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垂直接地極對接地系統(tǒng)電氣性能的影響 發(fā)變電站良好的接地是電力系統(tǒng)安全運行的根本保證。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷提高和系統(tǒng)容量的不斷增大,接地故障電流和發(fā)變電站接地網(wǎng)的面積也不斷增大,生產(chǎn)運行部門對于降低地網(wǎng)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓,保障電力系統(tǒng)安全、可靠運行的呼聲越來越高。要確保人身和設備的安全,維護電力系統(tǒng)的可靠運行,需要改變僅強調(diào)降低接地電阻的傳統(tǒng)觀念,樹立主要考慮地面接觸電壓和跨步電壓所帶來的危害這一新概念。 在土壤電阻率較低,接地網(wǎng)面積限制相對寬松的地區(qū),降低接地電阻、接觸電壓及跨步電壓并不是特別困難。但是,許多山區(qū)或周邊環(huán)境比較惡劣的變電站所處位置的土壤電阻率比較大;某些建在城市中的變電站接地系統(tǒng)設計則受到面積限制。如何在這些土壤電阻率高、接地網(wǎng)水平擴張裕度有限的地區(qū),使變電站地網(wǎng)設計能夠確保設備及人身安全則是許多人都關心的問題。針對工程實際中的具體問題,把設計思路僅僅局限于水平地網(wǎng)顯然是不合適的,將接地系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展是設計的必然思路。實踐也證明,增設垂直接地極對于降低地網(wǎng)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓是一種行之有效的方法。 本文的目的是采用數(shù)值計算方法系統(tǒng)分析垂直接地極對接地系統(tǒng)電氣性能的影響,分析采用從加拿大引進的CDEGS軟件包。垂直接地極降低接地電阻的作用以均勻土壤為例,討論垂直極對于降低地網(wǎng)接地電阻的作用。假設水平地網(wǎng)面積為150m150m,網(wǎng)格間距取15m,土壤電阻率為200Ω.m,水平導體半徑r1=0.011m,垂直極長度L=50m。先分析在已有水平地網(wǎng)基礎上增設垂直極,考慮垂直極根數(shù)N變化對接地電阻R的影響。 為了減小水平地網(wǎng)對垂直接地極的屏蔽作用,垂直接地極一般布置在水平地網(wǎng)的外圍,與外圍接地導體相連。其中虛線為垂直極計算半徑r2取3.5m時的接地電阻,用于模擬采用爆破接地技術施工的垂直接地極,實線為垂直接地極的半徑r2取0.025m時的接地電阻,用于模擬常規(guī)尺寸的普通垂直接地極。 垂直極根數(shù)變化對地網(wǎng)接地電阻的影響:其它條件不變,接地系統(tǒng)的接地電阻R隨垂直極根數(shù)N的增加而降低,當布置的垂直接地極根數(shù)達到一定數(shù)量時,接地電阻R的減小趨于飽和,其主要原因是垂直接地極間距減小后,相互之間屏蔽作用增強的緣故。另外,垂直極顯然對水平網(wǎng)散流有抑制作用。即添加垂直極后接地系統(tǒng)總的接地電阻并不是垂直極與水平網(wǎng)的接地電阻的簡單并聯(lián),而是存在一個屏蔽系數(shù),垂直極的根數(shù)越多,屏蔽系數(shù)越大。垂直極半徑取3.5m時的降阻效果明顯比半徑取0.025m時要強。 垂直極半徑取3.5m是考慮到爆破制裂之后的效果。因此可以看出,采用爆破接地技術對垂直接地極進行施工,增大垂直接地極的半徑,能更有效地降低接地系統(tǒng)的接地電阻。垂直極對接觸電壓和跨步電壓的影響。增設垂直極對于降低地表面的最大接觸電壓和跨步電壓也具有較大的影響。水平網(wǎng)同上節(jié)討論的情況相同,垂直極計算半徑取0.025m。 增設垂直接地極對于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用,當垂直極為12根時,接觸電壓就可降低約40%;當垂直極為32根時,接觸電壓可降低63.49%。而降低接觸電壓正是電力系統(tǒng)接地安全設計的主要目標之一。 增設垂直極對于降低接觸電壓的原因主要有兩點:一是垂直極的引入,降低了地電位升(GPR),而接觸電壓及跨步電壓均與GPR有著直接的關系。二是因為增設垂直極后,大部分故障電流通過垂直極流入大地,相應減少了水平導體的散流量,因此地表面的水平方向電流密度大大減少,造成水平方向電場強度大大降低。