变电站三维立体接地网技术的应用分析

xiaonaijia

唐宏德 潘东华
摘要：通过阐述三维立体接地网的基本原理。结合上海地区220kV变电站接地网的优化设计的实例。分析了三维立体接地网降低接地电阻的效果。

近年来上海电网容量急剧扩大，系统短路故障电流越来越大，为确保系统短路快速散失，保证人身安全和电气设备的安全远行，生产运行等部门对降低变电站接地网的接地电阻值提出了更高、更严格的要求。随着变电站进入市区和住宅小区，大量GIS设备的应用，使得变电站的布置紧凑、 占地面积更小。过去变电站的接地网的设计一般以水平接地网为主。由接地电阻值估算公式：（附1）可知其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的大小成反比，也就是说当土壤电阻率为一定值时，降低接地电阻值需将接地网的面积做得很大。如今越来越多的变电站建于高楼林立，寸土寸金，地域较狭窄的市区，若仍按以往水平接地网为主思路的来设计接地网，则变电站接地网的接地电阻值往往达不到要求。由于受变电站征地、地形等各方面原因的限制，接地网向水千方向扩张的可能性很小，人们将注意的焦点集中到向纵深方向发展，为此三维立体接地网技术应运而生。
三维立体接地网基本原理
在水平接地网基础上把多根经过计算人地深度、位置和根数的垂直超深度钢镀铜接地棒打入地下深处，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称为三维立体接地网。其主要特点是通过垂直超深度钢镀铜接地棒来降低整个地网的接地电阻值。原理分析如下：
在均匀土壤中，单组BS-F型强防腐蚀垂直超深度钢镀铜接地棒的接地电阻值为：
（附2）
式中ρ—土壤电阻率，Ω·m；
L—钢镀铜接地棒长度，m；
d—钢镀铜接地棒直径，m。
由上式可见接地电阻值随垂直超深度钢镀铜接地棒长度的增加和土壤电阻率的减小而减小。在实际三维立体接地网中，垂直超深度钢镀铜接地棒较长，它能穿透到地中深层，受地中
矿物质、地下水等因素影响，有些地方还会出现低土壤电阻率，使接地电阻大大降低。我们曾在惠南变电站三维立体接地网施工现场收集了3组25·m的垂直超深度钢镀铜接地棒(共有24组)实测的工频接地电阻值分别为0．36Ω，0．29Ω，0．30Ω，可喜的是实测值远远低于计算值1．63Ω，就充分说明了这点。
当单根垂直超深度钢镀铜接地棒的接地电阻不能满足要求时，可以通过垂直超深度钢镀铜接地棒并联，组成三维立体接地网。因此其等值接地电阻值也将随BS-F型垂直超深度钢镀铜接地棒的接地电阻的降低而降低。
上海地区220kV变电站三维立体接地网应用实例
以往上海地区变电站的接地网是以水平接地网为主的，上海地区的土壤电阻率较低，一般取30～50Ωm，若以接地电阻估算公式：（附1）来判别上海地区变电站接地网的接地电阻值，基本上能100％地满足旧标准R≤0．5Ω的要求。1998年1月1日起实施的DL／T621—1997《交流电气装置的接地》新规程要求接地装置的接地电阻值应符合R≤2000／IΩ，重申了故
障时接地网的电位升高不超过2000V的规定。按上海电网若干技术原则规定220kV短路电流取50kA，110kV短路电流取25kA，土壤电阻率取30Ω·m时，则220kV变电站接地网的接地电阻标准值应为R≤2000／I=2000／50 x103=0．04Ω，110kV变电站接地网的接地电阻标准值应为R≤2000／I=2000／25×103=0．08Ω，由此可见新标准对不同电压等级的变电站地网的接地电阻值的要求远比旧标准中R≤0．5Ω的笼统提法要严谨。
为使上海变电站接地网的接地电阻值满足观行标准R≤2000／IΩ的要求。在总结多年设计经验的基础上，2002年我们对上海地区的220kV惠南、漕二、花木一、浦建4个变电站的接地系统应用三维立体接地网技术进行优化设计。我们在传统的水平接地网基础上，采用垂直超深度钢镀铜接地棒，应用它超深降阻的原理，将其作为水平接地网的垂直接地极，并与传统设计中的水平接地网相连组成一个三维立体接地网来达到降低整个变电站接地装置的接地电阻值。通过计算垂直超深度钢镀铜接地棒的入地深度并运用合理的布点位置及根数，首次使这4个220kV变电站接地网的接地电阻计算值达到R≤0．04Ω，发生接地故障时，接地装置的标准电位为Ug=2000V，完全符合上海电网若干技术原则规定及电力行业标准(DL／T621—1997)《交流电气装置的接地》的要求。上述4个变电站的复合接地网中的垂直超深度钢镀铜接地棒的长度在25～30m，土壤电阻率为30Ω·m，按传统水平接地网设计和按三维立体接地网优化设计后的这4个站接地电阻值的计算数据如表1所示。
