摘要:变电站的接地网关系着运维人员的安全及电气设备正常运行,在变电站设计中要根据站址条件,变电站系统接地方式设计不同的接地网接地电阻。特别是在高土壤电阻率地区,采用传统的人工接地网很难达到规范要求的接地电阻值要求,必需采取一系列的降阻措施。本文就高土壤电阻率地区的降阻措施进行概念阐述、原理分析,并对非金属离子接地极接地电阻计算进行了探讨,力求能够给电力建设提供一份力量。
关键词:高土壤电阻率;接地网;降阻措施;探讨
由于变电站所处地理位置、土壤地质结构比较复杂,变电站地网施工、维护比较麻烦,特别是在高土壤电阻率地区,接地电阻值往往难以达到安全运行的要求。必需采取一系列降阻措施,下面就高土壤电阻率地区接地网的各种降阻措施优缺点进行探讨,并重点分析非金属离子接地极接地电阻计算。
一、高土壤电阻率地区接地网的降阻措施
1.1、填充低电阻率物质或剂降阻
采用低电阻率的材料置换接地体附近小范围内的高电阻率土壤,对于减小单个或集中接地装置的工频接地电阻具有显著效果。但对于减小冲击接地电阻缺效果不大。采用降阻剂时应选择长效物理型降阻剂,一般要求降阻剂电阻率ρ≤1Ω•m,埋地表面平均腐蚀率≤0.02mm/年。
1.2、深埋式接地体
如地下较深处的土壤电阻率较低,可用深井接地极或深埋式接地体。深埋式接地体应选在地下水较丰富及地下水位较高的地方,深埋接地体间距宜大于20米,可不计相互屏蔽的影响。采用该方法需要对站址深处的土壤电阻率进行勘测,也需要专业的钻井设备进行施工。
1.3、引入外接地网的措施降阻
如果站址附近1km以内有电阻率较低的土壤,可敷设外延地网以降低变电站接地网电阻。该方法可有效扩大接地网面积,通常能取得良好的降阻效果,但局限性也比较大,只能在站址附近有比较低的土壤电阻率的地方实施,且外引地网不在变电站征地范围内,往往需要解决民事问题且对接地网安全性无法保障,容易受外力破坏。
1.4、采用爆破接地降阻措施
爆破技术降低接地电阻的原理是利用钻孔机进行钻孔,孔径约100mm,深度根据地质条件几十到几百米不等,孔内安装炸药使岩石层出线裂缝,然后填充降阻剂,并在井中敷设垂直接地极,并用水平接地极将垂直接地极连接成网。该技术应对岩石地区降阻效果明显,但缺点是施工难度大,需要专业的爆破技术,危险性较大,建议谨慎使用。
1.5、采用非金属离子电解地极
非金属离子接地极降阻的基本原理为:根据最快泄流的模型,以变电站为中心,在变电站周围导电性好的开阔的土壤中通过探测,选择最佳位置布设一定数量的降阻、泄流单元—非金属离子接地体,并将非金属离子接地体全部并联连接至变电站的环型接地网上。
非金属离子接地体主体材料为高导电石墨,内部呈中空结构,装盛有具有吸水保水作用的缓释导电离子材料。在埋入大地后,离子接地体与土壤紧密接触并成为一个离子发生装置,通过内部离子材料的潮解反应,将活性电解离子释放到周围的土壤中,从而有效改善周围土壤的电阻率和降低整个地网的接地电阻值。
二、非金属离子接地极接地电阻计算
变电站接地网接地电阻计算在设计时通常按照《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T 50065-2011)附录A的公式进行计算。但对离子接地极没有明确的计算公式,通常按垂直接地体的工频接地电阻计算公式来计算,然后再给出一个修正的系数,这样的计算和设计是不科学的。
图1 非金属离子接地极安装示意图
