110kV变电站接地网降阻方案分析

引言

变电站接地网工程是重要的电气安全技术工作之一,合理设置接地网是保证变电站电气设备正常运行及运行维护人员人身安全的重要条件。鉴于建设用地有限,一些变电站只能选择建设在土壤电阻率偏高的山区,这些地方存在可利用接地网面积小、地质条件差、外引接地条件不理想等情况,导致接地网接地电阻偏高而不能满足变电站安全运行要求。因此,在工程建设中应合理设计接地网方案,采取有效的降阻措施。

本文中某110kV变电站地处山区,场地地质条件不良、高土壤电阻率的土壤使得接地网出现了接地电阻偏高的情况,现结合现场实际情况提出几种降阻方案进行分析探讨。

1变电站基本情况

1.1场地概况

某110kV变电站站址位于山区,建设场地为丘陵山坡沟谷地貌,场地内风化花岗岩分布广泛、厚度大,场地西北侧为小山坡,其自然坡度在20o~30o,坡高17~20m,坡体植被茂密,坡顶部分已修建为高速公路的临时堆石场和堆沙场(目前废弃),目前山坡体处于稳定状态。拟建场地地下水主要为素填土层中的上层滞水和花岗岩及其风化层中少量风化裂隙、孔隙潜水,勘察期间测得的场地地下稳定水位埋深21.3~25.4m。地质资料显示,场地内多区域存在块石、花岗岩,采用温纳四极法实测的场地土壤电阻率值如表1所示。

由表1计算可得,场地土壤电阻率算术平均值p=674.5Q·m,考虑季节因素系数取业=1.5,则综合土壤电阻率p≈1011.8Q·m>500Q·m,可知该变电站场地属于高土壤电阻率地区。

1.2接地网允许值

计算资料:变电站110kV母线单相短路电流Ig1=10.97kA,接地故障短路电流持续时间1e1=0.6s:10kV母线两相异地短路电流Ig2=13.6kA,接地故障短路的持续时间1e2=2s:最大入地故障不对称电流IG=2.407kA。

初步设计时,变电站主地网采用水平接地极为主边缘闭合的复合接地网,长91m,宽63m,接地网面积s=91×63=5733m2,水平接地体采用热镀锌扁钢,交叉点焊接热镀锌钢管作为垂直接地极,内部做成5m×5m的网格,埋深h=0.8m。通过热稳定校验确定水平接地体选用60mm×8mm的热镀锌扁钢,垂直接地极选用长2.5m的DN50热镀锌钢管可满足要求。

主接地网接地电阻计算如下:

式中:p为土壤电阻率:s为接地网面积。

经计算,主接地网接地电阻为6.68Q。

为保证变电站安全运行,对于中性点直接接地系统,接地网接地电阻应符合《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065一2011)中关于R≤2000/IG的规定,同时对接地网的跨步电压、接触电压进行控制。

接地电阻允许值计算如下:

R≤2000/IG=2000÷2407≈0.83Q

式中:IG为最大入地故障不对称电流,取2407A。

接触电压允许值计算如下:

式中:p+为表层土壤电阻率,取1011.8Q·V:1为接地故障短路电流持续时间,取0.6m。

跨步电压允许值计算如下:

经计算,接地网目标要求接地电阻允许值R≤0.83Q,接触电压允许值UT≤447+,跨步电压允许值Us≤113s+。

根据以上计算结果分析,变电站主接地网接地电阻R=6.68Q≥0.83Q,超过目标允许值,不满足变电站安全运行的要求,所以需要采取措施以降低接地电阻,即设计合理的接地网降阻方案。

2接地网降阻方案选择2.l常用降阻措施

2.1.1敷设引外接地网

根据简易计算公式R=0.5p/Vs,接地电阻值与接地网面积成反比关系,在变电站2000V范围内有较低土壤电阻率的土壤时,采用引外接地网增加接地网面积可以直接有效地降低接地电阻值[3]。在采用引外接地网时,应充分考虑站址周边场地情况,一般可采用放射形或网格形的引外接地网。

2.1.2置换土(或降阻剂)

进行场地回填时,采用低电阻率的土壤(比如p≤100Q·V的黏土)更换原有的高电阻率土壤,或在接地体周围加入食盐、木炭、电石渣、降阻剂等材料[2],都可以提高导电能力以降低土壤电阻率,从而达到降低接地网接地电阻的效果。

