对接地设计问题的分析研讨:金属球壳接地问题
摘要:接地,是一种为保护人身安全、用电安全的措施。大庆石化各厂区变电所多而杂,接地网作为隐蔽工程维护困难等特点;在设计过程中,要从短路电流和接地电阻的关系、接地装置布置方式比选、地网表面电位、合适的埋设深度等方面认识和把握接地问题。
关键词:接地网 布置方式 短路电流
1、背景
接地,是以保护人身安全为目的的一种用电安全措施。若电工设备因绝缘损坏、意外情况等而使金属外壳带电时,形成相线对中性线的单相短路,则线路上的保护装置(自动开关或熔断器)迅速动作,切断电源,从而使设备的金属部分不致于长时间存在危险的电压,这就保证了人身安全。
大庆石化各厂区变电所接地网是一项隐蔽工程,具有维护困难等方面的特点。因此在设计过程中, 要从短路电流和接地电阻的关系、接地装置布置方式比选、地网表面电位、合适的埋设深度等方面认识和把握接地问题。
2、接地短路电流分析
2.1 接地电阻要求与接地实质
《交流电气装置的接地》一书中对接地电阻值有具体规定,一般情况下的规定通常要小于等于0.5Ω;在高土壤电阻率地区,当要求接地装置做到规定的接地电阻在技术经济上很不合理时,大接地短路电流系统接地电阻可以为R不大于5Ω, 但应采取相应措施;规程规定,主要是以发生接地故障时,接地电位的升高不超过2kV进行控制,其次以接地电阻不大于 0.5Ω和5Ω进行设计。实际中人们往往认为,接地电阻测量值不大于0.5Ω即为合格,大于0.5Ω就是不合格,而没有认清其真正的机理,忽视短路电流的大小,这是不恰当的。
接地实质是指在变电所发生接地短路时,故障点电势升高;因此接地实质主要是为了设备、人身的安全,起作用的是电势而不是电阻本身。接地电阻是衡量接地网是否合格的一个重要参数, 但不是唯一的参数。
2.2 短路电流的正确分析
当系统发生接地故障时,产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点:(1)经设备接地引下线流入变压器中性点;(2)经地网入地后通过大地流回系统中性点;(3)经架空-地线-塔杆系统。而对接地网的接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流,所以正确考虑到并正确计算出各部分短路电流值,对合理设计地网有着重大的影响。
经分析:
入地短路电流=总的接地短路电流-架空、地线的分流-流经变压器中性点的电流
按此计算,实际入地短路电流值就相对较小,接地电阻相应的允许值就比较大(按R≤2000/I要求),此时按规定值控制, 自然就容易满足设计要求了。
3、接地装置布置方式的比选
3.1 地网接地电阻的计算
在接地网设计过程中,土壤电阻率采用要准确,否则会造成设计误差。土壤电阻率的测量由于要受到方法、设备等条件的限制,土壤电阻率的测量可能往往不够准确,尤其是有不均匀地质结构或地质结构复杂的地区;为保证电阻率准确性,勘测时可以采用接地摇表法和电流电压法等,对所测结果应相互对照,减小误差。
接地网接地电阻的估算公如下: R≈0.5ρ/s
式中:ρ-土壤电阻率,单位Ω·m;s-地网面积,单位m2;R-地网接地电阻,单位Ω。
由公式可以看出ρ一定时,接地电阻基本上由接地网面积决定,若接地网面积确定,其接地电阻也就基本确定了。
3.2 接地网布置方式
在35千伏及以上变电所中,一般采用水平接地线为主并带有垂直接地极的复合型地网:实验验证,水平地网中附加垂直接地极若干,其接地电阻仅下降2.9%～7.8%,如此看来垂直接地极对接地网的接地电阻值影响并不大;但是垂直接地极对冲击电流、雷电流散流作用还是比较好的。因此,在接地网、线路避雷线及避雷器的引下线等处应敷设垂直接地极,可以用于加强散泄雷和集中接地的电流。
接地网布置方式有方孔、长孔两种:方孔网分流效果几乎没有影响且均压效果好、可靠性高;当接地网均压带总根数≤18时,常采用长孔接地网。二者比较:
(1)长孔地网某一条均压线断开时,均压带的分流作用明显降低;方孔地网纵、横向均压带相互交错,当某条均压线断开时,对分流效果影响不大,要优于长孔地网。
(2)长孔地网均压线距离较长,发生接地故障时,沿均压线电压降较大,易造成二次控制电缆和设备损坏;而方孔网均压效果较好且可靠性高。
3.3 地网表面的电位分布
随着电力系统容量的不断增加,流经地网的入地短路电流也愈来愈大,因此要确保人身和设备的安全,维护系统的可靠运行,不仅要强调降低接地电阻,还要考虑地网上表面的电位分布:在以往接地设计中,由于接地网均压导体的端部和邻近效应,地网的边角处泄漏电流远大于中心处,使地电位分布很不均匀,边角网孔电势大大高于中心网孔电势,而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大;采用以下几种方法均可解决此项困扰:
(1)采用不等间距布置优化设计接地网,使地网各网孔电位趋于一致,从而提高了变电站的安全水平。
(2)在同样安全水平下,优化设计的接地网较常规布置的接地网,一般能节省钢材量达39%及以上,同时也能减少相应的工程投资,在技术、经济上较为合理;
4、结语
综上所述,在变电所接地网设计时(条件允许),采用方孔均压网设计更为可靠,更利于提高接地的安全性,但工程造价及施工难度也相对提高;实际在工程项目中大多还是采用长孔布置,运行亦较为正常,但不可因此而忽视接地形式比选,尤其是特别重要的变电所如中心枢纽站、220kV及以上电站等设计时仍应注重地网布置方案比选。
参考文献
[1]沙斐．《电气工程接地技术》.电子工业出版社,2004.
[2](苏)M.P.乃费利德著.《电气装置的保护接地》.水利电力出版社,1988.