农网10kV配电台区接地改造措施探讨

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  【摘要】10kV配电台区变压器和附属配电设备以及台支架接地的可靠性,对设备的安全运行至关重要,若接地电阻过大,可能会导致线路防雷效果差,容易发生设备烧毁、中性点电压偏移和人员触电伤亡事故等问题。本文通过对10kV配电台区接地措施的探讨,结合佛山高明供电局辖区内荷城、杨和、明城及更合四个供电所部分台区接地改造案例分析,提出农网10kV配电台区防雷接地改造的多种改进措施。
  【关键词】农网 配电台区 接地措施
  引言
  农网10kV配电线路是提供市郊和广大农村电力供应的主要网络,其供电可靠性直接影响市郊和农村的电力供应质量,随着城乡经济的发展,其地位显得越来越重要。农村10kV配电网与城市10kV配电网相比,具有其自身的特点:①绝大多数为架空线路;②网络结构错综复杂;③所经过地区地形多样,四周比较空旷,较易遭受雷击。10kV配电变压器是10kV配电网络的核心部分,由于10kV配电线路杆塔一般不设独立的防雷接地系统,一旦线路遭受雷击,线路上的雷电流将直接侵袭配电变压器,因而极易造成配变的损坏,对于市郊和农村10kV配电线路上的配电变压器则更是容易如此。因此,对农村10kV配电台区的防雷接地保护措施研究具有极其重要的意义。
  一、配电台区接地电阻要求
  根据电力行业标准DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》和中国南方电网公司《10kV及以下业扩受电工程典型设计(试行)》规定,低压配电系统接地电阻应符合以下规范要求:
  二、佛山高明供电局辖区内部分地区土壤电阻率分析
  佛山市高明区地形复杂,土壤结构变化较大,平地土壤电阻率较低,山地地区植被层浅,土质松散,保水性差,土壤含沙率超过40%,部分台区下层地质为花岗岩或为鹅卵石,电阻率非常高,以下是我们在对高明局接地电阻值偏高台区现场实测土壤电阻率。
  1、荷城供电所部分台区土壤电阻率:
  荷城街道配变台区大部分位于路边、水田、鱼塘、工业区等,土壤电阻率较低,大部分小于200Ωom,但周围不是建筑物就是农田,土地十分珍贵,可用作接地施工的面积非常小。
  2、更合供电所部分台区土壤电阻率:
  更合镇的地理情况比较复杂,山区较多,土壤结构复杂,土壤电阻率各点之间差异较大。
  3、明城供电所部分台区土壤电阻率:
  明城镇既有较好的水田区域,也有较大的区域属于山地,土壤多为含有砂砾的土,土层薄,保水性差,土壤电阻率较高。
  4、杨和供电所部分台区土壤电阻率:
  杨和镇除小部分属于水田和由水田填土形成的工业区外,大部分属于属于山地,土壤为含有砂砾的土,土壤电阻率普遍较高。
  三、配电台区接地电阻阻值过大的危害
  夏季强雷雨天过后,部分台区配电变压器及智能漏电保器被击坏、损毁的事件多有发生。设备击毁和雷电流的强弱有直接关系,台区接地不好也起着推波助澜的作用。根据多年的运行经验可知,配电变压器台区接地电阻阻值的大小、好坏会影响供电质量和泄流电流。如果接地电阻阻值过大,将会由于供电异常造成设备烧毁,甚至会对人身安全造成危险。
  1、变压器接地电阻阻值过大,如同时伴有低压相线绝缘损坏而接地,这时变压器接地线中将有电流流过,相电压加在大地和接地电阻上,接地电阻阻值越大,接地电阻上的分压就越大。这时,如果有人误触变压器接地线或中性线以及变压器外壳,人体将和接电阻形成并联,那么加在人体上的电压就会导致人身触电;
  2、当变压器三相四线中的中性线接地电阻阻值过大或中性线断线时,此时由于三相负载的不平衡,变压器中性点将发生偏移,接地点电位不为零,使得有的相电压升高而烧毁用电设备;
  3、当接地电阻阻值过大,同时变压器接地电阻阻值也过大,发生雷击过电压时避雷器不能正常对地放电,致使避雷器或变压器烧毁。接地是避雷技术最重要的环节,不管是直击雷、感应雷或其它形式的过电压,都将通过接地装置导入大地。
  因此,合理而良好的接地装置对10kV台区设备运行、防雷和人身安全非常重要。
  四、高明10kV农网配电台区的接地改造措施