2.1.3深井(深埋式)接地极

在地下深处存在土壤电阻率较低的土壤或地下水较为丰富、地下水位较高的地方[2],可以采用深井(深埋式)接地极[4],接地材料一般选用热镀锌钢管,将长垂直接地极深埋至下层土壤中,并在接地极周围回填低电阻率材料(比如p≤100Q·V的黏土)。

2.1.4利用自然接地体

将变电站人工接地网与自然接地体连接也可以降低接地电阻值,可以利用配电装置楼钢筋混凝土基础中的钢筋、深埋地下的水井管、非可燃液体或非爆炸气体的金属管道等部位进行连接[1],需要确保连接可靠。2.2初步考虑降阻方法

根据现场勘察结果,变电站西北侧有一坡度较缓的小山坡,坡高17920V,坡体植被茂密,坡顶部分已修建为高速公路的临时堆石场和堆沙场(目前废弃),其土壤电阻率按200Q·V计算,低于变电站内高土壤电阻率的土壤,因此可以考虑利用山坡设置引外接地网。变电站南侧及东侧山坡高差大于20V,坡度较陡且块石较多,不适合设置引外接地网。

由于变电站站址内存在许多厚度大的块石,若采用置换土(或降阻剂)的方案需要爆破块石,这会耗费比较多的人力和时间,同时爆破施工也存在安全隐患,所以置换土(或降阻剂)的方法不合适。

根据地质勘察报告,地下水位的深度在21.3~25.4V,结合勘测点地下水位的位置,可考虑在变电站北侧设置深井接地极。

通过对变电站站址及周边建筑物进行查看,由于场地块石较多,如利用配电装置楼基础钢筋连接主地网,其降阻效果不佳,所以并不适合采用连接自然接地体的方法。

2.3提出并分析降阻方案

结合某110k+变电站的站址实际情况,现提出以下3种降阻方案。

2.3.1方案1:采用引外接地网

变电站西北侧有一坡度较缓的山坡,坡高17~20V,利用山坡设置引外接地网,接地材料选用60VV×8VV热镀锌扁钢,内部做成5V×5V的网格,埋深1.2V,并与站内主地网连接,山坡土壤电阻率按200Q·V计算。

引外接地网面积计算如下:原有接地网接地电阻R1=6.68Q,设引外接地网接地电阻为R2:若要接地电阻降低至0.83Q,由接地电阻R=R1//R2=6.68//R2=0.83Q,反推引外接地网接地电阻R2=0.s478Q:再根据简易公

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

根据计算结果,需要增加引外接地网面积11132V2。由于西北侧山坡利用面积有限,无法满足增加这么大面积接地网的要求,所以单独采用引外接地网的降阻方案并不适合。

2.3.2方案2:采用深井接地极

根据地质勘察报告及现场勘察情况,在变电站围墙外北侧设置深井接地极,材料选用25m长DN100热镀锌钢管,接地极间距约50m,埋深1m,并与站内主地网连接。

单根深井接地极接地电阻R3计算如下:

式中:p1为接地极上层土壤电阻率,取1011.82·m:p2为受地下水浸渍的土壤或岩石层的电阻率,取1002·m:

H为上层土壤的厚度,取5m:l为垂直接地极长度,取25m。

式中:d为垂直接地极的等效直径,取0.1m。

接地网设置不同数量的深井接地极,其降阻效果对比如表2所示。

由表2可知,该变电站接地网工程设置深井接地极能使接地电阻值降低超过50%,可以有效降低接地电阻,且随着深井接地极数量的增加,整体降阻效果越发明显。通过与允许值比较,该变电站需设置至少6根25m的深井接地极与主地网连接,才能使合并后接地网的接地电阻值小于0.832。由于垂直接地极之间存在屏蔽效应,一般要求垂直接地极间距大于接地极长度的2倍,对于本接地网来说,垂直接地极间距大于50m比较合适。但是该变电站围墙北侧场地的利用面积有限,无法满足同时设置6根垂直接地极的要求,所以单独采用深井接地极的降阻方案并不适合。

