110kV變電站接地網(wǎng)降阻方案分析

引言

變電站接地網(wǎng)工程是重要的電氣安全技術(shù)工作之一,合理設(shè)置接地網(wǎng)是保證變電站電氣設(shè)備正常運(yùn)行及運(yùn)行維護(hù)人員人身安全的重要條件。鑒于建設(shè)用地有限,一些變電站只能選擇建設(shè)在土壤電阻率偏高的山區(qū),這些地方存在可利用接地網(wǎng)面積小、地質(zhì)條件差、外引接地條件不理想等情況,導(dǎo)致接地網(wǎng)接地電阻偏高而不能滿足變電站安全運(yùn)行要求。因此,在工程建設(shè)中應(yīng)合理設(shè)計(jì)接地網(wǎng)方案,采取有效的降阻措施。

本文中某110kV變電站地處山區(qū),場(chǎng)地地質(zhì)條件不良、高土壤電阻率的土壤使得接地網(wǎng)出現(xiàn)了接地電阻偏高的情況,現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出幾種降阻方案進(jìn)行分析探討。

1變電站基本情況

1.1場(chǎng)地概況

某110kV變電站站址位于山區(qū),建設(shè)場(chǎng)地為丘陵山坡溝谷地貌,場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)化花崗巖分布廣泛、厚度大,場(chǎng)地西北側(cè)為小山坡,其自然坡度在20o~30o,坡高17~20m,坡體植被茂密,坡頂部分已修建為高速公路的臨時(shí)堆石場(chǎng)和堆沙場(chǎng)(目前廢棄),目前山坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。擬建場(chǎng)地地下水主要為素填土層中的上層滯水和花崗巖及其風(fēng)化層中少量風(fēng)化裂隙、孔隙潛水,勘察期間測(cè)得的場(chǎng)地地下穩(wěn)定水位埋深21.3~25.4m。地質(zhì)資料顯示,場(chǎng)地內(nèi)多區(qū)域存在塊石、花崗巖,采用溫納四極法實(shí)測(cè)的場(chǎng)地土壤電阻率值如表1所示。

由表1計(jì)算可得,場(chǎng)地土壤電阻率算術(shù)平均值p=674.5Q·m,考慮季節(jié)因素系數(shù)取業(yè)=1.5,則綜合土壤電阻率p≈1011.8Q·m>500Q·m,可知該變電站場(chǎng)地屬于高土壤電阻率地區(qū)。

1.2接地網(wǎng)允許值

計(jì)算資料:變電站110kV母線單相短路電流Ig1=10.97kA,接地故障短路電流持續(xù)時(shí)間1e1=0.6s:10kV母線兩相異地短路電流Ig2=13.6kA,接地故障短路的持續(xù)時(shí)間1e2=2s:最大入地故障不對(duì)稱電流IG=2.407kA。

初步設(shè)計(jì)時(shí),變電站主地網(wǎng)采用水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng),長(zhǎng)91m,寬63m,接地網(wǎng)面積s=91×63=5733m2,水平接地體采用熱鍍鋅扁鋼,交叉點(diǎn)焊接熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極,內(nèi)部做成5m×5m的網(wǎng)格,埋深h=0.8m。通過(guò)熱穩(wěn)定校驗(yàn)確定水平接地體選用60mm×8mm的熱鍍鋅扁鋼,垂直接地極選用長(zhǎng)2.5m的DN50熱鍍鋅鋼管可滿足要求。

主接地網(wǎng)接地電阻計(jì)算如下:

式中:p為土壤電阻率:s為接地網(wǎng)面積。

經(jīng)計(jì)算,主接地網(wǎng)接地電阻為6.68Q。

為保證變電站安全運(yùn)行,對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng),接地網(wǎng)接地電阻應(yīng)符合《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50065一2011)中關(guān)于R≤2000/IG的規(guī)定,同時(shí)對(duì)接地網(wǎng)的跨步電壓、接觸電壓進(jìn)行控制。

接地電阻允許值計(jì)算如下:

R≤2000/IG=2000÷2407≈0.83Q

式中:IG為最大入地故障不對(duì)稱電流,取2407A。

接觸電壓允許值計(jì)算如下:

式中:p+為表層土壤電阻率,取1011.8Q·V:1為接地故障短路電流持續(xù)時(shí)間,取0.6m。

跨步電壓允許值計(jì)算如下:

