變電站地網(wǎng)工程設(shè)計方案

1、變電站地網(wǎng)工程設(shè)計方案 (2009-04-02 14:35:27)一、變電站接地概述接地網(wǎng)作為變電所交直流設(shè)備接地及防雷保護接地，對系統(tǒng)的安全運行起著重要的作用。 由于接地網(wǎng)作為隱性工程容易被人忽視， 往往只注意最后的接地電阻的測量結(jié)果。 隨著電力 系統(tǒng)電壓等級的升高及容量的增加， 接地不良引起的事故擴大問題屢有發(fā)生。因此， 接地問題越來越受到重視。 變電所地網(wǎng)因其在安全中的重要地位， 一次性建設(shè)、 維護困難等特點在 工程建設(shè)中受到重視。另外，在設(shè)計及施工時也不易控制，這也是工程建設(shè)中的難點之一。 因此， 為保證電力系統(tǒng)的安全運行， 降低接地工程造價， 應(yīng)采用最經(jīng)濟、合理的接地網(wǎng)設(shè)計 思路。二

2、、接地電阻降阻方法為了達到降低接地網(wǎng)接地電阻之目的， 首先需要從理論上研究降低接地電阻的方法。 由公式R=P £ /C可以看出，降低接地電阻有以下兩種途徑，一是增大接地體幾何尺寸，以增大接 地體的電容C；二是改善地質(zhì)電學性質(zhì)，減小地的電阻率p和介電系數(shù)£。接地網(wǎng)是在接地系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由接地環(huán)(網(wǎng))、接地極(體)和引下線組成，以往常有種誤 解，把接地環(huán)作為接地的主體， 很少使用接地體， 在接地要求不高或地質(zhì)條件相當優(yōu)越的情 況下， 接地環(huán)也能夠起到接地的作用，但是通常的情況下，這是不可行的，接地環(huán)可以起到輔助接地地作用， 主導作用是用接地體來完成的。 決定接地電阻大小的因素很多

3、， 下面先來 分析一下計算傳統(tǒng)地網(wǎng)接地電阻的公式(僅以接地環(huán)接地時)。式中：p ( Q .m) - 土壤電阻率；d(m) 鋼材等效直徑；S( m2) 地網(wǎng)面積；H(m) 埋設(shè)深度；L(m) 接地極長度 (m) ；形狀系數(shù)。式（ 1）表明，傳統(tǒng)的接地方式在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下，要想達到設(shè)計要求的電阻 必須有足夠的接地面積， 要降低接地電阻只有擴大接地面積， 每擴大 4 倍的接地面積， 接地 電阻會降低一倍。式（ 2）、（ 3）表明，在上述的接地網(wǎng)中，要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的 尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地電阻的一些常用的合理的方法。1、增大接地網(wǎng)面積由上

4、面接地電阻的物理概念，大地電阻率P和介電系數(shù)£不容易改變，而接地電阻R與接地網(wǎng)電容C成反比：從理論上分析，接地網(wǎng)電容C主要由它的面積尺寸決定，與面積成正比，所以接地網(wǎng)面積與接地電阻成反比。 減小接地網(wǎng)接地電阻， 增大接地網(wǎng)面積是可行途徑。 一 個有多根水平接地體組成的接地網(wǎng)可以近似地看成一塊孤立的平板，借用平板接地體接地電阻計算公式，當平板面積增大一倍時，接地電阻減小29.3%。2、增加垂直接地體依據(jù)電容概念， 增加垂直接地體可以增大接地網(wǎng)電容。 當增加的垂直接地體長度和接地網(wǎng)長、 寬尺寸可比擬時， 接地網(wǎng)由原來的近似于平板接地體趨近于一個半球接地體，電容會有較大增加，接地電阻會有較

