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        接地模塊在降低變電站接地電阻中的應(yīng)用

        2012-08-18 01:20:32陸德琳
        電氣技術(shù) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:變電站施工設(shè)計(jì)

        陸德琳

        (浙江省富陽市供電局,浙江 富陽 311400)

        變電站接地網(wǎng)對于電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和變電站工作人員的人身安全起著重要作用,其接地電阻、跨步電壓與接觸電壓是變電站接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo),因此,變電站在投入運(yùn)行前,接地電阻必須達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求,否則變電站將無法正常運(yùn)行。然而,有些變電站由于受地理?xiàng)l件的限制,不得不建在高土壤電阻率地區(qū),導(dǎo)致這些變電站的接地電阻、跨步電壓與接觸電壓的設(shè)計(jì)計(jì)算值偏高,無法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。在設(shè)計(jì)施工過程中如何合理確定接地裝置的設(shè)計(jì)方案,降低接地電阻,這是變電站電氣設(shè)計(jì)施工的重點(diǎn)之一。如何降低電力系統(tǒng)接地裝置的接地電阻,長期以來一直是電力系統(tǒng)關(guān)心的重要問題之一。接地模塊接地技術(shù)是近年發(fā)展起來的降低接地裝置接地電阻的新技術(shù),通過安裝接地模塊,起到改善很大范圍的土壤導(dǎo)電性能的目的,相當(dāng)于大范圍的土壤改性。本文就以富陽110kV新桐變電站為例,分析其接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程,并給出了理論計(jì)算與實(shí)測結(jié)果。

        1 接地模塊降低接地電阻的原理

        1.1 接地模塊原理

        接地模塊是以導(dǎo)電非金屬材料為主的接地體,它由導(dǎo)電性、穩(wěn)定性好的非金屬材料、電解質(zhì)、保濕吸濕劑和防腐金屬電極芯組成。模塊埋入土壤中后,與土壤緊密接觸,大幅度地?cái)U(kuò)大了接地體的散流面積,有效地降低了接地電阻。模塊特有的保濕、吸濕性,使其周圍附近的土壤保持較低的電阻率,進(jìn)一步改善了接地體的導(dǎo)電性能。接地模塊通常采用壓鑄法成型,使低電阻非金屬材料與防腐金屬電極形成緊密穩(wěn)固的接觸,擴(kuò)大了金屬電極的導(dǎo)電面積,由于非金屬材料的自由電子擴(kuò)散作用,在模塊周圍形成一個(gè)穩(wěn)固的低電阻區(qū)域,達(dá)到了非常好的降阻效果,改善了接地模塊(接地體)附近土壤電阻率,減少了接觸電阻,實(shí)現(xiàn)了對接地體的良好降阻效果。

        1.2 接地模塊性能特點(diǎn)

        1)由于接地模塊內(nèi)置防腐金屬電極、周圍密實(shí)包裹著物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的低電阻導(dǎo)電材料,保證了接地模塊的導(dǎo)電性不受季節(jié)影響。

        2)具有吸濕、保濕特性,接地模塊電阻低且能保持長期穩(wěn)定。

        3)在高土壤電阻率地區(qū),能有效降低地網(wǎng)接地電阻。

        4)經(jīng)多次大電流沖擊后,阻值不增大,無變硬、發(fā)脆、斷裂等現(xiàn)象發(fā)生。

        5)耐腐蝕、無毒害、對環(huán)境無污染,使用壽命長,大于30年。

        2 接地模塊在降低接地電阻中的應(yīng)用

        對于高土壤電阻率變電站的接地系統(tǒng),由于其復(fù)雜的地質(zhì),若使用單一接地裝置來降低接地電阻,會(huì)造成預(yù)算增大、無接地施工空間等矛盾。根據(jù)施工現(xiàn)場土壤電阻率、可供施工面積、不同地形、投資額度等因素合理選擇使用接地裝置,是目前變電站接地設(shè)計(jì)常使用的方案。這樣即可保障線路、設(shè)備的正常運(yùn)行,又可以避免接地裝置工程投資過高情況的發(fā)生。

        110kV富陽新桐變電站位于富陽市礦山工業(yè)開發(fā)區(qū)內(nèi),占地59m×57m,地質(zhì)以塊石填土、粘土為主,綜合考慮,土壤電阻率約為600Ω·m。該站地質(zhì)條件復(fù)雜、土壤電阻率較高及施工現(xiàn)場較為狹窄,其工頻接地電阻的設(shè)計(jì)要求為小于0.5?。

