变电站接地网优化与改造

2023-02-03

变电站良好的接地系统是电力系统安全运行的根本保证, 它是防雷接地、保护接地和工作接地三者的统一体。变电站接地的主要目的是为了保障系统能够安全可靠运行, 以及保障人身和设备的安全, 接地网的接地电阻与人体或设备不同部位可能遭到的最高电压之间不存在简单的关系, 它们主要与接地网的尺寸、土壤特性和流经接地网的电流有关。在土壤电阻率较低且接地网面积很大的情况下, 虽然接地电阻可能达到较低的数值, 但是若接地装置设计不合理, 在发生接地故障时, 地面上仍可能出现很高的电位梯度, 会给运行人员带来危险。

1 土壤电阻率测量

土壤电阻率是决定接地阻抗的主要因素, 根据土壤类型以及土壤中所含水分的性质和含水量的多少, 土壤电阻率可以在很大范围内变化。传统的接地网分析方法是将实际非均匀的土壤而视为均匀土壤。然而当变电站接地网的占地面积很大时, 由于有很大一部分故障电流会从深层土壤流走, 深层土壤对接地网的接地性能有很大的影响, 是必须考虑的。所以在进行接地网的设计之前, 必须对接地网所在地的土壤结构有个了解。

1.1 测量方法

土壤电阻率的测量有三极法和四极法两种。三极法测量土壤电阻率的最大缺点在于:在所测得的接地电阻R中包括有垂直接地棒和土壤间的接触电阻, 而该接触电阻和接地棒跟土壤接触的紧密程度 (是否晃动) 有很大的关系, 因此用三极法测得的土壤电阻率往往含有很大的误差。为了消除接触电阻的影响可以采用四极法。对于等距四极法, 早在1915年, F.Wenner就提出了土壤电阻率的测量方法 (等距四极法)

在四极法中, 四个电极位于同一水平面上, 对于均匀土壤可运用式1。

在测得I和V23后, 由式2即可求出土壤电阻率ρ为:

1.2 视在电阻率的推导

针对多层水平分层的土壤模型, 一般等距四极法的四个电极都会打在距地表不深的位置, 可以认为是第一层, 其四个电极位于同一水平面。在现场都是用式2求的, 在多层土壤下, 它就是视在电阻率, 视在电阻率的关系式如式3。

1.3 目标函数的建立

测得m个视在电阻率的数值, 应能找到一套土壤结构的参数, 使式4成立。

一般无约束问题算法有两种:第一种是在计算过程中要用到目标函数的导数值, 第二种是仅用到目标函数的函数值而不用计算导数值。求解无约束的最优化问题minf (x) , x∈Rn的最优化方法, 一般有Newton法, 共轭梯度法, 变度量法等。

利用等距四极法方对土壤进行测量, 对不同测量数据用土壤反演程序分层, 得到均匀和非均匀土壤的基本参数。

2 接地网优化设计与改造实例

2.1 实例分析

某供电局一次变电站原地网是164m×184m, 因建设时间较早, 虽然后期不断完善和改造, 但还是不能解决在高土壤电阻率地区, 接地电阻降不下来的实际问题, 原地网有大量的腐蚀现象。由于接地网的缺陷, 曾发生了不少事故, 事故的原因既有接地网接地电阻方面的问题, 又有接地网均压带方面的问题, 随着电网的发展, 特别是变电站内微机保护、综合自动化装置的大量应用, 这些弱电元件对接地网的要求更高, 为了保证变电站内的一次设备、二次设备和微机自控装置的安全运行, 必须重视接地网设计。

2.2 设计与改造方案

综合考虑土壤及原接地网本身大小, 对变电站附近土壤进行全面的测量, 由于受到接地网面积限制, 不能任意扩大, 因而初步设计采用引外接地来降低接地电阻以达到要求。

以下是降低接地电阻的几种基本方法。

2.2.1 扩大变电站接地网的面积。

变电站的接地电阻可用式7来计算。

可以看出, 变电站的接地电阻与接地网面积的平方根成反比, 接地网面积越大, 其接地电阻也就越低。无疑增大变电站接地网的面积是降低其接地电阻的一种行之有效的方法。

2.2.2 引外接地

引外接地是一种将变电站主接地网区域外某一低土壤电阻率区域铺设的辅助接地网相连的方法, 以达到降低整个接地系统接地电阻的目的。

2.2.3 增加接地网的埋设深度

埋设深度指水平接地网埋设到地面的距离。在接地网其它参数不变的情况下增加接地网的埋深会使接地电阻减小, 但其降阻效果不是很明显, 这在高土壤电阻率地区更是如此。

2.2.4 利用自然接地

自然接地包括建筑物的钢筋混凝土的钢骨架, 变电站进水口拦污栅、闸门及引水管等, 对于这些自然接地, 由于它们本身具有较低的接地电阻, 因此在设计变电站接地网时充分考虑利用这些自然接地极与主网相连, 以达到降低接地网接地电阻的目的, 利用自然接地体的降阻效果相当明显, 并且不需要增加投资。

2.2.5 长垂直接地极及接地井

如果接地系统所处土壤存在下层低电阻率层, 则可采用垂直接地极或接地井。接地井是导体尺寸很大的一种垂直接地极。

2.2.6 局部换土

土壤电阻率的高低直接影响接地电阻的大小。对于某些位于高土壤电阻率地区的接地装置, 如果采用其他方法降阻困难, 可以采用局部换土的方法。用土壤电阻率较低的土壤或接地降阻剂来更换接地装置周围的高电阻率土壤, 能获得较低的接地电阻。

2.3 实证操作

在本次变电站接地网的改造中, 应用不等电位模型编写相应的软件, 采用了引外接地技术, 在变电站的两侧向外引三个通道, 利用变电站周围有农田, 同时引外接地网所在的地方土壤电阻率远远低于变电站的土壤电阻率, 这样引外的效果会更好。这主要是考虑变电站地理位置与周边地理环境进行初步设计。

3 结语

随着我国电力事业的迅猛发展, 变电站的容量越来越大, 电压等级越来越高, 接地网面积相应加大, 采用等间距布置的接地网由于散流作用不均匀, 使地表电位梯度增大, 因而研究变电站不等电位模型接地网的优化布置与接地网改造是必要的。采用引外接地网是降低接地阻抗的有效方法之一, 由于变电站面积有限, 在实际工程中, 设计人员一般把辅助接地铺设在土壤电阻率比较低的地区。研究土壤电阻率及引外接地网的参数计算方法, 编写相应的软件, 计算得到一些数据, 与实测数据进行比较, 证明接地网设计的正确性。

摘要：介绍了土壤电阻率测量方法, 利用测量数据进行土壤参数反演。已知变电站接地网原始接地网大小, 利用土壤参数进行接地阻抗计算。以工程实例为例分析降低接地阻抗方法, 并设计改造变电站接地网。

关键词：变电站,接地网,土壤电阻率,优化设计