充分吸收空气中的水分。通过潮解作用，将活性电离子有效释放到土壤中，与土壤及空气中的水分作用，更加促进导体外部缓释降阻，且保持阻值长期稳定。利用胶质化合物的导电性能，使整个系统能够长期处于离子交换的状态中，同时它还具有防腐及离子自动补充功能，因此有效寿命周期30年以上。
2.3.2离子接地系统的组成
离子接地系统为成套设备，包括主要三个部件：离子接地棒、配套的降阻剂和观测井（如图）。
（a）离子接地棒应用内径不小于20mm和壁厚不小于8mm的铜管制成。垂直长度不小于10米，在管壁上通过热熔焊接永久连接不少于4米的铜电缆辫。管顶部有通风孔，用来吸收空气中的水分；管壁上有许多的导液孔，将电解液释放到周围的土壤中。
（b）深井离子接地极外部填充的降阻剂能有效降低接地电阻，并提供良好的永久导电性能，并不影响土壤、不溶解和不污染地下水，且无须维护。
（c）观测井保护离子棒，并能让空气中的水分进入离子棒内，使里面的电解质溶解并渗透到土壤中。并能方便的打开观测离子棒内的具体情况，也可用来补充电解质。
3.热熔焊接
近年来变电站接地装置事故统计表明，接地装置腐蚀是事故的主要原因之一。通过对使用传统电焊接地网的调查，发现即使对接地网的焊接部位进行了防腐处理，多年后接地网腐蚀严重的地方仍出现在焊接部位。可见处理好接地网金属导体的连接问题，可以极大的提高接地网的耐腐蚀能力。接地网金属导体间的热熔焊接连接法有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好、接触电阻低、过载能力以及热稳定性高，已逐步得到推广应用。
3.1热熔焊接工作原理
焊粉在引火粉的催化作用下发生化学反应，产生500～3500℃之间（焊接不同的金属和其体尺寸需要控制不同的温度和反应时间）的高温铜熔液，隔离垫片使焊粉能够充分反应。铜熔液会沿注人孔快速地流入熔接腔中，完成焊接。热熔焊接制作的接头为分子结合。
3.2热熔焊接接头的特性
（a）接点外形美观一致，连接点为分子结合，没有接触面和机械压力，因此不会松弛和腐蚀。
（b）具有较大的散热面积，通电流能力、熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，。
（c）热熔焊接法可完成各种金属导体间不同方式、不同材质、不同形状的连接。
（d）熔接速度快，耐腐蚀性好、接触电阻低、过载能力以及热稳定性高。
4.变电站接地网改造举例
宜昌110kV茶园变电站于1996年投入运行，接地网采用40*4的热镀锌扁钢，埋设深度为0.8m，垂直接地极采用L50mm×50mm×5mm 的热镀锌角钢。变电站面积为69.1m×67.6m，土壤电阻率为153.1Ω·m。针对该站接地网电阻值偏高、腐蚀严重等问题，2012年我们通过建立立体接地网对该站接地网进行了改造。 4.1接地网接地电阻简化计算
接地网面积S为4671.16m2，水平接地网所埋深度h=0.8m，宽度b=0.04m，土壤电阻率ρ=153.1Ω·m，接地体总长度L=500m，等效半径d=b/2=0.02m； B=1/（1+4.6×h/√s）=0.948。内插法计算：r=（0.22-0.007×a/b）×ρ/√s×（1+B）+ρ/2πL×（lnS/9hd-5B）=0.425Ω
4.2深井离子接地极接地网
考虑到离子棒对站内地网的改善作用，在变电站内布置离子接地极后，原有地网的接地电阻将有所降低。R1 =kR地网（其中k---离子接地极改善系数=0.85）；R1=0.361Ω
单组接地深井电阻计算公式：
（其中K为深井中离子接地极降阻系数，为0.85；D为垂直直径 ；L为垂直接地极长度）ρ=153.1Ω.m L=10m D=60mm；R单垂≈0.98Ω
多根垂直接地深井之间会存在相互屏蔽，相互之间的距离越近，并联系数越大。多根垂直接地极计算公式： R= （其中μ为并联系数.取1.2；n为垂直接地极根数.，这里为4）。多根垂直接地极接地电阻R2 =0.294Ω。整个联合地网并网的总接地电阻值R=1/（1/R1 +1/R2），其中R1为原接地网电阻；R2为深井接地法的接地电阻。立体接地网总接地电阻R=0.162≤ 0.5Ω 满足设计要求。
4.3变电站接地网实施方案选择
