酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 婁革偉 劉旭亮 李 娟
隨著荒漠戈壁地區(qū)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,以及工業(yè)和生活用電需求的不斷增加,電力系統(tǒng)的運(yùn)行容量隨之加大,使得該地區(qū)電廠、變配電所、高壓電氣裝置、桿塔架空線等發(fā)生單相接地故障時(shí)的入地電流升高,加之荒漠戈壁地區(qū)干旱少雨,土壤電阻率高,僅僅按照規(guī)范要求設(shè)置接地網(wǎng),其接地電阻較高,在入地短路電流增加的情況下,地電位升高、接觸電壓和跨步電壓就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常允許值,對(duì)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行造成極大的威脅,同時(shí)對(duì)用電安全特別是用電檢修人員的施工安全也產(chǎn)生重大隱患。因此,有必要采取措施降低荒漠戈壁地區(qū)接地裝置的接地電阻。目前,常見的降低接地電阻的方法有添加降阻劑、導(dǎo)電混凝土置換、增加接地網(wǎng)埋深、引外接地、鉆孔爆破法降低接地極與土壤接觸電阻等[1]??紤]到荒漠戈壁地區(qū)土壤性質(zhì)以及降阻可靠性等現(xiàn)實(shí)條件,本文著重對(duì)使用降阻劑后荒漠戈壁地區(qū)接地裝置接地電阻的降阻效率進(jìn)行研究分析。
國內(nèi)交流接地系統(tǒng)應(yīng)用降阻劑改善地網(wǎng)電阻的研究已近30多年,鄭瑞臣等對(duì)降阻劑的降阻機(jī)理進(jìn)行了研究和分析,提出在選擇降阻劑時(shí),應(yīng)從降阻劑的電阻率、穩(wěn)定性、環(huán)境污染、對(duì)接地極的腐蝕以及價(jià)格等方面綜合考慮[2]。孟曉明等對(duì)耐腐蝕接地材料和降阻接地材料在高土壤電阻率地區(qū)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望[3]。張國鋒等人對(duì)降阻材料的降阻效率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)粉體狀的緩釋型降阻膏的降阻效率要遠(yuǎn)高于編織型接地模塊和快裝式接地極[4]。傳統(tǒng)降阻劑在實(shí)際電力系統(tǒng)應(yīng)用中存在較多問題,諸如降阻效率低、易流失、長效性不足以保證、污染土壤水源以及加速接地極腐蝕等。隨著材料科技發(fā)展,各種新型降阻材料不斷涌現(xiàn),在實(shí)際工程應(yīng)用中有效解決了上述問題。李歡歡以鈉基膨潤土為基材研制出一種低電阻率、高保水性、防腐性好的長效鈉基膨潤土復(fù)合降阻劑,有效解決了高土壤電阻率地區(qū)接地電阻過高的問題[5]。
為了分析和研究降阻劑在荒漠戈壁地區(qū)接地裝置中對(duì)接地電阻的實(shí)際降阻效果,本文首先采用四極法對(duì)荒漠戈壁地區(qū)的土壤電阻率進(jìn)行了取樣測(cè)算,然后在CDEGS仿真計(jì)算軟件中建立接地網(wǎng)模型,并基于該模型對(duì)降阻劑的降阻效率及其影響因素進(jìn)行仿真分析,分別從降阻劑自身電阻率、敷設(shè)位置、敷設(shè)厚度、接地網(wǎng)面積等不同條件來對(duì)降阻劑的降阻效果進(jìn)行分析研究,總結(jié)規(guī)律,為降阻劑在荒漠戈壁地區(qū)接地裝置的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
常見的土壤電阻率測(cè)量方法包括土壤試樣分析法、三極法和四極法。我國現(xiàn)行接地設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦采用等間距四極法,即將四個(gè)測(cè)量電極沿一條直線打入土壤中,假設(shè)等間距為a,打入深度為b,然后測(cè)量兩個(gè)中間電極之間的電位差,除以兩個(gè)最外側(cè)電極之間流過的電流即可得到一個(gè)電阻R,如圖1所示。
圖1 等間距四極法測(cè)土壤電阻率
根據(jù)得到的電阻值R和極間距a可以換算得到視在土壤電阻率:
其中,pa為視在土壤電阻率,R為測(cè)量得到的電阻,a為極間距,b為電極埋深b<<a。如果,上式可以簡化為:
