電力系統(tǒng)接地網(wǎng)檢測與改善技術(shù)研究

高宜凡

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526000)

電力系統(tǒng)接地網(wǎng)檢測與改善技術(shù)研究

高宜凡

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526000)

接地網(wǎng)為變電站內(nèi)電氣設(shè)備提供公共參考地，能在系統(tǒng)接地故障時(shí)快速泄放故障電流，改善變電站地電位分布，因而直接關(guān)系到變電站的正常運(yùn)行，更涉及人身與設(shè)備安全，是維護(hù)電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行、保障工作人員人身安全的重要設(shè)施。現(xiàn)介紹了變電站接地網(wǎng)狀態(tài)評估方法，并總結(jié)了變電站接地網(wǎng)改善技術(shù)，以使接地網(wǎng)處于更好的狀態(tài)。

變電站；接地網(wǎng)；腐蝕性；改善

1 接地基本原理

1.1 接地基本概念

接地，比較直觀的解釋就是接大地。實(shí)際上，接地是一個系統(tǒng)級的概念，接大地已經(jīng)不能清晰地描述系統(tǒng)接地的概念了。為了清楚地表達(dá)接地的概念，可以引用亨利·奧特的定義：“接地是為電流返回其源提供的低阻抗通道。”從工程實(shí)用觀點(diǎn)來看，就是在線路或電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)為故障電流流回電源提供一條低電阻(或低阻抗)路徑。

1.2 接地四要素

電力系統(tǒng)中構(gòu)成接地必須要滿足如下4個條件：被接地體、接地線、接地電極和大地。接地四要素如圖1所示。

圖1 構(gòu)成接地系統(tǒng)的四要素

2 接地網(wǎng)腐蝕性診斷

接地網(wǎng)導(dǎo)體及接地引線的腐蝕甚至斷裂，將使接地網(wǎng)的電氣連接性能變壞、接地電阻增高。若發(fā)生接地短路故障，將造成接地網(wǎng)本身局部電位差和接地網(wǎng)電位異常增加，除給運(yùn)行人員帶來威脅外，還可能因反擊或電纜外皮環(huán)流使二次設(shè)備絕緣遭到破壞，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致二次設(shè)備發(fā)生誤動或拒動而擴(kuò)大事故。接地系統(tǒng)狀態(tài)評估其中一項(xiàng)重要內(nèi)容就是診斷接地網(wǎng)的腐蝕情況，判斷接地系統(tǒng)是否滿足安全運(yùn)行要求，是否需要改造。

2.1 腐蝕率檢查

(1) 直觀法：開挖地網(wǎng)后，用肉眼觀察其腐蝕情況，并進(jìn)行拍照做好記錄。

(2) 量直徑法：現(xiàn)場把樣品取回后，去掉泥土、銹跡，用稀硫酸洗凈，在試驗(yàn)室內(nèi)用卡尺測量腐蝕圓鋼的直徑，取最細(xì)點(diǎn)，判斷其腐蝕程度。

(3) 失重法：本次挖檢采用相對失重法。

1) 相對失重法：從現(xiàn)場找到腐蝕比較嚴(yán)重的地方，把樣品帶回試驗(yàn)室，去掉泥土、銹跡，清洗干凈，在試驗(yàn)室內(nèi)用電子天平測量其重量，算出丟失重量。再按下列公式計(jì)算相對平均腐蝕率：

(1)

式中，v為腐蝕速率(g/mm)；W1為標(biāo)準(zhǔn)重量(g)；W2為樣品實(shí)際重量(g)。

2) 自然失重法：自然失重法是測量金屬腐蝕速率的最經(jīng)典方法，這種方法的具體測量過程是：先把樣品表面擦洗干凈，晾干或烘干，用分析天平稱出其重量，然后將它埋入待測土壤環(huán)境中，經(jīng)過一定的時(shí)間(如4周)后取出，除去表面的銹層，再用稀鹽酸或其他溶液清洗，晾干稱重，最后按下列公式計(jì)算其平均腐蝕速率：

(2)

