电力接地与配电
一、接地
1．前言
接地网作为变电所交直流设备接地及防雷保护接地,对系统的安全运行起着重要的作用。由于接地网作为隐性工程容易被人忽视,往往只注意最后的接地电阻的测量结果。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加,接地不良引起的事故扩大问题屡有发生。因此,接地问题越来越受到重视。变电所地网因其在安全中的重要地位,一次性建设、维护困难等特点在工程建设中受到重视。另外,在设计及施工时也不易控制,这也是工程建设中的难点之一。因此,为保证电力系统的安全运行,如何降低接地工程造价,本文从设计的角度谈谈变电所接地设计中的有关问题。
2．关于接地电阻
2.1 接地电阻
《电力设备接地设计技术规程》(SDJ8—79)中对接地电阻值有具体的规定,一般不大于0.5Ω。在高土壤电阻率地区,当接地装置要求做到规定的接地电阻在技术经济上极不合理时,大接地短路电流系统接地电阻允许达到5Ω,但应采取措施,如防止高电位外引采取的电位隔离措施,验算接触电势,跨步电压等。根据规程规定,主要是以发生接地故障时,接地电位的升高不超过2000V进行控制,其次以接地电阻不大于0.5Ω和5Ω进行要求。因此,人们普遍认为,110kV及以上变电所中,接地电阻值小于0.5Ω即认为合格,大于0.5Ω就是不合格,不管短路电流有多大都不必采取措施。这是不合理的。
2.1.1 接地的实质是控制变电所发生接地短路时,故障点地电位的升高,因为接地主要是为了设备及人身的安全,起作用的是电位而不是电阻,接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数,但不是唯一的参数。
2.1.2 随着电力系统容量的不断增大,一般情况下单相短路电流值较大。在有效接地系统中单相接地时的短路电流一般都超过4kA,而青海地区变电所大部分接地电阻又很难做到0.5Ω。因此,从安全运行的角度出发,不管在什么情况下,都应该验算地网的接触电势和跨步电压,必要时应采取防止高电位外引的隔离措施。
2.2 接地短路电流分析
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)经架空地线—杆塔系统；
(2)经设备接地引下线,地网流入本站内变压器中性点；
(3)经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以,正确地考虑和计算各部分短路电流值,对合理地设计地网有着很大的影响。
2.2.1 架空地线系统的影响
对于有效接地系统110kV以上变电所,线路架空地线都直接与变电站内出线架构相连。当发生接地短路时,很大一部分短路电流经架空地线系统分流,因此,在计算时,应考虑该部分分流作用,发生接地故障时,总的短路电流是一定的,只要增大架空地线的分流电流,就可减小入地短路电流,因此,降低架空地线的阻抗也是安全接地设计重要的一个分支。架空地线采用良导体,正确利用架空地线系统分流,将使地网的设计条件更为有利。
2.2.2 入地短路电流
从上述分析可知,入地短路电流是总的接地短路电流减去架空地线的分流,再减去流经变压器中性点的电流(也就是流经变电器的零序电流)。如此计算,入地短路电流值相对比较小。由于接地电阻允许值R≤2000I,所以接地电阻相应的允许值就比较大,设计也容易满足。另外,对于一个给定的地网,其接地电阻也基本确定:从R≈0.5ρ/S可知,对实际的接地网面积减少有很大影响。
3．关于接地装置的设计问题
3.1 土壤电阻率的测量
工程土壤电阻率的测量是工程接地设计重要的第一手资料,由于受到测量设备、方法等条件的限制,土壤电阻率的测量往往不够准确。我省地处青藏高原东部,地质结构复杂,变电所占地虽然不大,但多为不均匀地质结构。现在的实测,往往只取3～4个测点,过于简单。建议提高测量精度,设计采用《设计手册》中提供的计算平均电阻率的方法,使设计误差值减小。
3.2 接地网布置
根据地网接地电阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中ρ——土壤电阻率(Ω•m),S—接地网面积(m2)R—地网接地电阻(Ω)地网面积一旦确定,其接地电阻也就基本一定,因此,在地网布置设计时,应充分利用变电所的全部可利用面积,如果地网面积不增加,其接地电阻是很难减小的。
