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      變電站接地網(wǎng)安全評估方法

      2019-11-02 06:17:42
      通信電源技術 2019年10期
      關鍵詞:跨步電壓限值電阻率

      程 翔

      (湖北省電力勘測設計院有限公司,湖北 武漢 400040)

      0 引 言

      接地,就是把電氣系統(tǒng)、電路或設備與大地連接,或者與范圍廣泛且能用來代替大地的等效金屬導體連接,其目的在于確定與之相連接的導體電位大致維持在大地電位,能在線路或電氣設備發(fā)生故障時為故障電流流回電源提供一條低阻抗的路徑。

      變電站接地系統(tǒng)除了保證設備安全外,更重要的是在故障時保障工作人員的人身安全。發(fā)生接地短路故障時,若接地網(wǎng)設計合理,就能夠限制地電位升高、平衡地電位分布,減少工作人員受到危害[1-2]。

      1 變電站接地網(wǎng)及其環(huán)境建模

      1.1 變電站接地網(wǎng)建模

      變電站接地網(wǎng)一般水平布置由金屬網(wǎng)和垂直接地極構成。金屬接地網(wǎng)一般由銅棒組成,常排列成邊長數(shù)米到十米的矩形網(wǎng)格狀,埋在變電站地下0.5 m深;垂直接地極一般由銅包鋼或石墨制作,上端與水平接地網(wǎng)相連,下端埋入數(shù)米深的土壤中。

      接地網(wǎng)的規(guī)模一般和變電站的占地形狀與規(guī)模相當,但覆蓋范圍要包含變電站周邊10 m。

      1.2 變電站接地網(wǎng)環(huán)境建模

      變電站接地網(wǎng)接地電阻與其所在的土壤性質(zhì)有直接關系。一般通過文納法對變電站接地網(wǎng)土壤性質(zhì)進行測量,然后建立土壤分層模型。圖1為四點文納法測量原理示意圖,將4個電極插入土壤,并在電極C1、C2間施加電壓,測量C1、C2間的電流與P1、P2間的電壓。調(diào)整電極的距離和插入深度,可以計算不同深度土壤的電阻率。對變電站各處進行測試,取各測量點的平均值,就可以得到該區(qū)域土壤的特征,進而建立土壤模型。

      圖1 四點文納法測量原理示意圖

      根據(jù)測量到的結果,可以建立土壤的分層模型。一般可以將土壤分為表層土壤和深層土壤,有時會增加中間層。一般深層土壤較濕潤,電阻率較小,而表層土壤電阻率較大。

      2 變電站接地網(wǎng)安全性評估

      對變電站接地網(wǎng)及土壤進行建模后,需要對接地電阻、故障時的接觸電壓與跨步電壓進行計算。除了利用經(jīng)驗公式進行計算外,利用CDEGS軟件可以更方便地獲得更準確的計算結果。

      2.1 接地電阻與地電位升高

      在CDEGS軟件中建立變電站接地網(wǎng)的模型,并指定故障電流進入地網(wǎng)的位置以及電流大小,即可計算出其等效接地電阻。按照規(guī)程規(guī)定,一般接地電阻RG應滿足:

      其中,IG為注入地網(wǎng)的故障電流,5 000為電壓。

      同時,故障電流入地網(wǎng)將會在地網(wǎng)上形成壓降,從而引起地電位升高,對設備及地面上工作人員造成安全隱患。例如,圖2展示了某500 kV變電站接地網(wǎng)的接地電阻以及注入31.5 kA故障電流后的地電位升高。該接地網(wǎng)水平接地體為直徑13.4 mm的銅棒,埋深0.5 m,網(wǎng)格邊長10 m;垂直接地體為長6 m的銅包鋼棒。從計算結果可知,總接地電阻滿足規(guī)程要求,而發(fā)生接地故障時的地電位升高約為3 151 V。

      圖2 接地電阻及地電位升高

      2.2 接觸電壓計算

      變電站的工作人員站在地面上,由于地網(wǎng)電位升高,土壤電位也會改變,因此人手觸摸較高的物體時與腳之間會產(chǎn)生電位差,即接觸電壓。

      接觸電壓與地網(wǎng)電位升高、土壤電阻率及地表物質(zhì)電阻率都有關,其安全限值與故障清除時間也有關,一般故障清除時間越短,安全限值越高,即盡快清除故障有利于保護變電站工作人員人身安全。圖3為某變電站的接觸電壓分布,在安全限制以下的區(qū)域用白色顯示。

      圖3 采用10 m網(wǎng)格接觸電壓分布

      由圖3可知,該接地網(wǎng)設計存在安全隱患,接觸電壓超過了安全限制。

      2.3 跨步電壓計算

      接地故障時地面電位升高,且電位隨位置變化,變電站工作人員在地面上行走,兩腳之間會形成電位差,即跨步電壓。與接觸電壓類似,跨步電壓也受到地網(wǎng)電位升高、土壤電阻率及地表物質(zhì)電阻率影響,其限值與故障清除時間相關。一般跨步電壓的安全限值更容易滿足。只要接觸電壓滿足規(guī)程規(guī)定的安全限值要求,那么跨步電壓也會滿足要求。圖4為采用10 m網(wǎng)格跨步電壓分布。

      圖4 采用10 m網(wǎng)格跨步電壓分布

      由圖4可知,該變電站跨步電壓分布,白色部分為安全限值以下區(qū)域。該變電站及周邊區(qū)域跨步電壓均在安全限值以內(nèi)。

      2.4 接地網(wǎng)安全性能優(yōu)化

      初步設計的接地網(wǎng)不能滿足安全性要求。為了使接觸電壓滿足規(guī)程,可以將水平接地網(wǎng)的網(wǎng)孔加密,以進一步降低接地電阻[3]。此外,在地表鋪設一層電阻率較大的隔離層,也可以降低地表工作人員的接觸電壓。將接地網(wǎng)網(wǎng)孔改為邊長2.5 m,同時在變電站地表鋪設一層15 cm碎石,碎石的電阻率約3 000 Ω·m,比土壤要大的多。

      圖5和圖6展示了優(yōu)化變電站設計后的接觸電壓與跨步電壓分布。對接地網(wǎng)設計進行調(diào)整后,變電站內(nèi)的接觸電壓與跨步電壓都在安全限值以下,滿足了安全性要求。

      圖5 采用2.5 m網(wǎng)格接觸電壓分布

      圖6 采用2.5 m網(wǎng)格跨步電壓分布

      3 結 論

      本文介紹了變電站接地網(wǎng)安全評估的一般方法。對接地網(wǎng)及其環(huán)境進行建模,再利用CDEGS軟件計算各安全指標,從而對變電站接地網(wǎng)安全性作出評判,并給出對應建議。

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