        2.1 增大接地面積方案

        變電站常規(guī)接地網(wǎng)一般采用熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體、2.5m的圓鋼或者角鋼作為垂直接地體的綜合接地,根據(jù)發(fā)、變電站接地網(wǎng)工頻接地電阻的經(jīng)驗(yàn)公式可得知,在土壤電阻率不變的情況下,面積越大,接地電阻值就越??;但由于該變電站占地面積較小,更沒有擴(kuò)大接地面積的可能,因此采用此種接地方式無法滿足設(shè)計(jì)要求,且難以施工,故未予采納。

        2.2 深井接地方案

        深井方案由于在站內(nèi)處理不會(huì)涉及政策處理問題,是最先考慮方案,但由于所內(nèi)10m以下為風(fēng)化凝灰?guī)r,土壤電阻率較高,即使土壤電阻率按600Ω·m計(jì)算,150m深井的接地電阻約為9?,不考慮屏蔽效應(yīng),20口150m的深井理論才能降至0.5?,但由于變電站面積較小,較多的深井施工無法實(shí)施,產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)也會(huì)很強(qiáng),且 150m的深井施工產(chǎn)生的費(fèi)用無法估量,故未予采納。

        2.3 外引接地方案

        對予面積較小,地質(zhì)復(fù)雜的變電站,外引接地是一很好的選擇,可利用其較大的面積、較低的土壤電阻率降低電阻。但外引接地也同時(shí)存在較大問題,涉及征地、管理、安全等問題。如浙江省220kV某變電站外引接地至江河中,由于管理不便,存在被偷盜,挖沙船破壞現(xiàn)象,致使接地網(wǎng)不能很好的起到降低接地電阻的作用;以及部分變電站外引接地至耕地,管理不便以致被偷盜,蓋房挖斷等,接地網(wǎng)嚴(yán)重破壞。110kV富陽新桐變電站位于開發(fā)區(qū)交通要道邊,附近又無可利用土地,故不予采納。

        2.4 局部換土方案

        用局部換土的方式來降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻,是提高接地效果的有力措施。一般可就近取水塘、稻田泥土或特別低土壤電阻率礦物質(zhì)土壤,置換范圍在接地體周圍 0.5m以內(nèi)和接地體的 1/3處。但根據(jù)此站的地理位置,這種取土置換方法對人力和工時(shí)耗費(fèi)都較大,綜合費(fèi)用較高,降阻效果很難達(dá)到要求,故不予采納。

        2.5 綜合降阻方案

        經(jīng)過對現(xiàn)場情況、地質(zhì)報(bào)告、地勘報(bào)告的分析研究,采取了接地模塊、離子接地極等新型接地材料的綜合降阻方案。也是目前常用的降阻方案,具體為:該站依然采用常規(guī)接地網(wǎng),輔以接地模塊做垂直接地體,離子接地極做接地深井,每個(gè)深井回填接地高效回填料,垂直接地體接地模塊和水平接地體在回填時(shí)采用土壤電阻率較低的土進(jìn)行回填,確保降阻效果。具體施工方法見圖1。

        圖1 富陽110kV新桐變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖

        3 降阻的理論計(jì)算

        本站采用-60mm×8mm的熱鍍鋅扁鋼1600m做水平接地網(wǎng),間隔約為 5m,埋設(shè)深度為 0.8m;用500mm×400mm×50mm的接地模塊做垂直接地體,數(shù)量228個(gè)點(diǎn)(256塊),用φ55,L=3m的離子接地極做接地深井,深10m,每個(gè)深井回填150kg接地高效回填料。垂直接地體接地模塊和水平接地體在回填時(shí)采用土壤電阻率小于100Ω·m的粘土回填,確保接地體與大地接觸電阻達(dá)到最小。

        3.1 計(jì)算條件

        1)土壤電阻率 ρ=600?·m。

        2)地網(wǎng)面積S=3363m2。

        3)水平接地體L=1600m。

        4)深井接地體L=10m,共12個(gè)。

        5)垂直接地體接地模塊n=256塊。

        3.2 接地電阻計(jì)算

        1)水平地網(wǎng)工頻接地電阻Rs的計(jì)算:

        2)垂直接地體接地模塊降低接地電阻的計(jì)算:

