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[考试辅导] MPA论文之多岩石地区变电站接地降阻措施分析

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发表于 2012-7-21 09:21:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
  变电站的接地系统是电力生产设施的重要组成部分之一,是涉及人身和设备运行安全必不可少的安全技术装置。近年来,随着电力工业的飞速发展,使系统容量迅速扩大、入地短路电流大幅升高,站区占用面积却越来越小。而且为了少占或不占用农田,变电站大多位于地理环境恶劣、土壤电阻率高的区域。这些因素使得变电站的接地电阻很难满足规程要求,同时也使变电站的接地设计及施工越来越困难。因此,为了保证电力系统安全可靠运行,电力运行和设计部门更加注重接地技术。接地技术的发展有三个趋势:一是从过去的只注重接地电阻,转向更重视与人身安全相关的接触电压和跨步电压;二是接地系统的设计从过去的基于均匀土壤模型和经验公式的简单设计,转向基于分层土壤模型的数值化设计;三是接地系统的降阻从过去的采用扩大接地网面积,转向采用基于了解土壤分层结构的、有的放矢的深垂直接地极[1]。如何有效的降低处于多岩石高土壤电阻率地区变电站接地网的接地电阻则是本文重点要探讨的问题。 0 d8 s6 C- D. U  b3 g% H$ C( l. I
  1变电站接地网的设计原则 $ f6 J) V* j0 z$ N4 R. `$ m4 ]
  电力行业标准[2]中第5.1.1条规定发变电站的接地电阻应满足R≤2000/IΩ,式中I为经接地网向地中流散的入地故障电流。由于变电站各级电压母线接地故障电流越来越大,使得在接地设计中要满足R≤2000/IΩ非常困难。因此现行标准规定:对于高土壤电阻率地区的接地网,在接地电阻难以满足要求时,允许放宽到R≤5Ω。但接地电阻值的放宽是有附加条件的,即必须要满足接地标准的相关规定,要将转移电位、接触电压和跨步电压限制在安全范围内。
2 J# S' Q/ ]0 z/ E: J" z! i0 q* h1 W  也就是说,在现行标准中根据工程的具体条件,接地电阻值在不超过5Ω的某一个范围内都是合格的。这就为我们接地设计和施工增加了灵活性,不必在变电站接地工程中花巨额投资,来追求R≤2000/IΩ的接地电阻值;或者说,接地网合格的判据不只是看接地电阻值,在接地电阻不满足R≤2000/IΩ时,还应按附加条件校验。现行标准虽然放宽了对接地电阻的规定,但并没有降低对接地网整体性的要求,而是对接地网的安全性要求更高更全面了,这就是接地设计必须遵循的原则和运行对接地网的考核要求。
  V% ?0 h& r4 z1 H7 Q7 z# K6 i  2常用降阻措施
! x! G# V  T( [& ^; k0 z- p   一般情况下,变电站的接地网是由水平接地体和垂直接地极组合而成。其中水平接地体通常采用热镀锌圆钢或扁钢,布置成平均间距为5~15m的长形或方形网格,网格尺寸由变电站的面积确定,埋深0.6~0.8m;垂直接地极通常采用热镀锌角钢、钢管或槽钢,其长度和数量根据具体工程计算确定。水平接地体与垂直接地极之间的采用双面焊接,搭接处的长度不小于扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。对于土壤电阻率较低地区,上述方法一般可以使变电站接地电阻达到规程要求,但对于土壤电阻率较高地区,则不能满足要求,因此需要采取措施来降低接地电阻。常用的降阻方法有以下几种。
" G* A" M# m8 _  2.1扩大变电站接地网面积 9 F1 y# H& b, u- P/ P2 n4 e
  由于变电站接地网的接地电阻与接地网面积的平方根成反比,无疑增大接地网的面积是降低其接地电阻的一种行之有效的方法。因此,在接地网布置设计时,应充分利用变电站的全部可利用面积。但是扩大变电站接地网面积的方法只能因地制宜,采用这种方案损耗的钢材量很大,而且还受变电站所处位置的制约。比如有些老站附近已经建成了很多的建筑物,该方案实施会比较困难;一些建在山区的变电站可能受地形限制无法有效扩大其接地网面积;还有一些建在市区内的变电站也难以找到合适的地方来扩大接地网面积。   j  P+ }* g% {6 W! r
  2.2引外接地 ' C& B' S- v8 v" ]7 n( u