3.3 垂直接地极的作用
在110kV变电所中,一般采用水平接地线为主,带有垂直接地极的复合型地网。根据R=0.5ρ/S可知,接地网的接地电阻与垂直接地极的关系不大。理论分析和试验证明,面积为30×30m2—100×100m2的水平地网中附加长2.5m, 40mm的垂直接地极若干,其接地电阻仅下降2.8～8%。但是,垂直接地极对冲击散流作用较好,
因此,在独立避雷针、避雷线、避雷器的引下线处应敷设垂直接地极,以加强集中接地和散泄雷电流。例如,在330kV阿兰变电所的接地设计中,通过计算,接地网的设计全部由水平接地体构成,只在避雷针,避雷器附近敷设少量垂直地极,实际运行证明效果是较好的。
3.4 地网均压网的设计
根据设计规程规定,当包括地网外围4根接地线在内的均压带总根数在18根以下时,宜采用长孔接地网,由于110kV变电所占地面积一般不超过100×100m2,考虑均压线间屏蔽作用,均压线总根数一般为8～12根左右,故根据规程规定,一般采用长孔方式布置,但存在以下几个方面的问题。
3.4.1 方孔地网纵、横向均压带相互交错,因此地网的分流效果优于长孔地网,均压效果比长孔地网好且可靠性高。
3.4.2 长孔地网均压线与主网连接薄弱,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。当某一条均压线断开时,均压带的分流作用明显降低,而方孔地网的均压带纵横交错,当某条均压线断开时,对地网的分流效果影响不大。因此,建议在变电所地网设计时,采用正方孔均压网设计,以提高接地安全性。
3.5 接地网的腐蚀
3.5.1 接地网的腐蚀状况
在我国八十年代及以前变电所的设计中,很少或根本就没有考虑地网的腐蚀问题。由于地网腐蚀引起的安全事故屡有发生,如接地引下线断开使高压运行设备处于无接地状态,地下主网腐蚀断裂使地网分割成几块,发生接地时使二次设备烧坏等。另外,由于地网属隐蔽工程,埋于地下后不易检查、修复等,因此,从设计的角度应加大对地网腐蚀的调查研究,以便有利于系统的安全运行。从330kV花园变、110kV西川变、共和变、红湾变等地网的改造来看,青海地区地网的腐蚀问题比较严重,花园变运行至今才11年左右,而地网接地线的腐蚀率达40%以上;西川变接地线采用 6mm的圆钢,几乎腐蚀断。一般变电所的设计年限按25～30年考虑,但地网的实际安全寿命只有10～15年左右,与变电所的设计年限极不配套。加之,由于系统容量的增加,短路水平的提高,腐蚀后的地网更不能满足安全运行的要求。
3.5.2 接地网的防腐设计
接地网的材料一般为扁钢和圆钢,其腐蚀状态应根据变电所当地的腐蚀参数进行计算。但一般情况下其腐蚀参数很难测定。因此,在工程设计没有实际数据时(参见相关标准)。接地线和接地体年平均最大腐蚀速度(总厚度)土壤电阻率(Ω.m)腐蚀速度(mm/a)扁钢圆钢热镀锌扁钢50～300 0.2～0.1 0.3—0.2 0.065 >300 0.1～0.07 0.2～0.07 0.065在计算时,还应考虑不同敷设部位腐蚀情况不同的影响。采用扁钢接地网的年腐蚀率接地网部位水平接地体设备引下线电缆沟中的接地带年腐蚀率mm/a(总厚度)0.1～0.12 0.2～0.3 0.47。
对于一般变电所地网的设计年限不应小于30年,对于重要枢纽变电站的地网寿命应按50年考虑。这两种情况都不大于规程规定的设计年限,但更接近于实际。关于地网材料的选用问题,常规选用扁钢和圆钢两种,相同截面的扁钢与圆钢与周围土壤介质的接触面不一致,扁钢约为50%左右,但由于其腐蚀机理不完全一致,腐蚀结果基本上一致。这从陕西电网和青海电网地网腐蚀调查中已得到确认,而且规程中也提供了不同的腐蚀数据。因此,关于接地材料选用扁钢还是圆钢没有很大差别。关于防腐的设计问题,一般应考虑在设计年限内,采用热镀锌材料。
3.6 接触电势与跨步电压
接触电势与跨步电压是地网安全性设计的两个重要参数,新规范中指出这两参数不应超过下列数值：
ut=174+0.17ρ+tu0=174+0.7ρ+t
式中：Ut──最大允许接触电势(V)
Uo──最大允许跨步电压(V)
ρ+──人站立处地表面土壤电阻率(Ω•m)
t──接地短路持续时间(s)