        垂直接地體接地模塊敷設(shè)換土回填對周圍土壤環(huán)境的影響系數(shù)為:γ2=0.9(實(shí)驗(yàn)所得)

        Rm=0.160ρ2=86.4Ω(單塊接地模塊的接地電阻)

        Rz= Rm/nμa=0.701Ω>Ry(接地模塊并聯(lián)后的接地電阻)

        其中,ρ2為土壤電阻率,取 540Ω·m;n為接地模塊點(diǎn)數(shù)量,取228;μ為屏蔽系數(shù),取0.6;a為雙接地模塊利用系數(shù),取0.9。

        3)垂直接地體(離子接地極)接地深井降低接地電阻的計(jì)算:

        垂直接地體深井接地極敷設(shè)離子緩釋劑對周圍土壤環(huán)境的影響系數(shù)為:γ3=0.38(實(shí)驗(yàn)所得)ρ3=ργ3=228Ω·m

        單根深井接地極的計(jì)算

        式(1)中,Rs為單根深井接地極接地電阻(?);ρ3為土壤電阻率(?·m);L為接地極長度(m);D為灌外回填土的等效垂直接地體直徑,取0.152m;K為降阻系數(shù)。

        當(dāng)ρ≤50?·m K取 5

        50≤ρ<100?·m K 取 10

        100≤ρ<500?·m K 取 15

        500≤ρ<1000?·m K 取 20

        ρ≥1000?·m K 取 25

        當(dāng)多根深井接地極組成接地系統(tǒng):

        式(2)中,Rc為單根深井接地極接地電阻(?);n為深井接地極數(shù)量(根), 取12;η為利用系數(shù),取0.56;Rn為n根深井接地極的接地電阻(?)。

        4)變電站工頻接地電阻:Rq=1/(1/ Rω+1/Rz+1/Rn)=0.419Ω<Ry此理論值完全符合接地設(shè)計(jì)要求小于0.5Ω。

        4 實(shí)測結(jié)果

        110kV富陽新桐變接地網(wǎng)施工結(jié)束后,富陽市供電局變電檢修工區(qū)采用大型接地網(wǎng)接地電阻測試儀對接地電阻進(jìn)行了實(shí)測,具體測試以變電站東西側(cè)扁鋼作為基準(zhǔn)點(diǎn),向遠(yuǎn)離變電站方向測試:即東南、東北、西南、西北四點(diǎn)。測試結(jié)果為:東南方向0.48Ω;東北方向0.45Ω;西南方向0.46Ω;西北方向0.45Ω。

        該測試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)值:接地電阻<0.5?的要求。由于新桐變的復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致該實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值有一定的偏差,但該值完全滿足設(shè)計(jì)的要求,接地網(wǎng)總費(fèi)用控制在預(yù)算額度以內(nèi),滿足運(yùn)行單位要求。該工程的實(shí)測值也說明了接地模塊對高土壤電阻率地區(qū)變電站降低接地電阻值具有明顯的效果,且成本較低,材料容易。由于事先綜合考慮了土壤電阻率、施工地點(diǎn)、施工條件等因素,減少了施工的隨機(jī)性和盲目性,降低工程成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),接地模塊是深埋在土壤中的固體,不會(huì)因雨水流失而影響它的降阻效果,接地電阻值基本上是較穩(wěn)定的且不存在對土質(zhì)的污染的問題。

        5 結(jié)論

        變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行, 接地裝置能否發(fā)揮它應(yīng)起的作用,關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)和施工運(yùn)行這兩個(gè)環(huán)節(jié)。首先是設(shè)計(jì),它是保證接地裝置效果的前提條件;其次是施工運(yùn)行維護(hù),施工的工藝和質(zhì)量是保證接地裝置效果的基礎(chǔ),是體現(xiàn)設(shè)計(jì)目的的手段,而維護(hù)是后期地保養(yǎng)及使用期限的延長。因而在高土壤電阻率地區(qū)的變電站設(shè)計(jì)與建設(shè)中,必須注重優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合治理,以充分提高地網(wǎng)建設(shè)地經(jīng)濟(jì)性與安全運(yùn)行地可靠性,同時(shí)降阻效率高、抗腐蝕性好、成份穩(wěn)定、價(jià)格低廉地新型降阻材料亦將成為接地網(wǎng)降阻研究的主流。

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