5、大減小。由埋深為零半徑為的圓盤和半徑為的半球電容之比4£r/2 ns r可得，接地電阻將減小36%。但是對于大型接地網(wǎng)，其電容主要是由它的面 積尺寸決定，附加于接地網(wǎng)上有限長度（2-3m）的垂直接地體，不足以改變決定電容大 小的幾何尺寸， 因而電容增加不大， 亦接地電阻減小不多。 所以大型接地網(wǎng)不應(yīng)加以增加垂 直接地體作為減小接地電阻的主要方法，垂直接地體僅作為加強集中接地散泄雷電流之用。 唯一有效的途徑是采用深井接地。3、人工改善地電阻率在高電阻率地區(qū)采用人工改善地電阻率的方法， 對減小接地電阻具有一定效果。 例如， 對于 一個半徑為f的半圓球接地體而言，其接地電阻的50%集中在自

6、接地體表面至距球心 2r的半圓球內(nèi)，如果將f至 2f間的土壤電阻率降低，可使接地電阻大大減小。設(shè)原地電阻率為p 2,將f至2 f范圍內(nèi)的電阻率為 p 2的土壤用低電阻率的材料 p 1置換， 則半圓球接地體的接地電阻為：R X=（ p 1+ p 2）/4 ji r置換前的接地電阻 RX為：RX=p 2/2 n rR與 RX之比為：R/RX=（ p 1+ p 2）/2 p 2當 p 1<<p 2, 上式改寫為：R=RX/2= p 2/4 n r故接地電阻減小的百分數(shù)為5 0%另外由上式可以看出，用低電阻率的材料置換半球附近高電阻率的土壤，相當于將半球接地體的半徑由R增大到2R,由于接地

7、體幾何尺寸的增加，而使接地電阻減小。4、深埋接地體在地電阻率隨地層深度增加而減小較快的地方，可以采用深埋接地體的方法減小接地電阻。 地的電阻率隨深度而減小的規(guī)律， 往往在達到一定深度后， 地電阻率會突然減小很多。 因此 利用大地性質(zhì)， 深埋接地體后， 使接地體深入到地電阻率低的地層中， 通過小的地電阻率來 達到減小接地電阻的目的。對于地電阻率隨地層深度的增加而減小不大的地方，由于地電阻率變化不大， 增加接地網(wǎng)的埋深只是增大接地網(wǎng)的電容。 利用電容的概念， 電容具有儲藏電場能量的本領(lǐng)， 它所儲藏的 能量，不是儲藏在極板上， 而是儲藏在整個介電質(zhì)中， 即整個電廠中： 介電質(zhì)中的能量密度， 既與介電

8、系數(shù)有關(guān)， 又與電場的分布有關(guān)， 因此，比起接地網(wǎng)的幾何尺寸小得多的有限埋深， 所增加的儲藏能量的介質(zhì)空間極為有限； 在有限空間中的能量密度又小， 儲藏的總能量也就 增加不多， 即電容增加不大， 所以對減小接地電阻作用不大， 不宜采用深埋接地體的方法減 小接地電阻。 深埋接地體和敷設(shè)水下接地網(wǎng)可以大大降低直流電阻， 但對降低交流電阻作用 不大， 故國軍標不推薦使用該法。但結(jié)合基地航天測試實際情況，主要是低頻信號，此法簡單，效果明顯，可以使用。5、敷設(shè)水下接地網(wǎng)在有適宜水源的地方敷設(shè)水下接地網(wǎng)， 由于水的電阻率比地電阻率小的多， 可以取得比較明 顯的減小接地電阻的效果。 而且敷設(shè)水下接地網(wǎng)施工比