上述4个变电站的接地网的接地电阻值不论从计算结果还是从施工现场情况分析及对已完工的220kV惠南站接地网接地电阻值的实测为0．036Ω的结果来看，都达到了三维立体接地网设计的预期效果。采用垂直超深度钢镀铜接地棒传统的水平接地网相联组成的三维立体接地网，确实起到了降低接地网的接地电阻值并使其满足R≤2000／IΩ标准要求。解决了以往设计中变电站接地网接地电阻值受变电站占地面积大小制约的问题，同时又避免了若变电站接地网的接地电阻值不满足R≤2000／IΩ的标准要求时将会出现的一系列问题。
垂直超深钢镀铜接地棒
垂直超深钢镀铜接地棒的优劣
垂直超深钢镀铜接地棒是三维立体接地网降阻和快速向大地深处泄流的关键，其产品的优劣直接影响到变电站接地网的质量。上海地区变电站三维立体接地网采用的均为上海邦盛防电避雷技术有限公司从欧洲地区引进的BS—F型垂直超深钢镀铜接地棒，是由纯度为99．9％的电解铜分子覆盖到低碳钢芯上制成的，钢镀层厚度为0．250mm以上，具有很强的耐腐蚀性，将其弯曲180°后不会出现裂缝和剥落。棒芯是用特制的硬质钢材料，具有高达600N／mm2抗拉强度，所以借助特殊冲击钻能将接地棒垂直联接打入地下35m处，在地下使用寿命可达30年以上，可与变电站设计的使用寿命相同步。
垂直超深钢镀铜接地棒装设位置、根数与深度的选择
在水平接地网基础上把多根垂直超深度钢镀铜接地棒打入地下并与水平接地网连接起来就形成三维立体接地网。三维立体接地网能将入地电流迅速引入土壤深层流散，因而能有效地降低接地网的电阻。其降阻的作用绝不能单纯看作是多根垂直超深度钢镀铜接地棒接地电阻的简单并联，它与垂直超深度钢镀铜接地棒接地的深度及布点的位置和根数有着密切联系，若设计不当，其降阻的效果并不明显，这是由于增设的垂直超深度钢镀铜接地棒的降阻的作用被水平接地网和垂直超深度钢镀铜接地棒相互屏蔽抵消的缘故。
在水平接地网的边角和外围的地方装设垂直超深度钢镀铜接地棒可最大限度降低接地电阻，而且装设的垂直超深度钢镀铜接地棒在水平接地网外围上应尽可能均匀分布以拉开距离，使垂直超深度钢镀铜接地棒间互相屏蔽的作用尽可能减少。
装设的垂直超深度钢镀铜接地棒的根数越多，其利用率就会下降；装设的根数太少，又达不到降阻要求。同时还要根据具体情况考虑其深度问题。只有适当地选取装设垂直超深度钢镀铜接地棒的根数和深度才能使其经济合理。均匀土壤中的三维立体接地网应尽量采取根数少长度增加的垂直超深度钢镀铜接地棒的敷设方式，这样降低接地电阻的效果最好。垂直超深度钢镀铜接地棒费用的经济性
从220kV惠南、漕二、花木一、浦建变电站的三维立体接地网来看用于单纯钢镀铜接地棒材料的费用分别约为11～15万元。我们认为：(1)费用对变电站地初期投资有所增加，但增加幅度不大。(2)优化后的复合三维立体接地网无需维护使用寿命长，因此全寿命投资实际上要比传统的水平接地网低，具有较强的经济性。(3)建立一个合格的、满足观行标准DL／T621—1997《交流电气装置的接地》R≤2000／IΩ要求的接地网，对保证变电站的安全运行，乃至对整个电网来说产生地作用是不可估量的。
三维立体接地网的优点
(1)能大幅度将接地电阻减少，泄能力增强，且不受接地网面积的限制；
(2)接地电阻值稳定，由于采用了垂直超深度钢镀铜接地棒后不会因季节变化、水分蒸发、土壤干燥、冰冻而影响接地电阻的变化；
(3)安全可靠，能有效地改善地表电位分布，降低接触和跨步电压，满足人体安全的要求；
(4)BS-F型垂直超深度钢镀铜接地棒具有很强的耐腐蚀性，在地下使用寿命可达30年以上。
结 论
变电站进入市区和住宅小区，大量GIS设备的应用，使得变电站的占地面积越来越小，征地的困难且其费用又很高。针对实际中的具体问题，上海地区变电站接地系统的设计思路若还停留在传统的水平接地网的方法，要获得一个满足DL／T621—1997《交流电气装置的接地》规程要求的接地电阻值已很困难。将接地系统向大地纵深方向发展是设计的必然。上海地区土壤结构较均匀且土壤电阻率低，采用施工简便的BS-F型垂直超深钢镀铜接地棒与传统的水平接地网合成建立一个三维立体接地网来降低接地电阻值完善上海地区接地系统不失为是一个好方法。我国其它地区的变电站接地系统类似状况也很多，本文提出这些实例仅供参考。


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本文摘自2004.7《电能效益》

呆鸟

呵呵，不就是垂直接地极吗！

michael

低電阻接地裝置的出現，解決了好多接地問題。。