变电所接地网优化与低压配电系统接地

第一章概述

随着电力工业的发展，变电站一次设备二次保护对接地装置的要求在不断提高。接地装置是确保电力设备安全运行及其工作人员人身安全的重要设备。电力系统中对接地装置的要求越来越严格，变电所接地系统直接关系到变电所的正常运行，更涉及到人身与设备的安全。然而由于接地网设计考虑不全面、施工不精细、测试不准确等原因，近年来，发生了多起地网引起的事故，有的不仅烧毁了一次设备，而且还通过二次控制电缆窜入主控室，造成了事故扩大，故接地网对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。变电所的接地好坏直接关系到设备和人身的安全，因而愈来愈受到人们的重视，因变电所的接地网不但要满足工频短路电流的要求，还要满足雷电冲击电流的要求，以前由于接地网的缺陷，曾发生了不少事故，其原因既有地网接地电阻方面问题，又有地网均压方面的问题。随着电网的发展，变电所内微机保护综合自动化装置的大量应用、这些弱电元件对接地网的要求更高，地电位的干扰对监控和自动化装置的影响不得不引起人们的重视，因此，为了保证变电所接地网的可靠性，必须对接地网存在的问题进行改进，并对今后在接地设计与改造方面应该注意的问题进行深入探讨。 第二章变电所接地网存在的问题及改造                                                                                             2.1 变电所接地网存在的问题2.1.1 接地网均压问题1、在接地网设计时只注意了工频接地电阻而忽略了地网的均压和散流问题，所以有些运行多年变电所接地网的均压不好，特别是横向电位分布不均，电位梯度较大。2、对于有些变电所接地设计，设备到哪里，水平接地带立连到哪里，或只用长孔地网而很少用方孔地网，再加上敷设接地网的施工单位存在偷工减料，不按图施工等问题，造成接地网很不完善。3、接地网在施工中水平接地极埋深大部分不足，有的甚至浮在地表面，因此，由于地网均压不好，一旦发生接地短路就有可能引起局部电位升高产生高压向控制和保护电缆反击，使低压元件烧坏。2.1.2 接地网与设备连接问题1、设备的接地引下线截面偏小或在地下与地网的连接处经过长时间腐蚀造成被锈蚀断；设备没有明显的接地引下线，而是通过混凝土构架的内部的钢筋接地，而混凝土构架的内部钢筋不是在上部就是在下部开路；设备接地短路时因满足不了短路电流的热稳定而被熔断。2、在厂区扩建时没有扩建新的地网，而是把新增设备的接地通过电缆沟内的接地带与原地网连接，而电缆沟内的接地带又连接不可靠或长期运行在潮湿和有腐蚀气体的环境中，因腐蚀而造成开路；3、通过螺丝连接的接地线经过长期的锈蚀或松动造成电气上的开路；由于设备的接地与地网通常发生在设备的接地短路时，设备外壳所带高压容易让低压二次回路反击，烧坏二次电缆元件和元器件，使二次保护和控制失灵，使故障线路不能及时切除，使事故扩大，在使用微机保护和综合自动化系统的场所会造成严重的地电位干扰而使微机保护和综合自动化系统失灵，造成保护的吴动或拒动，而使事故扩大。设备外壳所带较高的接触电势还将威胁运行人员的安全。防雷设备的接地不良，要么会影响防雷设备的正常动作，要么会在雷电流入地时产生较高的反击过电压危及设备和人身安全。2.1.3 接地网的腐蚀问题腐蚀的原因归纳起来有以下几种：1、接地网的水平接地体预埋深不够，按相关国标和行业规定水平接地体的埋深至少应达到0.6m，而在实际工程中发现有的水平接地体的埋深不够，有的甚至浮在地表，由于上层土壤含氧量高，加速了接地体的氧化，且上层土壤易受气候的影响，接地电阻值不稳定。2、在扩建时，不扩建地网把电缆沟内的均压带作为设备接地的主要干线，由于电缆沟内的均压带长期运行在阴暗潮湿的环境中，特别是有些电缆沟长期积水，再加上未能定期的进行防腐维护，这就加速连接地的腐蚀，是造成设备或设备单元“失地”的主要原因；3、在施工过程冲地网接头焊接质量差，有虚焊假焊或气泡存在;4、丘陵地区的变电所，风化石或沙石土壤透气性好，土壤中含氧量高，加速了接地体的腐蚀；5、有害气体腐蚀，以及对设备接地引下线和接头没有采取防腐保护措施或没有定期进行维护。2.1.4 接地网接地电阻问题水平接地体或接地装置埋深不够，、工频接地电阻普遍满足不了R≤2000/I的要求，且未采取任何均压和隔离措施,这在多年运行的变电站中尤其突出.