9、較簡便， 接地電阻比較穩(wěn)定， 運行可 靠，但應(yīng)注意水下接地網(wǎng)距接地對象的距離一般不大于1 0 0 0 m。6、利用自然接地體充分利用混凝土結(jié)構(gòu)物中的鋼筋骨架、 金屬結(jié)購物， 以及上下水金屬管道等自然接地體， 是 減小接地電阻的有效措施，而且還可以起引流、分流、均壓作用，并使專門敷設(shè)的接地帶的連接作用得到加強。三、接地網(wǎng)的設(shè)計與施工脫離了工程所在地的具接地工程本身的特點就決定了周圍環(huán)境對工程效果的決定性的影響， 體情況來設(shè)計接地工程是不可行的。 設(shè)計的優(yōu)劣取決于對當?shù)赝寥拉h(huán)境的諸多因數(shù)的綜合考慮。土壤電阻率、土層結(jié)構(gòu)、含水情況、季節(jié)因數(shù)、氣候以及可施工面積等等因數(shù)決定了接 地網(wǎng)形狀、大小、工藝材

10、料的選擇。1、接地材料的選擇現(xiàn)在廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料 （最常用的如扁鋼） 、接地體、 降阻劑和離子 接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼， 也常用銅材替代， 主要用于接地環(huán)的建設(shè)， 這是大多接地工 程都選用的；接地體有金屬接地體（角鋼、銅棒和銅板）這類接地體壽命較短，接地電阻上 升快，地網(wǎng)改造頻繁（有的地區(qū)每年都需要改造），維護費用比較高，但是從傳統(tǒng)金屬接地 極（體）中派生出類特殊結(jié)構(gòu)的接地體（帶電解質(zhì)材料），使用效果比較好，一般稱為離子 或中空）接地系統(tǒng)；另外就是非金屬接地體，使用比較方便，幾乎沒有壽命的約束，各方面 比較認可。 降阻劑分為化學將阻劑和物理降阻劑， 化學降阻劑自從發(fā)現(xiàn)有

11、污染水源事故和腐 蝕地網(wǎng)的缺陷以后基本上沒有使用了，現(xiàn)在廣泛接受的是物理降阻劑（也稱為長效型降阻 劑）。在以下的討論中以非金屬接地塊、 物理降阻劑和離子接地系統(tǒng)為代表進行探討。 下面 將設(shè)計中考慮的主要因素進行簡要的說明。物理降阻劑 （也稱為長效型降阻劑） 。物理降阻劑是接地工程廣泛接受的材料，屬于材料學 中的不定性復(fù)合材料， 可以根據(jù)使用環(huán)境形成不同形狀的包裹體， 所以使用范圍廣， 可以和 接地環(huán)或接地體同時運用，包裹在接地環(huán)和接地體周圍，達到降低接觸電阻的作用。并且， 降阻劑有可擴散成分， 可以改善周邊土壤的導電屬性。 現(xiàn)在的較先進降阻劑都有一定的防腐 能力，可以加長地網(wǎng)的使用壽命， 其防

12、腐原理一般來說有幾種： 犧牲陽極保護 （電化學防護） 致密覆蓋金屬隔絕空氣， 加入改善界面腐蝕電位的外加劑成分等方法。 物理降阻劑有超過二 十年的工程運用歷史， 經(jīng)過不斷的實踐和改進， 現(xiàn)在無論是性能還是使用施工工藝都已經(jīng)是 相當成熟的產(chǎn)品了。接地模塊是在通訊、 廣電等部門廣泛使用的工程材料。 基本成分是導電能力優(yōu)越的非金屬材 料復(fù)合加工成型的， 加工方法有澆注成型和機械壓模成型的， 一般來說澆注成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 松散、強度低、導電性能差，而且質(zhì)量不穩(wěn)定，一些小型廠家少量生產(chǎn)使用這樣的辦法；機 械壓模法， 是使用設(shè)備在幾到十幾噸的壓力下成型的，不僅尺寸精度較高、 外觀較好， 更重 要的是材料結(jié)構(gòu)