根据对宜昌110kV茶园变电站接地网接地电阻的理论分析与计算，确定了接地网改造方案的平面示意图。
平面示意图
接地网改造方案的主材料选型分析如下
4.3.1经济性比较
根据上述所列主材料，并考虑相关费率后，在变电站接地网改造中初期投入的主材料费用方案一是56396元；方案二是90350元；方案三是110350元，方案一是前期费用最低的。
4.3.2性能比较
变电站接地网材料要满足导电性能好、热稳定性能好、耐腐蚀能力强条件。
（a）导电性能：在200C时铜的电阻率是17.24×10-6（Ω·m），钢的电阻率是138.24×10-6（Ω·m）。假设以铜的导电率为基准值1，则镀锌钢的导电率仅为8.6%，镀铜钢的导电率超过20%，而镀铜钢绞线的导电率为30%。在雷电流等高频电流作用下，镀铜钢材质会产生集肤效应，导电性接近于纯铜。另外在通过雷电流或故障电流时，铜导体的阻抗远小于镀锌钢接地体，因此由阻抗导致的地电位升高而产生的侧击概率会大大减少。
（b）热稳定性能：铜的熔点为10830C，短路
（c）时最高允许温度为4500C，而钢的熔点为15100C，短路时最高允许温度为4000C。从热稳定性能上看，截面相同时，铜材较好。
（d）耐腐蚀能力：土壤电阻率在50-300·m时镀锌扁钢年腐蚀率为0.065mm/a，而铜年腐蚀率大约为0.02mm/a。镀锌扁钢存在点腐蚀情况，使用镀锌扁钢的接地系统使用年限是10-15年，而使用镀铜扁钢的接地系统使用年限是30年。
5.结论
综上所述，变电站接地网主材采用镀锌扁钢和传统电焊方式初期投资最低，但在后期的维护中10年左右要投入资金开挖检查改造，在改造时常在变电站不停电的情况下进行，需生产运行、施工及设计单位多方协同，消耗了大量的人力、物力。变电站接地网主材采用铜导体和热熔熔接技术，其性能最优越，使用寿命最长且在寿命期内基本免维护效果最好，但初期投资最高。而变电站接地网主材采用镀铜钢导体和热熔熔接技术，其效果接近使用铜材料且初期投资适中。从变电站接地网的使用效果及长远利益考虑，使用镀铜钢导体和热熔熔接技术性价比是最高的。
对宜昌110kV茶园变电站接地网进行立体接地网改造后，该站接地电阻值由改造前的0.512.降低为0.241.，运行1年后经实测接地电阻值为0.242，满足现行规程及电网要求。深井式离子极、镀铜钢及热熔焊接技术的应用，延长了该站接地网的使用寿命，且能保证在接地网寿命期内基本免维护，此项技术值得推广。
参考文献
[1]崔明德.溪洛渡和向家坝特高压直流输电换流站接地极型式的研究[J].电位技术，2007.05，31（10）：17-21.
[2]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007.
[3]解广润.电力系统接地技术[M].北京：水利水电出版社，1991.
[4]陈水明. 直线形直流接地极电流场分析[J].高电压技术，1994.09，20（3）：8-13
作者简介：
周志军，男，2003年9月参加工作，现供职于国网宜昌供电公司检修分公司。
【关键词】立体接地网 接地电阻 离子接地极
1引言
变电站接地系统在变电站中占有十分重要的位置，它是维护电力系统安全可靠运行、保护运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。调查表明，我国因接地网的接地电阻达不到要求，而造成高压窜入二次回路及操作系统，使保护失灵，短路电流时间持续较长，进一步将地网多处烧断，使整个变电站多处出现高电位差，造成许多主设备损坏的事故时有发生。近年来电网容量的快速增长，系统短路故障电流越来越大。为确保系统短路电流快速散失，保证人身及设备的安全运行，电力系统对降低变电站接地网的接地电阻值提出了更严格的要求。针对1996年投运的宜昌110kV茶园变电站接地网电阻值偏高、腐蚀严重等问题，2012年我们通过建立立体接地网对该站接地网进行了改造，显著降低了该站接地电阻值，增强了接地网耐腐蚀能力。
2立体接地网
2.1接地网接地电阻的要求