式中，v為腐蝕速率[g/(cm2·a)]；ΔW為樣品N天內(nèi)失去的重量(g)；A為樣品的表面積(cm2)；N為樣品埋入土壤的天數(shù)。

(4) 在試驗(yàn)室檢測土壤的pH值，找出腐蝕規(guī)律。

2.2 接地網(wǎng)腐蝕情況判定標(biāo)準(zhǔn)

因目前我國尚未制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一般理論，結(jié)合實(shí)際，對接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕率的判定參考以下標(biāo)準(zhǔn)：(1) 腐蝕率<10%，腐蝕程度為一般；(2) 10%≤腐蝕率<15%，腐蝕程度為嚴(yán)重；(3) 15%≤腐蝕率<25%，腐蝕程度為很嚴(yán)重。

3 接地網(wǎng)改善技術(shù)

為了確保設(shè)備運(yùn)行的常態(tài)化，保障工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全，屏蔽干擾源并消除靜電聚集產(chǎn)生的各類安全隱患，接地設(shè)備均應(yīng)有較低電阻。舉例來說，僅就變電站和發(fā)電廠接地設(shè)備而言，相關(guān)法律規(guī)定接地設(shè)備的電阻值不可以超過2 000/IΩ，但對于占用土地面積較小且所處區(qū)域土壤電阻率較高的接地設(shè)備來說，想要設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性均較高的電阻元件是很難做到的。下面筆者簡單介紹一下工程中經(jīng)常被選用的接地電阻降低方式。

3.1 加大接地體尺寸

眾所周知，接地裝置的接地電阻主要由接地體幾何尺寸和土壤電阻率確定，在大范圍內(nèi)靠降低土壤電阻率的方法來降低電阻可行性較低，所以增大接地體的尺寸是行之有效的方法。

根據(jù)靜電場基本理論，可以直接推導(dǎo)出接地體接地電阻的計(jì)算公式，即：

(3)

式中，ε為土壤介電系數(shù)；ρ為土壤電阻率(Ω·m)；C為接地體對無窮遠(yuǎn)處的電容。

從式(3)可知，接地電阻的大小與接地體對無窮遠(yuǎn)處的電容成反比，加大接地體尺寸，能增大其電容，降低接地電阻。

從下面一些典型的接地體接地電阻計(jì)算公式，也很容易看出加大接地體尺寸可以降低接地電阻。

(1) 單根垂直接地體：

(4)

式中，L為接地體的長度(m)；d為接地體的直徑(m)，角鋼d=0.84b(b為角鋼每邊的寬度)，扁鋼d=0.5b(b為扁鋼寬度)。

(2) 水平接地體：

(5)

式中，L為接地體的總長度；h為接地體的埋深；A為形狀系數(shù)。

(3) 接地網(wǎng)：

(6)

式中，L為接地體的總長度，包括水平與垂直接地體；S為接地網(wǎng)的面積。

從上述內(nèi)容中我們可以看出，無論選擇哪種接地設(shè)備，加大接地體尺寸都能夠起到降低接地電阻的功效，但就現(xiàn)實(shí)情況而言，只使用加大接地體尺寸的方式降低接地電阻對簡單的輸電線路(電線桿接地設(shè)備)和接地體而言效果明顯，但對變電站和發(fā)電廠接地網(wǎng)效果并不好，增加接地網(wǎng)尺寸雖然可以降低接地電阻，可是如果變電站、發(fā)電廠等遇到高土壤電阻率土地，其造價(jià)相當(dāng)昂貴，接地成本過高會使建設(shè)變電站的資金不足，甚至個別地區(qū)會因此而無法實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)目標(biāo)，因此在選取該操作方式時(shí)必須先對方案的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性進(jìn)行全面分析，避免上述情況的發(fā)生。

3.2 運(yùn)用降阻劑

大量工程實(shí)踐證明，使用降阻劑是降低接地電阻的有效措施。DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》6.1.3條規(guī)定：在高土壤電阻率地區(qū)，可采取下列降低接地電阻的措施：(1) 當(dāng)發(fā)電廠、變電所2 000 m以內(nèi)有較低電阻率的土壤時(shí)，可敷設(shè)外引接地極；(2) 當(dāng)?shù)叵螺^深處的土壤電阻率較低時(shí)，可采用井式或深鉆式接地極；(3) 填充電阻率較低的物質(zhì)或降阻劑；(4) 敷設(shè)水下接地網(wǎng)。GB50169—92《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》之第2.2.6條則對降阻劑的使用提出了要求。