經(jīng)計(jì)算,接地網(wǎng)目標(biāo)要求接地電阻允許值R≤0.83Q,接觸電壓允許值UT≤447+,跨步電壓允許值Us≤113s+。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析,變電站主接地網(wǎng)接地電阻R=6.68Q≥0.83Q,超過(guò)目標(biāo)允許值,不滿足變電站安全運(yùn)行的要求,所以需要采取措施以降低接地電阻,即設(shè)計(jì)合理的接地網(wǎng)降阻方案。

2接地網(wǎng)降阻方案選擇2.l常用降阻措施

2.1.1敷設(shè)引外接地網(wǎng)

根據(jù)簡(jiǎn)易計(jì)算公式R=0.5p/Vs,接地電阻值與接地網(wǎng)面積成反比關(guān)系,在變電站2000V范圍內(nèi)有較低土壤電阻率的土壤時(shí),采用引外接地網(wǎng)增加接地網(wǎng)面積可以直接有效地降低接地電阻值[3]。在采用引外接地網(wǎng)時(shí),應(yīng)充分考慮站址周邊場(chǎng)地情況,一般可采用放射形或網(wǎng)格形的引外接地網(wǎng)。

2.1.2置換土(或降阻劑)

進(jìn)行場(chǎng)地回填時(shí),采用低電阻率的土壤(比如p≤100Q·V的黏土)更換原有的高電阻率土壤,或在接地體周?chē)尤胧雏}、木炭、電石渣、降阻劑等材料[2],都可以提高導(dǎo)電能力以降低土壤電阻率,從而達(dá)到降低接地網(wǎng)接地電阻的效果。

2.1.3深井(深埋式)接地極

在地下深處存在土壤電阻率較低的土壤或地下水較為豐富、地下水位較高的地方[2],可以采用深井(深埋式)接地極[4],接地材料一般選用熱鍍鋅鋼管,將長(zhǎng)垂直接地極深埋至下層土壤中,并在接地極周?chē)靥畹碗娮杪什牧?比如p≤100Q·V的黏土)。

2.1.4利用自然接地體

將變電站人工接地網(wǎng)與自然接地體連接也可以降低接地電阻值,可以利用配電裝置樓鋼筋混凝土基礎(chǔ)中的鋼筋、深埋地下的水井管、非可燃液體或非爆炸氣體的金屬管道等部位進(jìn)行連接[1],需要確保連接可靠。2.2初步考慮降阻方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果,變電站西北側(cè)有一坡度較緩的小山坡,坡高17920V,坡體植被茂密,坡頂部分已修建為高速公路的臨時(shí)堆石場(chǎng)和堆沙場(chǎng)(目前廢棄),其土壤電阻率按200Q·V計(jì)算,低于變電站內(nèi)高土壤電阻率的土壤,因此可以考慮利用山坡設(shè)置引外接地網(wǎng)。變電站南側(cè)及東側(cè)山坡高差大于20V,坡度較陡且塊石較多,不適合設(shè)置引外接地網(wǎng)。

由于變電站站址內(nèi)存在許多厚度大的塊石,若采用置換土(或降阻劑)的方案需要爆破塊石,這會(huì)耗費(fèi)比較多的人力和時(shí)間,同時(shí)爆破施工也存在安全隱患,所以置換土(或降阻劑)的方法不合適。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,地下水位的深度在21.3~25.4V,結(jié)合勘測(cè)點(diǎn)地下水位的位置,可考慮在變電站北側(cè)設(shè)置深井接地極。

通過(guò)對(duì)變電站站址及周邊建筑物進(jìn)行查看,由于場(chǎng)地塊石較多,如利用配電裝置樓基礎(chǔ)鋼筋連接主地網(wǎng),其降阻效果不佳,所以并不適合采用連接自然接地體的方法。

2.3提出并分析降阻方案

結(jié)合某110k+變電站的站址實(shí)際情況,現(xiàn)提出以下3種降阻方案。

2.3.1方案1:采用引外接地網(wǎng)

變電站西北側(cè)有一坡度較緩的山坡,坡高17~20V,利用山坡設(shè)置引外接地網(wǎng),接地材料選用60VV×8VV熱鍍鋅扁鋼,內(nèi)部做成5V×5V的網(wǎng)格,埋深1.2V,并與站內(nèi)主地網(wǎng)連接,山坡土壤電阻率按200Q·V計(jì)算。