  引外接地是指将变电站主接地网与主接地网区域以外某一低土壤电阻率区域敷设的辅助接地网相连,以达到降阻的目的。根据以往工程经验,引外接地是比较有效的降阻方法,但此法适合于附近有水源、河流或较低土壤电阻率的地区,且辅助网与主网的距离不能太远,接地体要深埋,要作好安全保护措施,防止因跨步电位差引起触电事故的发生。该方法投资相对较高,日后存在辅助网及引至站内主网的金属连接体遭受破坏的可能性,所以应充分分析变电站周围和辅助网所在地方的日后发展情况后才确定是否采用。 ; f/ Q- C. ^8 [8 U
  2.3深井接地技术
( x# i. r" s1 h% q: J; q  深井接地技术是指利用水井积水的原理制作接地极。如果接地系统所处土壤存在下层低电阻率层,则可以采用深井接地技术;特别是在有地下含水层的地方,接地极可能深入穿透水层,这时降阻效果将更好[3]。而一般的地区往往都是深层土壤的土壤电阻率高于表层土壤,特别是深层为岩石的山区和丘陵地区,深层土壤电阻率都高于上层土壤的电阻率,这时不宜采用深井接地。深井接地的优点是可以克服场地狭小的缺点,也不受气候、季节等条件的影响。
+ @$ s3 N6 n5 W$ e. D5 o) w  2.4使用降阻剂
" _5 F2 S( P- p5 {  在高土壤电阻率地区的接地网施工中使用降阻剂,是发变电工程中常用的做法。以前使用较多的是膨润土和碳基类降阻剂,由于降阻剂对接地扁钢的腐蚀性,最近几年接地工程中使用降阻剂的减少了。降阻剂生产厂经过大浪淘沙,也减少了很多。目前,对降阻剂的使用持肯定还是否定的意见不一致,但比较一致的意见是降阻剂对大中型接地网的降阻效果很小。因此,建议大中型接地网不宜使用降阻剂作为主要降阻措施。 + J) B9 m9 K% d! S
  2.5深孔爆破接地技术 + q* Q0 K* ~" j1 S; `1 B
  爆破接地技术是近年来发展起来的一种新的接地施工技术,它能有效地降低高土壤电阻率地区接地系统的接地电阻。其基本方法是采用钻孔机在地中垂直钻一定直径、深度为10~100mm的孔;在孔中插入接地电极,然后沿孔的整个深度隔一定距离安放一定量的炸药来进行爆破,将岩石爆裂、爆松;接着用压力机将低电阻率材料压入深孔中及爆破制裂产生的缝隙中,从而达到较大幅度降低接地电阻的目的。爆破接地技术实际上是一种巧妙的大范围的土壤改良技术。目前爆破接地技术已经在我国30多项发变电站接地系统和输电线路接地工程中采用,取得了理想的效果,得到了国际、国内专家的认可[4,5]。 1 P+ V" V- T2 @7 r3 d
  深孔爆破接地适用于地层裂隙较多、土壤干燥地区或岩石地区,如固结坚硬的沉积岩、岩浆岩、变质岩地区,硬度稍差的各种砂岩、片岩地区,特别是在地下水奇缺、土壤电阻率极高的岩石地区深井爆破接地具有其它方法无法比拟的优点,但此方法不适用于土壤硬度小、松散的地区。
7 X' a4 a% S# k$ I% e8 J  2.6电解地极 . R5 g5 ^  ]1 M4 P- g
  电解地极是近几年从国外引进的一项新技术,它是接地极和降阻剂的组合体。每组电极由三节长1m,直径为63mm的铜管组成,铜管内填充无毒化合物晶体,铜管埋于地下,不会对环境造成任何污染。铜管内的晶体吸收土壤中的水分后就变成电解溶液,溶液在接地极周围的专用回填土的吸取作用下,均匀流入周围土壤中,在土壤中形成电导率较好的电解离子土壤;特别是在砂土、岩石地质结构的地下,电解溶液可向砂质粘土的纵深方向和岩石表面的四周渗透,使原来导电率极差的砂岩地质结构形成一个良好的导电通道,从而可以大范围的降低土壤电阻率。由于电解地极接地系统大多是向垂直方向伸展,因此可以满足地形严重局限类变电站的需要,但其弊端是成本太高,而且其使用寿命还未经实践验证。
7 m- m) d  I5 k) s- K  3工程应用举例
1 j/ k9 _1 c* m' k    工程实例一:某地新建一个220KV变电站,站址处于山坡向冲沟过渡的岩石地带,地面高程550~650m,地面高差较大,设计时按平均土壤电阻率为800Ω·m来考虑。采用以水平接地体为主,加垂直接地极的复合接地网,接地网材质选用镀锌扁钢,接地网面积为188.5×157.5=29688m2。接地网接地电阻为2.34Ω,最大接触电压为2259V,最大跨步电压为1075V。根据现场实际情况,我们用引外接地、深井接地及电解地极等三个方案作了充分的技术经济比较。
9 U7 D" S. \9 d, j4 F9 t  其中,引外接地方案:要使采用引外接地后整个地网的接地电阻降低到0.5Ω,经计算外引辅助接地网的面积不能小于3000m2,网格按15m×15m考虑,总费用约为12万元。
$ g. `' W' f# V  L: y2 ]  深井接地方案:要使接地电阻降到0.5Ω,经计算确定深井的深度为255m。根据本站的接地网形状,效果较好的方法是在变电站的四个边角处各打一个深井接地极。若再增加深井数量,因为屏蔽的原因,地网接地电阻的变化会很小。总费用约为42万元。 0 A! D' T' {9 q5 h) I6 x