最近，隨著降阻劑的成功應(yīng)用，其降阻效果已為人們所接受，但是由于降阻劑市場較為混亂，因此，有必要對降阻劑的降阻機(jī)理、性能特點(diǎn)和使用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行認(rèn)真的討論。降阻劑的降阻機(jī)理有以下幾個方面：

3.2.1 增大接地體的有效截面

(1) 半球形接地體：接地體周圍施加降阻劑后擴(kuò)大了接地體的等效體積，對于一個半徑為r的半球形接地體而言，其接地電阻的50%集中在自接地體的面至距球心2r的半球面內(nèi)，如果將r～2r的土壤電阻率降低，就可以使接地電阻大大減小。

(2) 水平接地體：埋深為h的水平接地體(圖2)接地電阻為：

(7)

式中，d1為內(nèi)切于置換截面圓的直徑(m)。

圖2 水平接地體加降阻劑

當(dāng)ρ1?ρ2，式(7)可改寫為：

(8)

(9)

以上討論了半球形接地體、水平接地體加降阻劑后，相當(dāng)于增大了接地體的有效截面，降低了接地電阻。但實(shí)際降阻劑的形式千差萬別，有的降阻劑施加在接地體周圍，確實(shí)相當(dāng)于加大了接地體的有效截面，如某些固體降阻劑、導(dǎo)電水泥、物理降阻劑和膨潤土降阻劑都具有這方面的特點(diǎn)。特別是膨潤土降阻劑，由于加水后體積會膨脹；有效地?cái)U(kuò)大了接地體的有效截面，且長期穩(wěn)定。而有些降阻劑如化學(xué)降阻劑和膠質(zhì)流體降阻劑，施加在接地體周圍，只能改善周圍土壤的電阻率，而且改善后土壤的電阻率是不均勻的，有的會隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化，有的還會隨著雨水的沖刷滲透而流失。特別是位于山區(qū)的風(fēng)化石土壤和沙石土壤，某些化學(xué)降阻劑和流體降阻劑的降阻效果，即改善土壤電阻率的效果，會隨著雨水的沖刷或滲透而變小，降阻作用隨時(shí)間而失效。因此，降阻劑的使用不能僅僅依靠廠家的自我宣傳，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況考慮。

3.2.2 消除接觸電阻

接地體接地電阻主要包括兩大類：其一為接地體周邊大地呈現(xiàn)電阻Rd，其二為接地體和周邊土地接觸的電阻Rj，前述內(nèi)容是就理論計(jì)算中常說的Rd而言的。當(dāng)接地體周邊土地和接地體間接觸不良時(shí)會產(chǎn)生Rj，其大小和接地極周邊土壤的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，通常情況下越細(xì)小和密實(shí)的土地其接觸電阻越小，而當(dāng)接地極表層粗糙時(shí)，其接觸電阻則較大。個別降阻劑是不具備消除接觸電阻這一功能的，據(jù)筆者了解，只有膨潤類、物理和固體類降阻劑才會有此項(xiàng)功能，而化學(xué)降阻劑會因腐蝕作用導(dǎo)致接地極接觸電阻增加。

3.2.3 改善周邊土壤的電阻率

降阻劑主要的降阻原理是滲透改善接地設(shè)備周邊土壤電阻率。大地導(dǎo)電多因金屬離子的濃度而起，其所含的金屬離子越多則導(dǎo)電性越好，而每一種降阻劑的原理都是增加土地中導(dǎo)電離子的濃度，隨著降阻劑不斷滲透和擴(kuò)散，就會改善土壤中導(dǎo)電離子的濃度，從而達(dá)到降低土壤電阻率的效果。

4 結(jié)語

綜合以上分析，本文基本完成了變電站接地網(wǎng)檢測方法和施工技術(shù)分析。總的來說，施工技術(shù)合理，可有效降低變電站接地網(wǎng)阻抗，確保變電設(shè)備可靠運(yùn)行。

2014-11-03

高宜凡(1982—)，男，湖北襄陽人，工程碩士，工程師，研究方向：接地網(wǎng)技術(shù)。