  在10kV农网配电台区周围,由于受地质、地势等条件的限制,台区接地装置的工频接地电阻往往达不到要求,而台区接地电阻对设备的运行和人身安全又十分重要,需要把接地电阻降下来,这时要根据每个台区的实际情况,认真分析地质、地势,测试台区周围各个不同深度的土壤电阻率,然后根据每个台区实际情况经技术经济比较之后,采取有效的降阻措施。具体需要做好以下两步工作:
  一是做好地质、地势调查,了解台区工频接地电阻超标的原因,看台区所处的位置处在什么样的地质、地形,实地勘测土层的情况和土质情况。
  二是测试台区周围的土壤电阻率,看四周是否有土壤电阻率低的地方可以利用,再测试不同深度的土壤电阻率,看地下有无可以利用的低电阻率的地层依据高明局农网10kV台区现场勘查情况,针对不同地形和土壤电阻率,提出10kV配电变压器接地降阻措施如下:
  1、对于荷城街道等土壤电阻率小于200Ωom,地处路边、田地、鱼塘和工业区等台区,采用微创接地棒方式接地降阻荷城供电所和杨和供电所部分台区设在路边、田地、鱼塘和工业区,台区四周是建筑物或田地,不能大面积开挖,可供接地网用开挖面积有限,采用微创接地方法,将水平地网变成立体地网,即将接地网等效于一个半球接地体,如下图所示:
  这样能够有效减少水平地网散流面积,节约土地和人工,又能达到改善地网的接地电阻。相对于传统金属材料有如下特点:
  具体施工方式:
  A、沿台区周围开挖水平地网,深0.8米,宽0.4米,开挖前应先确认下方是否有电缆或金属管道通过,附近是否有光缆、煤气管道,防止在施工的过程中对地下通讯线路的破坏;   B、在水平地沟内每隔5米垂直打入一组微创接地棒,每组接地棒采用连轴套铜管将微创接地棒一根接一根连接起来,连轴套铜管连接两根接地棒时,应分别将接地棒旋入连接器且相接触,从而使大锤打击时,接地棒受力均匀不易歪斜,电气连接更紧密。
  C.每组接地棒之间采用镀锌圆钢作水平接地体焊接连接,敷设深度为80cm,为达到更好的长效防腐降阻效果,在水平接地体周围敷设膨润土防腐降阻剂。
  2、对于土壤电阻率200Ωom≤ρ≤800Ωom,地处丘陵地区台区,采用微创接地棒加膨润土降阻剂方式接地,对降低台区的接地电阻效果明显
  在接地极周围敷设加水搅拌均匀膨润土降阻防腐剂,改良接地体周围土壤导电性,提高接地体周围土壤含水率,降低接地体与周围大地介质之间的接触电阻,其降阻机理是膨润土降阻防腐剂是由几种物质配置而成的物理降阻剂,具有导电性能良好的强电解质和水分。这种强电解质和水分被网状胶体所包围,网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充,使它不至于随地下水和雨水而流失,因而能长期保持良好的导电作用,又能防止金属接地体的腐蚀。明城、杨和及更合部分台区土壤为沙卵石,土壤间隙大,土壤保水性差,可以采用在水平地网金属体周围包裹一层降阻剂,降阻剂向四周土壤渗透,形成树根状,改良金属接地体周围土壤的导电性,减低接触电阻,效果非常明显。
  3、对于明城、更合部分土壤电阻率800Ωom≤ρ≤2000Ωom,地处沙地高土壤电阻率台区,采用环形地网方式接地根据接地电阻计算公式:R﹦0.5ρ/ ,式中ρ表示土壤电阻率,S为地网面积,R为目标电阻值,得在土壤电阻率ρ为1500Ωom时,达到目标电阻4Ω要求,需地网面积为35156平方,等效长度为750米。
  传统台区地网建设方法是以变压器为中心,利用热镀锌钢材接地体混合组成地网,向四周放射性延伸,当土壤电阻率为1500Ωom时,接地线有效长度小于2 ,即为77米,当超过最大引接长度77米后,由于接地引线自身的电阻产生压降,会使所接的末端接地体的利用程度大大降低,影响接地的效果,在工频情况下,由于分布在接地体上的电位比较均匀,接地体都起着散流的作用,接地体得到了充分的利用,但在雷电流(相当于高频电流)作用下,除接地引线的电阻和电导外,还有电感和电容对冲击电流发生作用,使冲击电阻增大,接地引线愈长,雷电流波头时间愈短,则冲击电阻增大得愈多,并且由于接地引线的电感作用,阻碍了雷电流引外接地体后半部分的泄放,相当于增加了接地电阻。