其主要原因有:1、在原设计时电网容量较小,当随着电网的发展,电网容量迅速增大接地短路电流也迅速增大,接地网没有随之进行相应的降阻改造；2、接地网在施工时没有按要求铺设足够的水平和垂直接地体；3、接地体在地下经过长期的腐蚀，在接地体表面产生了一层铁锈层，影响了接地体与周围土壤的有效接触，使接触电阻增大；4、变电所扩建时没有对接地网进行扩建。2.2 变电所接地网改进措施1、对于运行10年以上的接地网，宜用工频大电流法进行接地电阻、地面电位分布、设备接触电压试验和设备与地网的连通情况试验；对试验发现有问题的地网，应进行开挖检查，检查接地网的埋深，锈蚀和焊接头的连接情况，要重点检查设备接地引下线与地网的连接，因为这些地方由于腐蚀电位差的存在，最易发生电化学腐蚀，2、对设备接地引下线及地网水平接地体的截面进行热稳定校核，不满足要求的要及时进行整改。35KV及以上电压等级的设备接地线要用明线引下，不能通过混凝土构架接地，对充油设备，主设备要进行“双接地”，双接地要从设备的两边引下，并与地网不同点相连，以加强设备连接的可靠性和改善散流情况。3、在设计新的地网和改造老地网时，宜考虑电网以后5―10年的发展，留有适当的发展余地。接地网的使用寿命应大于地面设备的使用寿命，因地面电气设备可能更新得较快，而接地网不存在更新的问题。4、接地网的水平接地体预埋深度应达60CM以下，有些特殊的地方预埋深度应达0.8M或1M以下，用细土回填并分层夯实，严禁用砂石或建筑垃圾回填。5、设备接地引下线和电缆沟内的均压带要定期进行防腐处理和维护。6、在电缆附近辅设与电缆沟平行的水平接地体，每隔6―8M与电缆沟内的接地带连接一次，以保证电缆沟内的均压带接地和均压的可靠性。7、在主变中性点、油开关、避雷器和构架避雷针的接地处和地网的各交叉点设置垂直接地极加强集中接地，改善地网的冲击特性。8、变电所扩建时要把接地网一并考虑在内，扩建的地网与原地网应多点可靠连接，不能简单地接进电缆沟的接地带了事。地网的各焊接头焊口质量要严格把关，对焊口要进行相应的防腐处理。2.3 接地网接地设计与改造1、在接地设计时一定要勘测了解变电所处在位置的地质结构和土壤电阻率，土壤电阻率ρ值是接地设计和计算的重要参数，在接地装置设计之前应认真进行勘测，因大多数情况下土壤都是不均匀土壤，即土壤的电阻率沿水平和垂直方向不均匀分布，这时就需要在水平方向上多测一些点以测出沿水平方向上的不同分布，同时还要测出不同深度的土壤电阻率，如采用“四极测量法”。可改变不同的测试距离α。即可算出不同深度的土壤电阻率。因为测试结果基本上保持着0.75α深层土壤电阻率的关系，对于新建变电所可在变电所接地装置布置地点进行测量，对于老站改造可在旁边类似的土质地方测试。而实际中却发现，有些在原地网上面测试时，结果测试值严重偏小，这是因为如在接地装置上方测量，则因下方有接地体的影响而使结果偏小，这样就会使接地设计产生很大的偏差。测试一定要到现场实测，不要凭资料介绍的土质进行估算，因为同样土质在南方和北方相差甚远，如不现场实测则会由于取值和实际值相差较大而达不到设计目的。2、根据变电所的规模，应用电网的接地短路电流来计算通过接地网的入地短路电流值，从而确定接地网的接地电阻值和接地线热容量。关于流经接地装置的入地短路电流，因为这个电流直接关系到接地电阻，接地线的热稳定计算及设备接触电压和跨步电压的计算。所以正确计算流经变电所接地装置的电流非常重要。计算流经接地装置的入地短路电流，采用在接地装置内、外短路时经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量的最大值，该电流应按5—10年发展后的系统最大运行方式确定，并考虑系统各中性点的短路电流分配，以及避雷线的分流。计算时首先应按系统最大运行方式时的短路阻抗算出在单相接地短路电流值，然后根据内、外短路电流计算流过接地装置的电流I=（Imax-IN）（I-Ke1）I=In（I－Ke2）式中 I—流经接地装置的陆地电流。A；     Imax——接地短路时的最大接地短路电流。A；     In——发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流。