从以上可知,新规范中ut、u0比设计规程要求的条件更苛刻,更趋于安全,但给地网的设计带来的困难也更大。对于一个给定的变电所,短路产生的最大接触电势和最大跨步电压也确定。从上式中可以看出,用提高ρ+值来提高ut、u0的允许值也是合理设计地网的一个方面。因此,ρ+是一个比较重要的数据。当变电所的接触电势、跨步电压不满足要求时,设备区可采用做绝缘操作平台,做局部均压网,道路采用砾石、碎石或沥青混凝土等高土壤电阻率路面结构来处理,不宜采用砖、方砖等材料,故地面施工应严格按照设计要求进行。
3.7 地网的敷设
深度规程和新规范中明确指出,接地网的埋设深度宜采用0.6m,《设计手册》中又补充到,在冻土地区宜敷设于冻土层以下,现设计中一般将地网全部埋设于冻土层以下。
3.7.1 地网敷设深度对最大接触系数的影响
最大接触电势是地网设计中的一个重要参数,地网设计的问题之一就是如何降低地网的最大接触电势。地网的接触电势的最大接触系数Kjm与地网的埋深关系为：接地网的埋深由零开始增加时,其接触系数是减少的,但埋深超过一定范围后,Kjm又开始增大。这是因为地网最大接触系数Kjm和埋深h的关系曲线(接地网面积A=40×40m2,接地体直径d=0.01m,网孔个数n=400个)敷设深度的不同,在网孔中心地面上产生的电场强度的变化决定的,引起网孔中心地面与地网之间产生的电位差不同。当埋深增加到一定深度后,电流趋向于地层深处流动,地面上的电流密度越来越小,因而网孔中心地面与地网之间的电位差又开始增大,因此,规程中规定的敷设深度是合理的。
3.7.2 敷设深度对接地电阻的影响
目前所遇到的变电所一般都是处于季节性冻土地区。如按规程规定,将地网敷设在0.6m深度时,冬季将使地网处于冻土层中。由于土壤冻结后其电阻率将增大为原来的3倍以上,对地网接地电阻有一定的影响。目前采用的地网是以水平接地线为主边缘带有垂直接地极的复合型地网,冬季垂直接地极大部分伸于下层非冻结土壤中。此时土壤结构可以等效为两层电阻率不同的土壤结构。有研究表明,对于处于双层土壤介质中的垂直电极,其各部分的散流密度与周围介质的电阻率成反比,除了在电极尖端处,具有ρiJi=常数(其中Ji为处于电阻率为ρi土壤中的电极部分的散流密度)。此时,当电极有一部分进入下层土壤时,整个电极的散流电阻将主要取决于下层土壤。此时地网的接地电阻也将主要取决于地网的非冻结土壤。因此,在季节性冻土地区,采用这种带有垂直接地极的复合型地网是有很大的优点的,如果在冬季由于土壤的冻结,而对接地电阻没有很大的影响时,就没有必要把地网都埋于冻土层以下。将地网埋于冻土层以下,对地网的接地电阻来讲肯定是有利的。如果结合变电所基础的开挖敷设地网还可以,如果冻土深度为2m,如大武变电所等最大冻土深度为2.4m,单纯为地网敷设,将使工程开挖土方量大大增加,施工困难。工程造价也随之上升。规程中还规定,接地电阻应满足一年四季变化的要求,这在实际工程中很难做到,冬季土壤的冻结对接地电阻肯定有影响,但可通过其安全要求的各种因素进行综合比较,合理控制。因此,在工程设计中应合理的确定地网的埋设深度。
3.8 关于降阻剂的使用
近年来,降阻剂在电力系统接地工程中得到了广泛的应用,接地装置的主要作用是对接地故障电流的扩散,起主要作用的是大地的散流性,而不是地网接触的局部的土壤电阻率的降低。而降低阻剂的主要作用是降低与地网接触的局部土壤电阻率,换句话说,是降低地网与土壤的接触电阻,而不是降低地网本身的接地电阻。其次,对于大型地网,由于均压带和垂直接地极的存在,屏蔽作用较大,降阻剂的作用一般很小。从110kV甘河滩变,红湾变等使用效果来看,几乎没有作用。国内湖南、湖北等地的调查结果也大致如此。
4．关于接地引下线
当发生接地短路时,首先通过接地电流的就是设备接地引下线,在我国八十年代的设计中,往往只取引下线的截面为主网截面的一半,这很不合理。
4.1 接地线截面的热稳定校验根据热稳定条件,接地线的最小截面应符合下式要求：
S≥Igt/c
式中：S──接地线的最小截面mm2
Ig──流过接地线的短路电流稳定值
Ac──材料热稳定系数(钢c=70)
t─短路等效持续时间s
对于引下线可按上式校验,对于主网,考虑主网的分流作用,可按上式的0.7倍考虑。关于短路等效持续时间的取值问题,也是近年来引起争论的问题之一。t值取值的合理与否,对材料使用量有较大的影响。目前各类变电所保护配置不同,是否考虑主保护失灵,采用后备保护动作时间,以及主保护拒动与接地短路同时发生的概率等,都是值得探讨的问题。参照有关方面的规定及专题研究,建议对于100kV变电所,取t=1.0s。其次,主网的截面略小些也比较合理,这也是合理设计地网的一种措施。