  电解地极方案:按施工时钻孔不垂直向下打,而是倾斜向站外打,并在接地极每隔20~40m均匀布置若干套电解地极,这样不仅降低了土壤电阻率,而且也相当于扩大了变电站接地网的面积。要使电阻降到0.5Ω,经计算需要采用DK—AG电解地极25套,总费用约50万元。 ( ^# Z  B" `' M3 K- d9 Q; h" H" ^
  对上述三个方案的比较:引外接地方案虽然投资最少,但由于站址附近人口密度较大,施工时可能会受到当地居民的阻挠,而且存在将站内高电位外引的危险,会给以后的生产运行留下安全隐患。该深井接地方案在理论上是可以将接地电阻降低到0.5Ω,但在本站的地质情况下很难达到此目的。电解地极方案所需费用最高,但降阻效果最好,能达到设计目标电阻值,保证生产运行安全,我们认为增加这些投资是值得的。所以最后采用了25套电解地极来降低该220KV变电站的接地电阻。
& i! l9 H, w/ P4 M/ y/ {  工程实例二:广西500KV南郊变电站,原接地网于1998年竣工,土层地质结构较为复杂,占地面积47800m2。接地网以不等间距水平接地体为主,外圈网格交叉点辅以2.5m长的垂直接地极,外圈水平接地体包裹降阻剂。自?工以来多次测量接地网,接地电阻值均在0.4~0.8Ω之间,达不到设计值0.3Ω的要求,故2003年变电站2期扩建时对接地网进得了降阻改造。主要措施是采用深孔接地技术,在接地网内增加了12个深孔接地极(每个均50m深),并填充LRCP长效降阻剂。将平面接地网改造为立体接地网,改造方案的预期接地电阻是0.3Ω。但改造后的结果不设想完全不同,基本没有什么效果。 ! `* Q2 h$ M3 j) L3 n9 \- ^6 {, `
  实际情况表明,该站址处绝大部分地面下几米或十几米深处都是岩石,且石质坚实密致,电阻率很大;绝大部分深孔灌入和降阻剂量小于深孔的体积,其中灌入量最多的一个也只有深孔体积的1.2倍,故难以形成事先设想的立体接地网,而是形成了一块在平面上钉了12根“钉子”的大“钉板”,所以基本上起不到改变接地网电阻的作用。 - G! S, S% q5 b& `* F/ w6 [" o  L
  2006年又进得了第2次降阻改造,仍然采用深孔接地技术,不过形式相同但设计思路却完全不同。第2次改造是在低电阻率区域上打深孔,然后再与主接地网相连。由于第1次改造已经知道站内几十米的地质构造状况较差,故第2次改造工作放在站外进行。通过国内多位专家的参与,在一般勘测的基础上还进一步做了高密度电法断面测量土壤电阻率,勘测出在离站区约300m、深度约60m的地段存在电阻率小于50Ω·m的低电阻区域。在这个低电阻区域里打相应深度的孔就不会变成“钉子”,而是将低土壤电阻率的地层地域连通到接地网上,其降阻效果是不言而喻的。 - {: @# v8 x  i  t8 C+ e
  通过对同一变电站的相同方法的这两次降阻改造可以看出,形式上相同的降阻方法,由于设计思路和处理方法不同,其结果完全不同。该变电站降阻改造的经验表明,在接地工程中因地制宜的观点是至关重要的,凡事都要有针对性而不能盲从。 ' e2 Z8 W9 ^& P/ X
    4结论
2 V  R6 p' v6 O' q) M2 }    ⑴当前,变电站接地网的降阻方法很多,在实际工程中应根据变电站的规模和站址处的地质、地形、周围环境条件等情况综合考虑,选取效果好、经济合理且安全可靠的降阻措施。最好是因地制宜,采用综合治理来完成,而不宜去寻求一种对于任何接地网都适合的降阻方法或材料,因为没有针对性的理论和方法不会有好的降阻效果甚至会降阻失败。
7 @7 `; b$ q3 K2 {6 R8 Z  ⑵为了顺应接地技术的发展趋势,也为了更好的保障运行人员的人身安全与设备安全,应当更加重视降低地面电位梯度、接触电压和跨步电压,而不是一味的追求小接地电阻值,更没必要为了达到小接地电阻值而投入巨额资金,而是根据电网的入地故障电流确定能满足接地标准要求的合理的接地电阻值即可。
" B( z  w6 A3 p' w! M  ⑶变电站接地网的降阻方法也需要广大工程技术人员不断发现创新,开展接地工程的实验研究工作,在保证安全的前提下,探索经济合理的新方法,同时要进一步做好科研成果的应用与推广工作。 ' t, K; ^, v2 y+ k3 l
  [参考文献](References)
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  [5]曾嵘,何金良,张波,庄池杰.电力系统接地技术研究新进展[J].电力建设.2007,35(2):1~5
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