A；     Ke1 ——厂或所内外短路时、避雷线的工频分流系数；     3、对接地网的均压主要考虑接地网地面的电位分布要均匀，跨步电压要合格，关于接地装置的跨步电压和设备接触电压，接地装置的地面跨步电压UK和设备接触电压Uj是接地装置的主要参数，它直接关系到人身和设备的安全，特别是在采用外延接地时，必须保证外延部分的跨步电压UK在安全值以下，只有这样才能保证在接地装置流过大的接地短路电流时不会造成人身安全事故，因而在接地设计时应该认真计算校核这两个参数，在工程完工后还要进行试验验证。但是在工程实际中发现有的设计人员只是按下式进行          Uj=174＋0.17ρf/          UK=174＋0.7ρf/ 式中：Uj——接触电位差。V； ρf——地表土壤电阻率。Ω·m        Uk——跨步电位差。V；t—接地短路故障电流持续时间4、变电所接地装置的工频接地电阻应符合的要求，如若达不到该要求，在做充分的技术经济分析后可适当放宽，但要采取严格的均压、隔离措施。降低变电所接地装置的工频接地电阻的措施可以采用：1）外延接地降阻法；2）深井式接地极降阻法；3）降阻剂法；4）水下地网法；5）等离子接地极降阻法。在实际工程中究竟采用何种方法降阻，要根据具体的情况、现场地质、地势情况，并做认真的技术分析后，采用切实可行的降阻措施。要充分利用自然接地体和接地装置所在处的有利地形条件达到用较少的投资来获得最好的降阻效果。对位于山区、丘陵地区一边开挖、一边回填的变电所，为了达到接地网与大地的快速亲合，可在回填前在底层先铺一层地网加强与大地融合，然后在上层再铺一层均压网与设备连接。5、 关于接地装置的防腐措施，应首先调查勘测接地装置所在处土壤对钢接地体的腐蚀率和酸碱度，先进行接地体的腐蚀寿命计算，热稳定计算，接地装置的使用寿命应大于地面设备的使用寿命，即在寿命内接地体的截面都要满足接地短路电流热稳定的要求。防止接地体腐蚀的措施有： 1）高效膨润土降阻防腐剂法；2）阴极保护法。高效膨润土降阻剂法具有降阻、防腐和稳定接地参数等多项功能，适用于既需要降阻又需要防腐的场所；阴极保护法主要是保护接地体免遭腐蚀。第三章低压配电系统的保护接地系统与接地接零3.1 低压配电系统的接地在三相四线制中接地和接零是一个概念，而在三相五线制中，系统接地和接零是分离的。变压器中性点N线直接接变压器的接地网上，是功能性接地。在电气装置外露金属部分如外壳接地，是通过PE线直接接到接地网和接地极上，为保护接地。    保护线与中性线从某点分开就不允许有任何联系，其目的有以下两点：其一是为了使漏电电流动作保护能正确动作；其二是为了使保护线上没有电流流过，以保证把保护线乃至设备外露可导电部分的电位限制在较低水平，以利安全。    至于中性线也应采取与相线绝缘水平相同导线，是为了避免系统的杂散电流对中性线产生影响，以保证漏电电流动作保护装置正确动作，同时也有利于人身安全（同时即使在三相平衡条件下，由于三次倍数以上的谐波影响中性线上仍有相当大的电流流过，因此也是伴随着电压存在。）这就是设计中，保护线和中性线分开，就不允许有任何联系的原因。3.1.1 低压配电系统接地的形式低压配电系统接地形式主要有TN系统、TT系统及IT系统，现就其分类及应用阐述如下：TN系统：电源中有一点（通常是中性点）直接接地，负荷侧的建筑物电气装置的外露导电部分，通过保护线（即PE线包括PEN线）与接地点连接的系统。我国低压配电网中大多数采用TN系统，在该系统中，电路或设备要达到运行要求，变压器低压中性点就应该接地，该接地称为工作接地或配电系统接地。工作接地的作用是保持系统电位的稳定性，既减轻低压系统由高压窜入低压等原因所产生过电压的危险性，主要保护设备的正常运行。在这里，由于N线与PE线是连通的，都经主接地线连至主接地体。而N线与PE线分开后一般就不再合并，特别是装有漏电保护开关的线路中。按照中性线（N）与保护线组合情况，TN系统分为以下三种情况：TN-S系统，保护线与中性线分开（如图（1））。TN-C系统，保护线与中性线共用一线（如图（2））。TN-C-S系统，一部分保护线与中性线合一（如图（3））。2TT系统：电源有一点（通常是中性点）直接接地，装置外露导电部分接至电气上与电源接地无关的接地板的系统。 3、IT系统：是电源与接地绝缘或通过阻抗连接。而装置的外露导电部分则接地的系统。3.1.2 各种接地形式的配电系统应用

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