4.2 接地引下线设计应注意的几个问题
4.2.1 接地引下线应就近入地,并以最短的距离与地中的主网相连。设备引下线不应与电缆沟中的通长扁钢连接,因其敷设于电缆沟内壁表面的混凝土上,不起散流作用。发生短路时,易造成局部电位升高,引起电缆绝缘破坏等。
4.2.2 带有二次回路的电气设备如CT、PT等,为减小接地引下线的阻抗,保证与主网可靠连接,应采用两根截面相同的,每根都能满足热稳定和腐蚀要求的接地线,在不同的部位与主网连接。
4.2.3 加强主控室及弱电系统与地网连接的可靠性。
4.2.4 不得使用钢筋混凝土电杆中的主钢筋作为主要引下线。
5．变电所地网的设计
应结合实际情况进行,在具体工程设计中应重点考虑地网布置,敷设深度,腐蚀及热稳定校验等方面。对合格地网的概念应有全面的认识,接地电阻应按实际的流经地网入地的短路电流计算,降低接地电阻、降低接触电势和跨步电压等都是合格地网要求的主要因素。因此,在保证变电所接地的安全条件下,应综合考虑各种因素,合理地设计接地装置以便于变电所的安全运行和施工,降低工程造价。
二、配电系统
1.TN－C系统
TN－C系统被称之为三相四线系统，该系统中性线N与保护接地PE合二为一，通称PEN线。这种接地系统虽对接地故障灵敏度高，线路经济简单，但它只适合用于三相负荷较平衡的场所。智能化大楼内，单相负荷所占比重较大，难以实现三相负荷平衡，PEN线的不平衡电流加上线路中存在着的由于荧光灯、晶闸管（可控硅）等设备引起的高次谐波电流，在非故障情况下，会在中性线N上叠加，使中性线N电压波动，且电流时大时小极不稳定，造成中性点接地电位不稳定漂移。不但会使设备外壳（与PEN线连接）带电，对人身造成不安全，而且也无法取到一个合适的电位基准点，精密电子设备无法准确可靠运行。因此TN－C接地系统不能作为智能化建筑的接地系统。
2.TN－C－S系统
TN－C－S系统由两个接地系统组成，第一部分是TN－C系统，第二部分是TN－S系统，分界面在N线与PE线的连接点。该系统一般用在建筑物的供电由区域变电所引来的场所，进户之前采用TN－C系统，进户处做重复接地，进户后变成TN－S系统。TN－C系统前面已做分析,TN－S系统的特点是：中性线N与保护接地线PE在进户时共同接地后，不能再有任何电气连接。该系统中，中性线N常会带电，保护接地线PE没有电的来源。PE线连接的设备外壳及金属构件在系统正常运行时,始终不会带电。因此TN－S接地系统明显提高了人及物的安全性。同时只要我们采取接地引线,各自都从接地体一点引出,及选择正确的接地电阻值使电子设备共同获得一个等电位基准点等措施,那么TN－C－S系统可以作为智能型建筑物的一种接地系统。
3.TN－S系统
TN－S是一个三相四线加PE线的接地系统。通常建筑物内设有独立变配电所时进线采用该系统。TN－S系统的特点是，中性线N与保护接地线PE除在变压器中性点共同接地外，两线不再有任何的电气连接。中性线N是带电的，而PE线不带电。该接地系统完全具备安全和可靠的基准电位。只要象TN－C－S接地系统，采取同样的技术措施，TN－S系统可以用作智能建筑物的接地系统。如果计算机等电子设备没有特殊的要求时，一般都采用这种接地系统。
4.TT系统
通常称TT系统为三相四线接地系统。该系统常用于建筑物供电来自公共电网的地方。TT系统的特点是中性线N与保护接地线PE无一点电气连接，即中性点接地与PE线接地是分开的。该系统在正常运行时，不管三相负荷平衡不平衡，在中性线N带电情况下，PE线不会带电。只有单相接地故障时，由于保护接地灵敏度低，故障不能及时切断，设备外壳才可能带电。正常运行时的TT系统类似于TN－S系统，也能获得人与物的安全性和取得合格的基准接地电位。随着大容量的漏电保护器的出现，该系统也会越来越作为智能型建筑物的接地系统。从目前的情况来看，由于公共电网的电源质量不高，难以满足智能化设备的要求，所以TT系统很少被智能化大楼采用。
5.IT系统
IT系统是三相三线式接地系统，该系统变压器中性点不接地或经阻抗接地，无中性线N，只有线电压（380V），无相压压（220V），保护接地线PE各自独立接地。该系统的优点是当一相接地时，不会使外壳带有较大的故障电流，系统可以照常运行。缺点是不能配出中性线N。因此它是不适用于拥有大量单相设备的智能化大楼的。