引外接地網(wǎng)面積計(jì)算如下:原有接地網(wǎng)接地電阻R1=6.68Q,設(shè)引外接地網(wǎng)接地電阻為R2:若要接地電阻降低至0.83Q,由接地電阻R=R1//R2=6.68//R2=0.83Q,反推引外接地網(wǎng)接地電阻R2=0.s478Q:再根據(jù)簡(jiǎn)易公

式R=0.5p/Vs,反推引外接地網(wǎng)面積s=(0.5p/R)2=(0.5x200/0.s478)2=11132V2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,需要增加引外接地網(wǎng)面積11132V2。由于西北側(cè)山坡利用面積有限,無(wú)法滿足增加這么大面積接地網(wǎng)的要求,所以單獨(dú)采用引外接地網(wǎng)的降阻方案并不適合。

2.3.2方案2:采用深井接地極

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)勘察情況,在變電站圍墻外北側(cè)設(shè)置深井接地極,材料選用25m長(zhǎng)DN100熱鍍鋅鋼管,接地極間距約50m,埋深1m,并與站內(nèi)主地網(wǎng)連接。

單根深井接地極接地電阻R3計(jì)算如下:

式中:p1為接地極上層土壤電阻率,取1011.82·m:p2為受地下水浸漬的土壤或巖石層的電阻率,取1002·m:

H為上層土壤的厚度,取5m:l為垂直接地極長(zhǎng)度,取25m。

式中:d為垂直接地極的等效直徑,取0.1m。

接地網(wǎng)設(shè)置不同數(shù)量的深井接地極,其降阻效果對(duì)比如表2所示。

由表2可知,該變電站接地網(wǎng)工程設(shè)置深井接地極能使接地電阻值降低超過(guò)50%,可以有效降低接地電阻,且隨著深井接地極數(shù)量的增加,整體降阻效果越發(fā)明顯。通過(guò)與允許值比較,該變電站需設(shè)置至少6根25m的深井接地極與主地網(wǎng)連接,才能使合并后接地網(wǎng)的接地電阻值小于0.832。由于垂直接地極之間存在屏蔽效應(yīng),一般要求垂直接地極間距大于接地極長(zhǎng)度的2倍,對(duì)于本接地網(wǎng)來(lái)說(shuō),垂直接地極間距大于50m比較合適。但是該變電站圍墻北側(cè)場(chǎng)地的利用面積有限,無(wú)法滿足同時(shí)設(shè)置6根垂直接地極的要求,所以單獨(dú)采用深井接地極的降阻方案并不適合。

2.3.3方案3:結(jié)合引外接地網(wǎng)和深井接地極

由于變電站圍墻西北側(cè)山坡面積有限,要求盡可能大地利用有效面積,根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,在山坡上布置引外接地網(wǎng),長(zhǎng)50m,寬40m,接地網(wǎng)面積s=50×40=2000m2,水平接地體選用60mm×8mm熱鍍鋅扁鋼,內(nèi)部做成5m×5m的網(wǎng)格,交叉點(diǎn)焊接2.5m長(zhǎng)DN50熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極,埋深1.2m。在變電站圍墻外北側(cè)布置4根25m深井接地極,材質(zhì)選用DN100熱鍍鋅鋼管,接地極間距約50m,埋深1m:引外接地網(wǎng)和深井接地極皆與主地網(wǎng)連接。

引外接地網(wǎng)接地電阻計(jì)算如下:

式中:p為引外接地區(qū)域土壤電阻率,取2002·m:s為引外接地網(wǎng)面積,取2000m2。

深井接地極與引外接地網(wǎng)合并連接到站內(nèi)主地網(wǎng),此時(shí)深井接地極數(shù)量與降阻效果關(guān)系如表3所示。

由表3可知,該變電站接地網(wǎng)工程采用結(jié)合引外接地網(wǎng)和深井接地極的方式,能使接地電阻值降低超過(guò)80%,其降阻效果比單獨(dú)設(shè)置深井接地極來(lái)得好。從表中數(shù)據(jù)分析,采用結(jié)合2000m2引外接地網(wǎng)和4根深井接地極的方案就可以降低接地電阻至允許值,且變電站北側(cè)有足夠空間布置4根深井接地極,這種降阻方案比較合理,但還需要對(duì)接觸電壓、跨步電壓、避雷器動(dòng)作電壓等方面進(jìn)一步進(jìn)行校驗(yàn)。