根据我国《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065-2011新规程要求，在有效接地系统和低电阻接地系统中，接地网的接地电阻宜符合R2000/IG。当不符合这各要求时可通过技术经济比较，适当增大接地电阻，但应符合R <0.5 。在符合本规程第4.3.3条规定时，接地网地电位升高可提高至5kV。随着电网容量的快速增长变电站的短路入地电流已达20 kA甚至更大，即使将R降到0.5 ，其地电位升也有10 kV。所以必须降低接地网的接地电阻才能满足容量日益增长的电网的发展。
2.2立体接地网的基本原理
由接地电阻值估算公式可知
ρ--接地电阻
S--接地网面积
接地电阻值大小与土壤电阻率成正比，而与水平接地网边缘闭合面积S的大小成反比。由于受变电站接地网外扩、地形等各方面原因的限制，接地网很难向水平方向扩张，于是我们把变电站接地网向纵深方向发展，增设深井式离子接地极。
在变电站接地网的改造中，我们重新建立符合现规程规定的水平接地网及垂直接地棒，然后在水平接地网基础上，把多根经过计算入地深度、位置和根数的垂直超深度离子接地极打人地下深处，并与水平接地网连接起来，在地下的深层，形成的半球散流接地网，使变电站的接地网呈立体型。这种立体接地网建立后将极大的降低了整个地网的接地电阻值。
2.3深井式离子接地系统
2.3.1离子接地系统的工作原理
电解离子接地系统由先进的合金化合物组成，电极外表是铜合金，以确保最高导电性能及较长使用寿命。导体内部填充材料含有特制的电离子化合物，能充分吸收空气中的水分。通过潮解作用，将活性电离子有效释放到土壤中，与土壤及空气中的水分作用，更加促进导体外部缓释降阻，且保持阻值长期稳定。利用胶质化合物的导电性能，使整个系统能够长期处于离子交换的状态中，同时它还具有防腐及离子自动补充功能，因此有效寿命周期30年以上。
2.3.2离子接地系统的组成
离子接地系统为成套设备，包括主要三个部件：离子接地棒、配套的降阻剂和观测井（如图）。
（a）离子接地棒应用内径不小于20mm和壁厚不小于8mm的铜管制成。垂直长度不小于10米，在管壁上通过热熔焊接永久连接不少于4米的铜电缆辫。管顶部有通风孔，用来吸收空气中的水分；管壁上有许多的导液孔，将电解液释放到周围的土壤中。
（b）深井离子接地极外部填充的降阻剂能有效降低接地电阻，并提供良好的永久导电性能，并不影响土壤、不溶解和不污染地下水，且无须维护。
（c）观测井保护离子棒，并能让空气中的水分进入离子棒内，使里面的电解质溶解并渗透到土壤中。并能方便的打开观测离子棒内的具体情况，也可用来补充电解质。
3.热熔焊接
近年来变电站接地装置事故统计表明，接地装置腐蚀是事故的主要原因之一。通过对使用传统电焊接地网的调查，发现即使对接地网的焊接部位进行了防腐处理，多年后接地网腐蚀严重的地方仍出现在焊接部位。可见处理好接地网金属导体的连接问题，可以极大的提高接地网的耐腐蚀能力。接地网金属导体间的热熔焊接连接法有着广泛的连接方式，而且耐腐蚀性好、接触电阻低、过载能力以及热稳定性高，已逐步得到推广应用。
3.1热熔焊接工作原理
焊粉在引火粉的催化作用下发生化学反应，产生500～3500℃之间（焊接不同的金属和其体尺寸需要控制不同的温度和反应时间）的高温铜熔液，隔离垫片使焊粉能够充分反应。铜熔液会沿注人孔快速地流入熔接腔中，完成焊接。热熔焊接制作的接头为分子结合。
3.2热熔焊接接头的特性
（a）接点外形美观一致，连接点为分子结合，没有接触面和机械压力，因此不会松弛和腐蚀。
（b）具有较大的散热面积，通电流能力、熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，。
（c）热熔焊接法可完成各种金属导体间不同方式、不同材质、不同形状的连接。
（d）熔接速度快，耐腐蚀性好、接触电阻低、过载能力以及热稳定性高。
4.变电站接地网改造举例
宜昌110kV茶园变电站于1996年投入运行，接地网采用40*4的热镀锌扁钢，埋设深度为0.8m，垂直接地极采用L50mm×50mm×5mm 的热镀锌角钢。变电站面积为69.1m×67.6m，土壤电阻率为153.1Ω·m。针对该站接地网电阻值偏高、腐蚀严重等问题，2012年我们通过建立立体接地网对该站接地网进行了改造。 4.1接地网接地电阻简化计算