2.3.3方案3:结合引外接地网和深井接地极

由于变电站围墙西北侧山坡面积有限,要求尽可能大地利用有效面积,根据地质勘察报告,在山坡上布置引外接地网,长50m,宽40m,接地网面积s=50×40=2000m2,水平接地体选用60mm×8mm热镀锌扁钢,内部做成5m×5m的网格,交叉点焊接2.5m长DN50热镀锌钢管作为垂直接地极,埋深1.2m。在变电站围墙外北侧布置4根25m深井接地极,材质选用DN100热镀锌钢管,接地极间距约50m,埋深1m:引外接地网和深井接地极皆与主地网连接。

引外接地网接地电阻计算如下:

式中:p为引外接地区域土壤电阻率,取2002·m:s为引外接地网面积,取2000m2。

深井接地极与引外接地网合并连接到站内主地网,此时深井接地极数量与降阻效果关系如表3所示。

由表3可知,该变电站接地网工程采用结合引外接地网和深井接地极的方式,能使接地电阻值降低超过80%,其降阻效果比单独设置深井接地极来得好。从表中数据分析,采用结合2000m2引外接地网和4根深井接地极的方案就可以降低接地电阻至允许值,且变电站北侧有足够空间布置4根深井接地极,这种降阻方案比较合理,但还需要对接触电压、跨步电压、避雷器动作电压等方面进一步进行校验。

降阻方案3的设计示意图如图1所示。

2.4跨步电压及接触电压校验

在接地网工程设计中,将最大跨步电位差和最大接触电位差与允许值进行比较,要求小于允许值。在不满足要求时,应采取有效的降低措施或提高允许值的措施。现针对方案3中接地网的跨步电压和接触电压进行校验分析。

(1)最大跨步电压计算如下:

式中:Usmax为最大跨步电位差:Ksmax为最大跨步电位系数:Ug为接地网接地电位:n为均压带根数:L为水平接地极总长度,取9l×l4+63×l9=247lm:10为接地网外边缘总长度,取(9l+63)×2=308m:s为接地网面积,取5733m2:h为水平接地体埋深,取0.8m:d为水平接地体等效直径,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。

从计算结果可知,Usmax=ll3V≤ll39V,满足跨步电压的要求。

(2)最大接触电压计算如下:

式中:Utmax为最大接触电位差:Ktmax为最大接触电位系数:Ug为接地网接地电位:n为均压带根数:s为接地网面积,取5733m2:d为水平接地体等效直径,取0.03m。

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

从以上计算结果可知,Utmax=252V≤447V,满足接触电压的要求。

2.5避雷器动作电压校验

在短路电流入地时,接地网的电位将会升高,可能使变电站内10kV阀型避雷器动作甚至发生爆炸。为了避免这种情况的发生,保证10kV阀型避雷器不动作,要求避雷器的工频放电电压下限值应小于避雷器的起始动作电压[2]。现对避雷器的工频放电电压进行校验,计算如下:

式中:Ugf为10kV避雷器工频放电电压下限值:I为最大入地短路电流,取2.047kA:R为接地网接地电阻,取0.72Q:Ue为平均电压,取10.5V。

由于变电站常规用10kV阀型避雷器的起始动作电压值为24V,计算值Ugf=8.7V≤24V,可知10kV阀型避雷器在发生短路电流入地时不动作,满足运行要求。

2.6降阻方案最终选择

根据以上分析可知:方案l为降低接地电阻至允许值,变电站需单独设置10532m2引外接地网,引外接地网面积过大,该方案不采用。方案2中变电站北侧空间不足以设置6根以上的深井接地极,该方案不采用。方案3结合2000m2引外接地网和4根25m深井接地极,能有效将接地电阻值降低至允许值,该方案合理利用站外场地且接触电压、跨步电压、避雷器动作电压校验等方面满足要求,故采用方案3。

3结语

建设在高土壤电阻率山区的变电站,经常会出现接地网接地电阻偏高的问题。在进行降阻方案设计时,应统筹考虑山区附近的地质条件,建议利用周边低电阻率的土壤设置引外接地网扩大整体接地网面积:同时在地下水丰富的区域,采用深井接地极也能有效降低接地电阻。在场地条件受限时,建议灵活采用结合引外接地网和深井接地极的降阻方案,其降阻效果更为显著。