13、致密、電學性能好、 抗大電流沖擊能力強，質(zhì)量也相當穩(wěn)定，但是生產(chǎn)成本 較高， 批量生產(chǎn)多采用。 選型時，盡量采用后者， 特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的 要求（如電力工作地、防雷接地）時，不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體的 特點是穩(wěn)定性優(yōu)越， 其氣候、 季節(jié)、壽命都是現(xiàn)有接地材料中最好的， 是不受腐蝕的接地體， 所以， 不需要地網(wǎng)維護， 也不需要定期改造， 但是，非金屬接地體施工需要的地網(wǎng)面積比傳 統(tǒng)接地面積小很多， 但是在不同地質(zhì)條件下也需要的保證足夠接地面積才可以達到良好的效 果。離子接地體是傳統(tǒng)的金屬接地改進而來，從工作原理到材料選用都脫胎換骨的變化，形成各種形狀的結(jié)構(gòu)。

14、這些接地系統(tǒng)的共同點是結(jié)構(gòu)部分采用防腐性更好的金屬，內(nèi)填充電解物質(zhì)及其載體組分的內(nèi)填料， 外包裹導點性能良好的不定性導電復(fù)合材料，一般稱為外填料。 接地系統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)出現(xiàn)的有不銹鋼、銅包鋼和純銅材的。 不銹鋼的防腐較鋼材好， 但是在埋地環(huán)境中依然會多多少少的銹蝕，以不銹鋼為主體的接地系統(tǒng)不宜在腐蝕性嚴重的環(huán)境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料，銅包鋼是銅-鋼復(fù)合材料，鋼材表面覆蓋銅，可以節(jié)約大量的貴金屬一銅材。套管法或電鍍法生產(chǎn)，表面銅層的厚度從 0.01mm到0.50mm 厚度越厚防腐效果越好。 純銅材料防腐性能最好， 但是要耗用大量的貴金屬，在性能要求較高的工程中使用。由于接地系

15、統(tǒng)大多向垂直方向伸展，所以接地面積大多要求很小，可以滿足地形嚴重局限的工程需要。特別是，補償類型的接地系統(tǒng)有加長的設(shè)計，筆者曾使用過加長至24米的接地系統(tǒng)，輔以深井法施工，可以達到非常好的效果。介紹的接地材料各有優(yōu) 勢，但是都有自身的局限。我們提倡各取所長，選擇適當?shù)牟牧蠞M足不同的工程情況。降阻劑接地模塊離子接地體傳統(tǒng)接地類型地網(wǎng)與接地極接地極接地極地網(wǎng)與接地極新建地網(wǎng)施工簡單簡單較簡單簡單改造地網(wǎng)施工復(fù)雜簡單較簡單復(fù)雜適用環(huán)境普通地網(wǎng)通用惡劣地質(zhì)條件腐蝕 環(huán)境較咼要求地網(wǎng)地網(wǎng)面積小的城市 或復(fù)雜山巖環(huán)境通用價格比較低較高較高地好要求低便宜，地 壞要求高較貴或很貴抗腐蝕有防腐作用不被腐蝕較好抗

16、腐能力低氣候穩(wěn)定性普通優(yōu)異較好不好使用壽命較長最長長短，常需要改造2、地網(wǎng)形式地網(wǎng)的形狀直接影響接地達到的效果和達到設(shè)計要求所需要的地網(wǎng)站地積。首先應(yīng)建立接地環(huán)（或接地面），提倡使用水平接地極 （常用的是外部接地環(huán)） 和水平垂直接地體配合使用。 在很容易達到接地目的， 要求低的接地中可以選用平面的接地方法（接地環(huán)接地）；一般應(yīng)用接地體和接地環(huán)配合使用，形成三維的結(jié)構(gòu)。三維的接地有三種不同類型：等長接地、非等長接地和法拉第籠式接地。A、等長接地用相同的接地體， 這種方式接地體的埋設(shè)深度基本一致， 施工方便同時可以取得較好的效果。B、非等長接地是更科學的接地方式， 采用不同的接地體相互配合， 由于