例如在垂直極為12根時,水平網(wǎng)流散的電流為25%左右,而垂直極流散的電流大約為75%。而在土壤不均勻,特別是上層土壤電阻率明顯大于下層土壤電阻率時,這一趨勢更加明顯,垂直極中流散的電流可達到總電流的90%。因此在地面上引起的接觸電壓和跨步電壓也會相應有較大幅度的降低。 垂直極對消除季節(jié)因素影響的作用一般情況下,多孔含水巖石的電阻率可由以下經(jīng)驗公式[4]求得:ρ=ρ0f-mS-n,(1)式中:ρ0為填充于巖石孔隙中水的電阻率;f為孔隙度(孔隙體積與總體積的比值);S為填充了水的孔隙空間與總孔隙空間的比值;約有30%以上的孔隙空間為水填滿時,n值接近于2;m值取決于巖石的固化程度或地質(zhì)年代,對松散的沉積巖m為1.3左右,對良好固結(jié)的古生代沉積巖m為1.95左右。 由上可以看出巖石的電阻率主要取決于它的含水量和水的電阻率。由于土壤的導電具有離子導電性能,因此其電阻率通常是隨著溫度的降低而增加。與沙混合的粘土含水量15%時,在0℃以上電阻率變化較緩,0℃時電阻率有一突變過程,而溫度在0℃以下時電阻率隨溫度的下降而急劇上升。隨著季節(jié)的變化,土壤溫度與土壤中的水分含量都將有很大的變化,因此在常規(guī)地網(wǎng)設計中,考慮到變電站所處的緯度及周邊環(huán)境不同,對于接地電阻都要乘一季節(jié)系數(shù),視水平接地體埋深不同,取值不同。 在水平地網(wǎng)基礎上添加長垂直接地體以后,季節(jié)變化對于接地電阻的影響明顯減小。這主要是因為季節(jié)變化影響的土壤范圍在地表附近,對于深層幾乎沒有影響。基于以上考慮,以下面的模擬分析來探討垂直接地極對于降低季節(jié)系數(shù)的作用。假設地網(wǎng)面積為150m150m,網(wǎng)格間距為15m,土壤電阻率ρ2=200Ω.m,水平導體半徑r1=0.011m,埋深為0.8m;垂直極長度L=50m,半徑r2=0.02m。假設表層由于冬季冰凍作用導致電阻率增加的土壤深度h為1.0m,當其電阻率隨季節(jié)變化時,接地電阻隨季節(jié)變化的曲線如圖4所示,其中實線是沒有垂直接地極時的接地電阻,虛線是增設8根半徑為r2=0.025m的垂直極后的接地電阻,點線是增設8根半徑r2=3.5m的垂直極后的接地電阻。 沒有垂直接地極的接地電阻R1隨著上層土壤電阻率的增大而增大。取上層土壤電阻率為50～800Ω.m這一常見范圍,僅僅表層1m深土壤的電阻率的變化就可以導致接地電阻從0.55Ω增加到0.8Ω,增幅達45%。而當增設8根深度為50m的垂直接地極以后,如上節(jié)討論結(jié)果,由于相當一部分故障電流經(jīng)由垂直極流入大地,因此,接地系統(tǒng)接地電阻受上層土壤電阻率變化的影響將會顯著變小。采用半徑為0.025m的鋼管,接地電阻在同樣的土壤電阻率變化情況下,僅從0.5Ω增大到0.575Ω。尤其是采用爆破接地技術進行垂直接地極的施工后(計算半徑取3.5m),接地電阻基本上不受季節(jié)變化因素的影響,從而大大提高了接地系統(tǒng)的安全性。 上面討論的是下層土壤電阻率固定為200Ω.m時的情況,當下層電阻率與上層電阻率的比值不同時,情況會有所不同。一個基本的原則是:上層電阻率變化對于整個接地電阻變化的影響取決于水平網(wǎng)與垂直接地極之間的泄漏電流分配情況。當下層電阻率相對較大,泄漏電流分配比例較小,季節(jié)系數(shù)就較大;反之,季節(jié)系數(shù)就較小。 結(jié)論： 1)將接地系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展是提高高土壤電阻率地區(qū)及城區(qū)地網(wǎng)安全性的重要措施。 2)增加垂直接地極能有效地降低發(fā)變電站接地系統(tǒng)的接地電阻,但在有限面積的接地網(wǎng)上布置過多的垂直接地極時,降阻效果將趨于飽和。 3)增設垂直接地極對于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用,一是垂直極的引入,降低了地電位升(GPR),而接觸及跨步電壓均與GPR有著直接的關系。二是因為增設垂直極后,大部分故障電流通過垂直極流入大地,相應減少了水平導體的散流量,因此地表面的水平方向電流密度大大減少,造成水平方向電場強度大大降低。 4)垂直接地極能有效減小季節(jié)因素對地網(wǎng)安全性能的影響。 第 5 頁 共 5 頁