接地网面积S为4671.16m2，水平接地网所埋深度h=0.8m，宽度b=0.04m，土壤电阻率ρ=153.1Ω·m，接地体总长度L=500m，等效半径d=b/2=0.02m； B=1/（1+4.6×h/√s）=0.948。内插法计算：r=（0.22-0.007×a/b）×ρ/√s×（1+B）+ρ/2πL×（lnS/9hd-5B）=0.425Ω
4.2深井离子接地极接地网
考虑到离子棒对站内地网的改善作用，在变电站内布置离子接地极后，原有地网的接地电阻将有所降低。R1 =kR地网（其中k---离子接地极改善系数=0.85）；R1=0.361Ω
单组接地深井电阻计算公式：
（其中K为深井中离子接地极降阻系数，为0.85；D为垂直直径 ；L为垂直接地极长度）ρ=153.1Ω.m L=10m D=60mm；R单垂≈0.98Ω
多根垂直接地深井之间会存在相互屏蔽，相互之间的距离越近，并联系数越大。多根垂直接地极计算公式： R= （其中μ为并联系数.取1.2；n为垂直接地极根数.，这里为4）。多根垂直接地极接地电阻R2 =0.294Ω。整个联合地网并网的总接地电阻值R=1/（1/R1 +1/R2），其中R1为原接地网电阻；R2为深井接地法的接地电阻。立体接地网总接地电阻R=0.162≤ 0.5Ω 满足设计要求。
4.3变电站接地网实施方案选择
根据对宜昌110kV茶园变电站接地网接地电阻的理论分析与计算，确定了接地网改造方案的平面示意图。
平面示意图
接地网改造方案的主材料选型分析如下
4.3.1经济性比较
根据上述所列主材料，并考虑相关费率后，在变电站接地网改造中初期投入的主材料费用方案一是56396元；方案二是90350元；方案三是110350元，方案一是前期费用最低的。
4.3.2性能比较
变电站接地网材料要满足导电性能好、热稳定性能好、耐腐蚀能力强条件。
（a）导电性能：在200C时铜的电阻率是17.24×10-6（Ω·m），钢的电阻率是138.24×10-6（Ω·m）。假设以铜的导电率为基准值1，则镀锌钢的导电率仅为8.6%，镀铜钢的导电率超过20%，而镀铜钢绞线的导电率为30%。在雷电流等高频电流作用下，镀铜钢材质会产生集肤效应，导电性接近于纯铜。另外在通过雷电流或故障电流时，铜导体的阻抗远小于镀锌钢接地体，因此由阻抗导致的地电位升高而产生的侧击概率会大大减少。
（b）热稳定性能：铜的熔点为10830C，短路
（c）时最高允许温度为4500C，而钢的熔点为15100C，短路时最高允许温度为4000C。从热稳定性能上看，截面相同时，铜材较好。
（d）耐腐蚀能力：土壤电阻率在50-300·m时镀锌扁钢年腐蚀率为0.065mm/a，而铜年腐蚀率大约为0.02mm/a。镀锌扁钢存在点腐蚀情况，使用镀锌扁钢的接地系统使用年限是10-15年，而使用镀铜扁钢的接地系统使用年限是30年。
5.结论
综上所述，变电站接地网主材采用镀锌扁钢和传统电焊方式初期投资最低，但在后期的维护中10年左右要投入资金开挖检查改造，在改造时常在变电站不停电的情况下进行，需生产运行、施工及设计单位多方协同，消耗了大量的人力、物力。变电站接地网主材采用铜导体和热熔熔接技术，其性能最优越，使用寿命最长且在寿命期内基本免维护效果最好，但初期投资最高。而变电站接地网主材采用镀铜钢导体和热熔熔接技术，其效果接近使用铜材料且初期投资适中。从变电站接地网的使用效果及长远利益考虑，使用镀铜钢导体和热熔熔接技术性价比是最高的。
对宜昌110kV茶园变电站接地网进行立体接地网改造后，该站接地电阻值由改造前的0.512.降低为0.241.，运行1年后经实测接地电阻值为0.242，满足现行规程及电网要求。深井式离子极、镀铜钢及热熔焊接技术的应用，延长了该站接地网的使用寿命，且能保证在接地网寿命期内基本免维护，此项技术值得推广。
参考文献
[1]崔明德.溪洛渡和向家坝特高压直流输电换流站接地极型式的研究[J].电位技术，2007.05，31（10）：17-21.
[2]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007.
[3]解广润.电力系统接地技术[M].北京：水利水电出版社，1991.
[4]陈水明. 直线形直流接地极电流场分析[J].高电压技术，1994.09，20（3）：8-13
作者简介：
周志军，男，2003年9月参加工作，现供职于国网宜昌供电公司检修分公司。