17、接地體長度和埋設(shè)深度 不同， 大大的加大了等勢面積， 突破地網(wǎng)面積局限。 要求設(shè)計人員對多種接地工藝有一定認 識，本身施工并不困難， 使用得當可以完成相當難度的接地工程。 這種方法夜叫“半法拉第 籠”接地工藝。C、法拉第籠式接地是多層水平接地網(wǎng)，用垂直接地體相互連接形成籠式結(jié) 構(gòu)。由于施工量大，并不常用。在設(shè)計中還應(yīng)考慮地網(wǎng)集膚效應(yīng)、跨步電壓等因數(shù)。3、復(fù)雜巖土條件的設(shè)計施工A、巖土類型巖土直接關(guān)系接地的難度， 設(shè)計中最重要的參數(shù)之一就是的是巖土的土壤電阻率， 但僅僅考 慮土壤這個參數(shù)是不夠的，還要考慮開挖（鉆進）難度、破碎還是整體巖石、持水能力等因 數(shù)。有的巖土電阻率高， 但是在整體巖石之間

18、常有較好的土壤間隙層， 在這樣的環(huán)境中，避 開整體巖石，在間隙中開挖灌降阻劑效果很好。B地形制約 施工環(huán)境常常是受到各種情況的制約， 按照理想的模式考慮大面積的地網(wǎng)是不現(xiàn)實的。 有專 家認為，接地面積一定后，如果接地極長度不超過地網(wǎng) 1/20 ，要想突破局限是不可能的， 即使做成整塊銅板也沒有用的。 實踐中也應(yīng)證了這一理論。所以， 當?shù)匦尉窒迺r， 我們可以 考慮地網(wǎng)的縱深方向， 使用離子接地系統(tǒng)或深井施工工藝。 西昌某航天觀測站， 土壤電阻率 1100 Q .m,設(shè)備需要4Q信號-屏蔽獨立地，考慮季節(jié)因數(shù)，應(yīng)作到 2.75 Q，而可供施工的 面積只有8平方的狹長位置，采用加長（20m）離子接地

19、系統(tǒng)3套安裝后，達到2.5 Q的接 地電阻。C含水情況一般來說,濕潤的土壤導電性較好,但是,實際工程中我們發(fā)現(xiàn),當含水量超過飽以后,接 地效果反而不好。當?shù)氐紫掠谐睗?接地體深入到這一層時,降阻效果會好得多。例如,云 尾移動通訊站,土壤電阻率測量值 1200歐,使用接地塊 240塊,接地電阻達到 1 歐以下； 同樣的, 湖南柯壺口變電所也是 1200 歐的從土壤電阻率, 地表破碎沙石層, 但是開挖 150mm 發(fā)現(xiàn)潮濕土層,埋設(shè)接地塊 80 只,原預(yù)計達到 4歐的地網(wǎng),結(jié)果達到了 1.2 歐。D施工工藝看起來不重要的實施細節(jié)常常導致嚴重的錯誤不一定馬上可以檢測到,即使發(fā)現(xiàn)問準確的施工工藝才能達

20、到良好的設(shè)計的實施效果, 后果。 因為接地工程是隱蔽工程,當施工完成后, 題補救也是很麻煩的,尤其是防腐細節(jié)。使用接地模塊時，埋設(shè)應(yīng)盡量選擇適合的土層進行，預(yù)先開挖 80-100cm 的土坑（平埋）， 底部盡量平整， 使埋設(shè)的接地塊受力均勻。 接地塊水平設(shè)置， 用連接線使連接頭與接地網(wǎng)連 接，用螺栓連接后熱焊接或熱融接， 焊接完成以后應(yīng)去處焊渣等， 再用防腐瀝青或防銹漆進 行焊接表面的防銹處理，回填需要分層夯實，保證土壤的密實和接地塊與土壤的接觸緊密， 底部回填 40-50cm 后，應(yīng)適量加水，保證土壤的濕潤，令接地塊充分吸濕。使用降阻劑時，為了防腐，包裹厚度應(yīng)在 30mm以上。接地用的鋼材一