測(cè)量時(shí)如果極間距較小,則電流僅僅在土壤表面層流動(dòng),當(dāng)極間距較大,較多的電流就會(huì)滲透到土壤深處;當(dāng)土壤層電阻率反差不大時(shí),可以近似假設(shè)測(cè)量得到極間距a的電阻率代表深度為a的土壤視在電阻率。因此將pa與對(duì)應(yīng)的a繪制成曲線可以了解到土壤電阻率隨深度變化的情況。
為了能夠真實(shí)地測(cè)得荒漠戈壁地區(qū)的平均土壤電阻率,同時(shí)考慮含水量等因素的影響,分別在荒漠戈壁灘、生活區(qū)、湖河沿岸三處地點(diǎn)對(duì)土壤電阻率進(jìn)行取樣測(cè)試,得到視在土壤電阻率pa(折算到20℃)與深度a的曲線關(guān)系,如圖2所示。
圖2 荒漠戈壁灘地域土壤電阻率測(cè)量曲線
荒漠戈壁灘、生活區(qū)、湖河沿岸的土壤電阻率大約為2710Ω.m、2660Ω.m、2630Ω.m,綜合考慮,取平均土壤電阻率為三者均值,即2667Ω.m。
為較為真實(shí)地反映荒漠戈壁地區(qū)接地系統(tǒng)的電氣性能,首先根據(jù)測(cè)得平均土壤電阻率在CDEGS仿真軟件中建立荒漠戈壁地區(qū)的土壤模型,如圖3所示。然后模擬實(shí)際工況條件對(duì)仿真的電氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,接地網(wǎng)模型按照等間距水平接地網(wǎng)進(jìn)行考慮,接地極材料為普通鍍鋅圓鋼,降阻劑為普通膨潤土降阻劑,其電阻率為1.8~4.2Ω.m,其他仿真參數(shù)設(shè)置見表1。
圖3 荒漠戈壁地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)仿真模型
表1 CDEGS仿真參數(shù)設(shè)置
在不使用降阻劑時(shí)單根水平接地極的工頻接地電阻可由式(3)近似求得:
其中,Rh為單根水平接地極的工頻接地電阻,p為土壤電阻率,Lh為水平接地極的長度,d為接地極的等效直徑,A為形狀系數(shù)取-0.6。經(jīng)計(jì)算Rh為38.229Ω。
實(shí)際工程應(yīng)用中,采用電阻率測(cè)試儀測(cè)得的降阻劑實(shí)際電阻率往往比其標(biāo)稱電阻率要大很多。為了分析降阻劑自身降阻率對(duì)降阻效率的影響,在CDEGS軟件中建立等間距水平接地網(wǎng)模型,單根接地導(dǎo)體如圖4所示,接地極總長度為100m,引下線為單端引下線,降阻劑敷設(shè)厚度為0.2mm,當(dāng)電阻率分別為4.2Ω.m、3.8Ω.m、3.4Ω.m、3.0Ω.m、2.6Ω.m、2.2Ω.m、1.8Ω.m時(shí),采用表1所示參數(shù)設(shè)置,對(duì)不同條件下的接地電阻和降阻效率進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如表2及圖5所示。
圖4 等間距水平接地導(dǎo)體仿真模型
圖5 降阻劑自身電阻率對(duì)降阻效率的影響
表2 降阻率自身電阻率對(duì)降阻效率的影響
可以看出,降阻劑的電阻率越低,電導(dǎo)越大,接地裝置的接地電阻也越低,降阻效率越來越好但整體降低幅度不大,并且降阻劑電阻率較高時(shí),通過降低降阻劑的電阻率可以獲得一定的降阻效率提升,但達(dá)到一定程度之后,降阻效果不再提升。主要原因是在高土壤電阻率條件下,降阻劑對(duì)土壤的散流性能的提升是有限的,使用電阻率低的降阻劑并不能有效地改善荒漠戈壁地區(qū)接地裝置的工頻接地電阻。
為分析研究降阻劑敷設(shè)位置不同對(duì)降阻效率的影響,在CDEGS仿真軟件中,假設(shè)有一水平接地體,長度為120m,分成6段,每段長度為20m,分別為0~20m、20~40m、40~60m、60~80m、80~100m、100~120m。降阻劑電阻率1.8Ω.m,敷設(shè)厚度0.14m,敷設(shè)長度為20m,其他參數(shù)設(shè)置同表1?,F(xiàn)分別在接地體的6個(gè)不同位置進(jìn)行敷設(shè)降阻劑,仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同敷設(shè)位置條件下降阻劑的降阻效率
