发变电站良好的接地是电力系统安全运行的根本保证。随着电力系统电压等级的不断提高和系统容量的不断增大,接地故障电流和发变电站接地网的面积也不断增大,生产运行部门对于降低地网接地电阻、接触电压和跨步电压,保障电力系统安全、可靠运行的呼声越来越高。要确保人身和设备的安全,维护电力系统的可靠运行,需要改变仅强调降低接地电阻的传统观念,树立主要考虑地面接触电压和跨步电压所带来的危害这一新概念。
在土壤电阻率较低,接地网面积限制相对宽松的地区,降低接地电阻、接触电压及跨步电压并不是特别困难。但是,许多山区或周边环境比较恶劣的变电站所处位置的土壤电阻率比较大;某些建在城市中的变电站接地系统设计则受到面积限制。如何在这些土壤电阻率高、接地网水平扩张裕度有限的地区,使变电站地网设计能够确保设备及人身安全则是许多人都关心的问题。针对工程实际中的具体问题,把设计思路仅仅局限于水平地网显然是不合适的,将接地系统向纵深方向发展是设计的必然思路。实践也证明,增设垂直接地极对于降低地网接地电阻、接触电压和跨步电压是一种行之有效的方法。
本文的目的是采用数值计算方法系统分析垂直接地极对接地系统电气性能的影响,分析采用从加拿大引进的CDEGS软件包。垂直接地极降低接地电阻的作用以均匀土壤为例,讨论垂直极对于降低地网接地电阻的作用。假设水平地网面积为150m×150m,网格间距取15m,土壤电阻率为200Ω.m,水平导体半径r1=0.011m,垂直极长度L=50m。先分析在已有水平地网基础上增设垂直极,考虑垂直极根数N变化对接地电阻R的影响。
为了减小水平地网对垂直接地极的屏蔽作用,垂直接地极一般布置在水平地网的外围,与外围接地导体相连。其中虚线为垂直极计算半径r2取3.5m时的接地电阻,用于模拟采用爆破接地技术施工的垂直接地极,实线为垂直接地极的半径r2取0.025m时的接地电阻,用于模拟常规尺寸的普通垂直接地极。
垂直极根数变化对地网接地电阻的影响:其它条件不变,接地系统的接地电阻R随垂直极根数N的增加而降低,当布置的垂直接地极根数达到一定数量时,接地电阻R的减小趋于饱和,其主要原因是垂直接地极间距减小后,相互之间屏蔽作用增强的缘故。另外,垂直极显然对水平网散流有抑制作用。即添加垂直极后接地系统总的接地电阻并不是垂直极与水平网的接地电阻的简单并联,而是存在一个屏蔽系数,垂直极的根数越多,屏蔽系数越大。垂直极半径取3.5m时的降阻效果明显比半径取0.025m时要强。
垂直极半径取3.5m是考虑到爆破制裂之后的效果。因此可以看出,采用爆破接地技术对垂直接地极进行施工,增大垂直接地极的半径,能更有效地降低接地系统的接地电阻。垂直极对接触电压和跨步电压的影响。增设垂直极对于降低地表面的最大接触电压和跨步电压也具有较大的影响。水平网同上节讨论的情况相同,垂直极计算半径取0.025m。
增设垂直接地极对于降低接触电压和跨步电压具有非常显著的作用,当垂直极为12根时,接触电压就可降低约40%;当垂直极为32根时,接触电压可降低63.49%。而降低接触电压正是电力系统接地安全设计的主要目标之一。
增设垂直极对于降低接触电压的原因主要有两点:一是垂直极的引入,降低了地电位升(GPR),而接触电压及跨步电压均与GPR有着直接的关系。二是因为增设垂直极后,大部分故障电流通过垂直极流入大地,相应减少了水平导体的散流量,因此地表面的水平方向电流密度大大减少,造成水平方向电场强度大大降低。
例如在垂直极为12根时,水平网流散的电流为25%左右,而垂直极流散的电流大约为75%。而在土壤不均匀,特别是上层土壤电阻率明显大于下层土壤电阻率时,这一趋势更加明显,垂直极中流散的电流可达到总电流的90%。因此在地面上引起的接触电压和跨步电压也会相应有较大幅度的降低。