降阻方案3的設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

2.4跨步電壓及接觸電壓校驗(yàn)

在接地網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中,將最大跨步電位差和最大接觸電位差與允許值進(jìn)行比較,要求小于允許值。在不滿足要求時(shí),應(yīng)采取有效的降低措施或提高允許值的措施?，F(xiàn)針對(duì)方案3中接地網(wǎng)的跨步電壓和接觸電壓進(jìn)行校驗(yàn)分析。

(1)最大跨步電壓計(jì)算如下:

式中:Usmax為最大跨步電位差:Ksmax為最大跨步電位系數(shù):Ug為接地網(wǎng)接地電位:n為均壓帶根數(shù):L為水平接地極總長(zhǎng)度,取9l×l4+63×l9=247lm:10為接地網(wǎng)外邊緣總長(zhǎng)度,取(9l+63)×2=308m:s為接地網(wǎng)面積,取5733m2:h為水平接地體埋深,取0.8m:d為水平接地體等效直徑,取0.03m。

代入上述公式求得n=l7根,α2=0.4445,8=0.4l23,Ksmax=0.0655,Ug=l733V,Usmax=ll3V。

從計(jì)算結(jié)果可知,Usmax=ll3V≤ll39V,滿足跨步電壓的要求。

(2)最大接觸電壓計(jì)算如下:

式中:Utmax為最大接觸電位差:Ktmax為最大接觸電位系數(shù):Ug為接地網(wǎng)接地電位:n為均壓帶根數(shù):s為接地網(wǎng)面積,取5733m2:d為水平接地體等效直徑,取0.03m。

代入上述公式求得n=l7根,Ktmax=0.l457,Ug=l733V,Utmax=252V。

從以上計(jì)算結(jié)果可知,Utmax=252V≤447V,滿足接觸電壓的要求。

2.5避雷器動(dòng)作電壓校驗(yàn)

在短路電流入地時(shí),接地網(wǎng)的電位將會(huì)升高,可能使變電站內(nèi)10kV閥型避雷器動(dòng)作甚至發(fā)生爆炸。為了避免這種情況的發(fā)生,保證10kV閥型避雷器不動(dòng)作,要求避雷器的工頻放電電壓下限值應(yīng)小于避雷器的起始動(dòng)作電壓[2]?，F(xiàn)對(duì)避雷器的工頻放電電壓進(jìn)行校驗(yàn),計(jì)算如下:

式中:Ugf為10kV避雷器工頻放電電壓下限值:I為最大入地短路電流,取2.047kA:R為接地網(wǎng)接地電阻,取0.72Q:Ue為平均電壓,取10.5V。

由于變電站常規(guī)用10kV閥型避雷器的起始動(dòng)作電壓值為24V,計(jì)算值Ugf=8.7V≤24V,可知10kV閥型避雷器在發(fā)生短路電流入地時(shí)不動(dòng)作,滿足運(yùn)行要求。

2.6降阻方案最終選擇

根據(jù)以上分析可知:方案l為降低接地電阻至允許值,變電站需單獨(dú)設(shè)置10532m2引外接地網(wǎng),引外接地網(wǎng)面積過(guò)大,該方案不采用。方案2中變電站北側(cè)空間不足以設(shè)置6根以上的深井接地極,該方案不采用。方案3結(jié)合2000m2引外接地網(wǎng)和4根25m深井接地極,能有效將接地電阻值降低至允許值,該方案合理利用站外場(chǎng)地且接觸電壓、跨步電壓、避雷器動(dòng)作電壓校驗(yàn)等方面滿足要求,故采用方案3。

3結(jié)語(yǔ)

建設(shè)在高土壤電阻率山區(qū)的變電站,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接地網(wǎng)接地電阻偏高的問(wèn)題。在進(jìn)行降阻方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)統(tǒng)籌考慮山區(qū)附近的地質(zhì)條件,建議利用周邊低電阻率的土壤設(shè)置引外接地網(wǎng)擴(kuò)大整體接地網(wǎng)面積:同時(shí)在地下水豐富的區(qū)域,采用深井接地極也能有效降低接地電阻。在場(chǎng)地條件受限時(shí),建議靈活采用結(jié)合引外接地網(wǎng)和深井接地極的降阻方案,其降阻效果更為顯著。