當(dāng)降阻劑敷設(shè)在水平接地體越靠近端部區(qū)域時(shí),降阻效率越高,敷設(shè)在端部的降阻效率要比敷設(shè)在中間位置的降阻效率高2.5%左右。這主要是由于在荒漠戈壁地區(qū)的接地裝置中,受到集膚效應(yīng)和端部效應(yīng)的影響,接地體的不同位置與土壤接觸時(shí)的散流特性是有差異的,因此對(duì)接地體特別是水平接地體來說,降阻劑敷設(shè)位置不同,降阻效率就不同,越靠近接地體兩端進(jìn)行敷設(shè),降阻劑的降阻效果就越好。
在CDEGS仿真軟件建立一水平接地體模型,長度為100m,其他參數(shù)同表1。為分析研究降阻劑敷設(shè)厚度對(duì)降阻效率的影響,在CDEGS軟件中將降阻劑模擬為水平接地體的導(dǎo)體涂層,降阻劑敷設(shè)厚度以涂層厚度來表征。厚度分別設(shè)為0.04m、0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.16m。仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
圖7 敷設(shè)厚度對(duì)降阻效率的影響
隨著降阻劑敷設(shè)厚度的增加,降阻效率有比較明顯的增加,但其增加的幅度逐漸降低,在敷設(shè)厚度超過0.1m時(shí),再增加降阻劑的敷設(shè)量,對(duì)接地電阻的改善作用效果不大,降阻效率最多不超過21%。這表明,使用降阻劑能有效改善荒漠戈壁地區(qū)高土壤電阻率條件下接地體周圍土壤的電阻率,增大了接地體的等效散流半徑,從而起到降阻作用,但隨著降阻劑敷設(shè)厚度的增加,由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響,接地體和降阻劑之間的屏蔽作用增強(qiáng),接地裝置的降阻效率的提高幅度逐漸趨于平緩。
為研究不同接地網(wǎng)面積條件下,降阻劑對(duì)接地裝置的降阻效率,在CDEGS仿真軟件中構(gòu)建接地網(wǎng)模型,參數(shù)設(shè)置同表1,降阻劑沿接地體整體敷設(shè),敷設(shè)厚度0.08m。接地網(wǎng)面積初始值為10m2,每次增加2m2做一次仿真計(jì)算,得到降阻效率與接地網(wǎng)面積之間的折線圖,如圖8所示。
圖8 接地網(wǎng)面積對(duì)降阻劑降阻效率的影響
由圖8可以看出,在相同的土壤條件及敷設(shè)參數(shù)下,隨著接地網(wǎng)面積的增加,降阻劑的降阻效率呈現(xiàn)下滑的趨勢(shì)。這主要是由于在高土壤電阻率地區(qū),接地網(wǎng)面積越大,降阻劑所帶來的土壤散流特性提升越小,單純使用降阻劑并不足以有效地改善土壤電阻率高的缺陷。在降阻劑使用數(shù)量有限的情況下,接地電阻的減小更多地依賴于擴(kuò)大接地網(wǎng)面積或者是增加接地體數(shù)量,相對(duì)于接地網(wǎng)本身對(duì)接地電阻的影響,降阻劑的作用在接地網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)會(huì)越來越弱化。
本文通過CDEGS仿真計(jì)算軟件研究了荒漠戈壁地區(qū)高土壤電阻率條件下,接地網(wǎng)中使用降阻劑后接地電阻的降阻效率、影響因素及其規(guī)律進(jìn)行了研究,主要得出以下結(jié)論:
一是所采用降阻劑的電阻率越低,降阻效率越高,并且降阻劑電阻率較高時(shí),通過降低降阻劑的電阻率可以獲得較好的降阻效率提升,但隨著降阻劑的電阻率越來越低,降阻效率提升幅度基本不變,因此在實(shí)際工程施工中沒有必要追求采用低電阻率的降阻劑。
二是降阻劑敷設(shè)在接地體靠近端部時(shí)的降阻效率要高于敷設(shè)于其他位置。
三是提高降阻劑的敷設(shè)厚度,降阻效率會(huì)有比較明顯的增加,但其增加的幅度逐漸降低,在敷設(shè)厚度超過0.1m時(shí),再增加降阻劑的敷設(shè)量,對(duì)接地電阻的改善作用效果不大,降阻效率最多不超過21%。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,不應(yīng)盲目增加降阻劑的使用量,適當(dāng)敷設(shè)既能保證降阻效率又節(jié)約成本。
四是隨著接地網(wǎng)面積的增加,降阻劑的降阻效率呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)。相對(duì)于接地網(wǎng)本身對(duì)接地電阻的影響,降阻劑的作用較小,實(shí)際工程中應(yīng)注意提高降阻劑使用時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。