垂直极对消除季节因素影响的作用一般情况下,多孔含水岩石的电阻率可由以下经验公式[4]求得:ρ=ρ0f-mS-n,(1)式中:ρ0为填充于岩石孔隙中水的电阻率;f为孔隙度(孔隙体积与总体积的比值);S为填充了水的孔隙空间与总孔隙空间的比值;约有30%以上的孔隙空间为水填满时,n值接近于2;m值取决于岩石的固化程度或地质年代,对松散的沉积岩m为1.3左右,对良好固结的古生代沉积岩m为1.95左右。
由上可以看出岩石的电阻率主要取决于它的含水量和水的电阻率。由于土壤的导电具有离子导电性能,因此其电阻率通常是随着温度的降低而增加。与沙混合的粘土含水量15%时,在0℃以上电阻率变化较缓,0℃时电阻率有一突变过程,而温度在0℃以下时电阻率随温度的下降而急剧上升。随着季节的变化,土壤温度与土壤中的水分含量都将有很大的变化,因此在常规地网设计中,考虑到变电站所处的纬度及周边环境不同,对于接地电阻都要乘一季节系数,视水平接地体埋深不同,取值不同。
在水平地网基础上添加长垂直接地体以后,季节变化对于接地电阻的影响明显减小。这主要是因为季节变化影响的土壤范围在地表附近,对于深层几乎没有影响。基于以上考虑,以下面的模拟分析来探讨垂直接地极对于降低季节系数的作用。假设地网面积为150m×150m,网格间距为15m,土壤电阻率ρ2=200Ω.m,水平导体半径r1=0.011m,埋深为0.8m;垂直极长度L=50m,半径r2=0.02m。假设表层由于冬季冰冻作用导致电阻率增加的土壤深度h为1.0m,当其电阻率随季节变化时,接地电阻随季节变化的曲线如图4所示,其中实线是没有垂直接地极时的接地电阻,虚线是增设8根半径为r2=0.025m的垂直极后的接地电阻,点线是增设8根半径r2=3.5m的垂直极后的接地电阻。
没有垂直接地极的接地电阻R1随着上层土壤电阻率的增大而增大。取上层土壤电阻率为50～800Ω.m这一常见范围,仅仅表层1m深土壤的电阻率的变化就可以导致接地电阻从0.55Ω增加到0.8Ω,增幅达45%。而当增设8根深度为50m的垂直接地极以后,如上节讨论结果,由于相当一部分故障电流经由垂直极流入大地,因此,接地系统接地电阻受上层土壤电阻率变化的影响将会显著变小。采用半径为0.025m的钢管,接地电阻在同样的土壤电阻率变化情况下,仅从0.5Ω增大到0.575Ω。尤其是采用爆破接地技术进行垂直接地极的施工后(计算半径取3.5m),接地电阻基本上不受季节变化因素的影响,从而大大提高了接地系统的安全性。
上面讨论的是下层土壤电阻率固定为200Ω.m时的情况,当下层电阻率与上层电阻率的比值不同时,情况会有所不同。一个基本的原则是:上层电阻率变化对于整个接地电阻变化的影响取决于水平网与垂直接地极之间的泄漏电流分配情况。当下层电阻率相对较大,泄漏电流分配比例较小,季节系数就较大;反之,季节系数就较小。
结论：
1)将接地系统向纵深方向发展是提高高土壤电阻率地区及城区地网安全性的重要措施。
2)增加垂直接地极能有效地降低发变电站接地系统的接地电阻,但在有限面积的接地网上布置过多的垂直接地极时,降阻效果将趋于饱和。
3)增设垂直接地极对于降低接触电压和跨步电压具有非常显著的作用,一是垂直极的引入,降低了地电位升(GPR),而接触及跨步电压均与GPR有着直接的关系。二是因为增设垂直极后,大部分故障电流通过垂直极流入大地,相应减少了水平导体的散流量,因此地表面的水平方向电流密度大大减少,造成水平方向电场强度大大降低。
4)垂直接地极能有效减小季节因素对地网安全性能的影响。
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