  另外,一个接地地网的面积不论有多大,在工频时,是可以把接地体的表面近似地看成等位面,故接地网全部面积都能得到利用。但是,许多根接地体在地中构成的网状接地体,在冲击电流的作用下,当土壤电阻率和介电系数一定时,接地网的冲击等效半径就是一个常数,而冲击等效半径要比接地网面积的等值半径小得多,即在冲击电流的情况下,仅仅利用接地网很小的一块面积,在工频时,接地电阻之所以和接地网面积的平方根成反比,是因为接地网上的电位比较均匀,全部接地体都起着散流作用,接地体得到充分利用的缘故。但在雷电流作用下,情况就不同了,由于接地体的电感作用,接地网的电位呈现不均匀性,离开雷电流引入点愈远的地方,接地体上的电位就愈低。甚至电位为零,其变化规律按指数曲线衰减,只有雷电流引入点附近一块接地网才起着散流作用,无论地网有多大,对应冲击电流其有效面积却是一定的,有效面积之外的导体并不能起到泄放雷电流的作用。
  综上所述,对于高土壤电阻率台区,变压器的地网应采用经济性好的环型接地网的方式,最大程度的导引雷击产生的电流,使雷电流通过接地母线由接地极引入地下时,不会因接地母线局部损坏而断流。另外环形地网内的接触电压比较低,而沿环形接地体走路的行人,其跨步电压也较小,城区的配电变压器大多安装在路边,因常有人走动,为行人安全着想,必须敷设为环形。
  环形的大小,一般以5m为直径,这是因为要发挥水平接地极和垂直接地极的散流效果,减少相互屏蔽,降低接地电阻而必需的。但有些安装地点过于狭窄时,则可为椭圆形,短轴距不得低于3m,两个垂直接地极宜打在短轴两端点附近,高压避雷器及外壳接地和中性点的接地分别引至垂直接地极附近,以利于散流。如土壤电阻率较高,做一个环后,测试接地电阻不合要求,则应在环外再做一个大环,两环相距4~5m,埋深比第一环深,至少两处相连接,直至满足要求为止。具体做法是根据台区所处的具体地理环境,
  环型接地网围绕台区一圈,并分别与原来的线性地网多点相连,用微创接地棒作垂直接地体,水平接地体周围采用降阻剂处理。具体做法如右图:
  在特殊情况下,水平接地体采用双回路以增大金属接地体与大地接触面积,如右图所示:
  4、对于极少部分土壤电阻率ρ≥2000Ωom,地处岩石高土壤电阻率台区,参照行业对接地电阻要求,目标工频接地电阻值可以适度放宽
  1)输电线路杆塔接地电阻要求:
  如果土壤电阻率超过2000Ω.m,接地电阻很难降低到30欧姆时,可采用6-8根总长不超500米的放射接地。布置射线的方式不对接地电阻要求。
  1)依据通信标准YD 5098-2005《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》6.2.7移动通信基站所在地区土壤电阻率低于700(Ω.m)时,基站地网的工频接地电阻宜控制在10Ω以内,当基站地土壤电阻率大于700Ω.m时,可不对基站工频接地电阻予以限制,此时地网的等效面积≥20m,并在地网四周敷设20~30m的辐射水平接地体。
  2)对于接地电阻取不同的数值,变压器高压侧最高承受的电压如下表所示:
  10kV配电变压器绕组的绝缘水平,在雷电截波冲击下,耐受电压峰值为85kV,因而,工频电阻值不超过12Ω,台区变压器是安全的。
  综上所述,对于土壤电阻率特别高台区,参照同行或相近行业的标准,台区变压器目标工频电阻值在保证人身设备安全的前提下,应遵循"经济适用,安全合理"的原则,目标工频接地电阻值可以放宽。
  结论
  10kV农网配电台区的地质地形复杂多样,城郊土质较好的台区周围不是农田就是建筑物,场地狭小,有的甚至没有地方建接地网;土壤电阻率高的山区植被层浅,土质松散,保水性差,土层薄,接地体埋深不够,这就是造成台区接地电阻偏高的主要原因,因而进行台区地网设计时要对现场地形、地势及土壤电阻率等现场条件进行综合分析,对接地网进行差异化设计。另外,地网施工环节也十分重要,接地工程属于隐蔽工程,在工程完工后又不便检查,所以对台区接地工程的施工,除了要按设计图纸施工外,还要制定便于操作的施工方案,由工程技术人员和工程质量监督人员对每道施工工序进行全过程的监督,认真把好质量关,才能达到设计要求和目的。
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