2004年美国电气与电子工程师学会(IEEE)在IEL数据库收录了一篇基于电解离子接地系统工作原理模拟的电解离子接地系统的工频接地电阻计算公式,其充分考虑了电解离子接地系统的接地体长度、初始离子扩散半径、回填料降阻率和电解离子接地系统利用率等参数对电解离子接地系统的工频接地电阻的影响,依据实验的方法给出了近似的模拟计算公式。
单个离子接地极接地电阻计算公式如下:
:离子接地系统的工频接地电阻;
H:离子接地系统的长度;
δ:离子接地系统的初始离子扩散半径;
γ:降阻剂回填料降阻率;
k:离子接地系统效率;
电解离子接地系统并联的工频接地电阻计算公式如下:
R2:n组离子接地系统并联的工频接地电阻
n:使用离子接地系统的组数
λ:利用系数
(1)、电解离子接地系统效率k值的选取
3≤H<12,k=0.85;
12≤H<30,k=0.75;
30≤H<60,k=0.65;
随着离子接地极长度的增加,其工频接地电阻值减小。
(2)、与土壤电阻率ρ有关的降阻剂回填料降阻率γ值的选取
ρ≤500Ω•m, γ=0.8;
500Ω•m<ρ≤1000Ω•m,γ=0.7;
1000Ω•m<ρ≤2000Ω•m,γ=0.6;
ρ>2000Ω•m, γ=0.55
当土壤电阻率ρ较低的时候,其降阻剂回填料的降阻率也较低,随着土壤电阻率ρ的升高,其降阻剂回填料的降阻作用才逐渐表现出来。即:土壤电阻率ρ越高,降阻剂回填料的降阻作用越好,电解离子接地系统的工频接地电阻值越小。
(3)、与离子接地体长度H相关的初始离子扩散半径δ值的选取
H≤3m, δ=0.8;
3m<H≤6m,δ=0.7;
6m<H≤12m,δ=0.6;
12m<H, δ=0.5;
可以看出,随着电解离子接地体长度的加深,土壤结构越来越致密,其活性离子的初始扩散半径δ逐渐减小,随时间变化的扩散潜力增大。
(4)、利用系数λ的取值选取如下:
n≤4; λ=0.85;
4<n≤10;λ=0.80;
10<n≤20;λ=0.75;
20<n;λ=0.65;
下面以一个工程实例说明使用离子接地极作为主要降阻措施的接地网接地电阻计算。
工程背景:根据工程地质勘查报告,站址范围内浅层土壤电阻率约1224Ω•m,站区面积6211m2。主地网设计采用水平接地极为主,垂直接地极为辅的复合接地网,由于站区土壤电阻率较高,采取在变电站外环接地网加装离子接地极的方法进行降阻,离子接地极长度6米,在外环接地网上间隔18米设置1根,总共设置18根,试算接地网的工频接地电阻。
主地网工频接地电阻:
=7.76Ω
单根离子接地极的接地电阻:
=72.83Ω
电解离子接地系统并联的工频接地电阻:
=5.39Ω
复合接地网的工频接地电阻
从计算结果可看出,在不增加接地网面积的情况下,离子接地极降阻效果显著。
结语:高土壤电阻率地区的接地问题一直是电网建设的难点,本文从高土壤电阻率地区的降阻措施出发,对接地网的降阻措施方面的概念、原理以及不同降阻措施之间的优缺点进行阐述,并提出了非金属离子接地极接地电阻计算方法。对高土壤电阻率地区接地网的建设以及在进行接地网设计时对降阻方案的选取提供参考意见。
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作者简介:
龚小秋,1984年生,男,四川宜宾,河源电力规划设计院,工程师,注册电气工程师,大学本科,研究领域:变电站电气设计
论文作者:龚小秋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/22
标签:电阻率论文; 离子论文; 土壤论文; 电阻论文; 变电站论文; 措施论文; 非金属论文; 《电力设备》2018年第5期论文;