21、般有 50mm< 50mm< 4mm 或 50mnX 50mm< 5mm角鋼；40mm< 4mm或 40mm< 5mm的扁鋼；© 50mm、h>3mm的鋼管。角鋼 對角線長的約為 70mm短的約為56.6mm。若包裹厚度為30mm地網(wǎng)開挖直徑尺寸應(yīng)在 130mm 對水平扁鋼來說， 由于地面開挖高低不平， 扁鋼本身彎曲不直， 在施工中許多部位剛剛被降 阻劑蓋住。 這樣，鋼材實際上處在兩個介質(zhì)的交界處，大大地加快了腐蝕程度，因此地網(wǎng)開 挖尺寸也應(yīng)該加大。我們認為垂直極灌降阻劑直徑以130 200mm為好，水平溝以150mm<100mm為好（扁鋼豎

22、放）。這樣做的開挖工程量和降阻劑用量都會增加，但從整體降阻、防 腐效果看是合理的。離子接地系統(tǒng)埋深一般為3000-4000mm當加長時相應(yīng)加深，有條件的用鉆機施工?？讖奖ＷC100-250mm（根據(jù)接地系統(tǒng)的形式選擇）。施工中應(yīng)保證導電為輔料包裹密實，消除空管 和氣泡。四、接地網(wǎng)設(shè)計方案1、引用標準GBJ65-83工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范GB50059-9235-110KV 變電所設(shè)計規(guī)范GB50057-94建筑物防雷設(shè)計規(guī)范DL/T621-97交流電氣裝置的接地2、環(huán)境概況A、變電站總占地面積為xxxx平方米。B工程所在地土層平均厚度估算約為xxxx米;C工程為<< kv變

23、電站；D土壤電阻率XX Q m設(shè)計;E、變電站接地要求應(yīng)為0.5 Q ;3、設(shè)計分析根據(jù)GBJ65-83工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范附表1.1接地電阻的計算公式計算，在不重新征地的情況下，僅靠普通環(huán)型地網(wǎng)即使設(shè)置普通垂直接地極（2.5m角鋼）也達不到設(shè)計要求，必須采用其他辦法大量地降低接地電阻，下降到常規(guī)地網(wǎng)方式接地電阻的17.3%，及降阻率82.3%。根據(jù)施工經(jīng)驗，要達到一定的降阻率，需要采用的施工方式為 （在電力地網(wǎng)中，采用大地網(wǎng)接地電阻率測試儀測量的情況下）：序號降阻率采用的施工方案材料型號及要求多設(shè)置垂直接地角鋼（鋼管）1、接地環(huán)40*4扁鋼11020%2、垂直接地角鋼50*50*

24、43、垂直接地鋼管50*4多設(shè)置垂直接地角鋼（鋼管）使用1、40*4扁鋼22030%降阻劑2、垂直接地角鋼50*50*43、直接地鋼管50*44、長效物理降阻劑換土、深井法、離子接地體并使用1、40*4扁鋼35080%降阻劑2、離子接地體3、長效物理降阻劑換土、深井法、接地模塊、降阻劑1、40*4扁鋼44060%組成的非等長接地系統(tǒng)，并要求， 深井至少30狩越水層；2、接地鋼管50*43、長效物理降阻劑4、接地模塊150*800綜上所述，基本方案中應(yīng)選用的材料為：1）、接地環(huán)采用 50X 5mm熱鍍鋅扁鋼；2）、地極采取兩種：a、深井接地體采用 50 x 5mm螺紋探管，機鉆開孔；b、淺層接地體采用非金屬接地體；3）、使用降阻劑作為降阻輔助材料；4） 、土壤（包含沙土）厚度為 10米，水層平均深度以 20米估算。深井應(yīng)取 30米為宜。5）、需設(shè)計地面變電站接地網(wǎng)和水下接地網(wǎng)兩個地網(wǎng)，兩地網(wǎng)相連接。為保障電力系統(tǒng)故障瀉流時，附近人員的人身安全， 應(yīng)盡量降低跨步電壓 （接觸電勢），工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范GBJ65-83第2.0.8條規(guī)定，在人員出入路口使用礫石或瀝青覆蓋。其中，減低跨