新型多針式垂直接地系統工程應用

孫長海，粘凱昕，馬海峰，王中明，吳　彥

(1. 大連理工大學 電氣工程學院，遼寧大連116024；2. 國網黑龍江省電力有限公司 鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗154101)

新型多針式垂直接地系統工程應用

孫長海1，粘凱昕1，馬海峰2，王中明2，吳彥1

(1. 大連理工大學 電氣工程學院，遼寧大連116024；2. 國網黑龍江省電力有限公司 鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗154101)

摘要：以國家電網公司科技項目“新型多針式垂直接地系統研究及應用”為背景，應用土壤放電理論和尖端放電理論設計多針式垂直接地體；通過沖擊放電試驗驗證多針式垂直接地體結構設計的正確性；最終實現了鶴崗電業局日新110 kV變電所新型多針式垂直接地系統工程應用。該系統接地電阻僅為0.336 Ω，且工程占地面積為25 m2，實現了系統接地電阻小于0.5 Ω和接地系統小型化的工程目標。

關鍵詞：接地；接地系統；多針式垂直接地

中圖分類號:TM862

文獻標識碼:??碼: A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.006

收稿日期：2015-09-24。

基金項目：國家電網公司科技項目(SGHLHGOOYJQT1500874)。

作者簡介：孫長海(1967-)，男，高級工程師，研究方向為高電壓與絕緣技術，E-mail：329454587@qq.com。

Abstract：State Grid Corporation of Power conducts a scientific and technological project “a new multi-needle vertical grounding system research and application” and the current research is one part of it. In this paper, soil discharge theory and multi-point discharge theory are employed to design the multi-needle vertical grounding electrode. And the structural design of the multi-needle vertical grounding electrode is justified by impulse discharge test. This method has been applied to the new multi-needle vertical grounding system of Hegang Power Bureau Ri Xin 110 kV substation ultimately. The system grounding resistance is only 0.336 Ω, and the project covers an area of 25 m2, which achieves the two engineering objectives: less than 0.5Ω of system grounding resistance and grounding system miniaturization.

Keywords：ground; grounding system; multi-needle vertical grounding

0引言

接地是電氣設備最重要的保護手段之一，在設備正常運行或出現故障時用以泄放能量[1]。隨著經濟和社會的快速發展，土地資源日漸匱乏，接地系統小型化成為必然趨勢[2]。

新型多針式垂直接地系統研究及應用是國家電網公司科技項目，其主要研究成果有：在充分研究高壓放電理論的基礎上，提出多針式垂直接地體的設計新理念，實現增大電流泄放速度的目標；運用先進制造工藝、材料設計、爆炸復合等關鍵技術，研發CrNi基Cu合金復合材料，作為垂直接地體材料，解決地網腐蝕難題；在上述研究成果基礎上，實現新型多針式垂直接地系統設計、參數計算、制造及工程應用，最終實現增大電流泄放速度、降低接地電阻、延長接地系統服役壽命和接地系統小型化的工程目標。

1多針式垂直接地體研究

將土壤放電理論和尖端放電理論應用到接地體的設計理念中，設計出多針式垂直接地體，增強土壤局部放電能力，增大接地體等效體積，充分降低接地電阻，實現節省接地體金屬材料的目的。

1.1　土壤放電理論

接地體和土壤緊密接觸，土壤作為能量釋放的終端，其性能直接影響接地的效果[3,4]。土壤放電等效模型如圖1所示，共分4個區域：電弧區、火花區、電解質傳導區和恒定電導區[5~7]。

(1)電弧區

圖1　土壤放電等效模型

該區域緊鄰接地體，電流密度極大且分布不均勻，會在幾個通道內形成劇烈的電弧放電，因此稱作電弧區。

(2)火花區

隨著與接地棒的距離增加，土壤中電流密度逐漸減小且分布趨于均勻，但土壤電場強度仍大于臨界擊穿場強，土壤中局部放電狀態從電弧放電轉化為火花放電。

(3)電解質傳導區

隨著與接地體距離的逐步增加，土壤電場強度低于臨界擊穿場強，不發生擊穿。但相對較強的電場依然會對土壤電阻率產生影響，使該區域土壤具有較強的導電能力。

(4)恒定電導區

該區域和無窮遠處零電位等電勢，場強基本保持恒定，土壤電阻率不受局部放電的影響。

土壤放電等效模型的四個區域為人為定義，實際中并沒有明顯界線。電弧區和火花區電場強度非常大，電壓降可以忽略；電解質傳導區電場強度較大，土壤電導率增大。在電弧區、火花區和電解質傳導區的土壤電阻率相應減小，接地體等效體積增大。因此，增大土壤局部放電區域能顯著改善接地體放電性能。

1.2　尖端放電理論

導體尖端的電荷特別密集，尖端附近的電場特別強，容易發生尖端放電。帶尖端的針狀導體可抽象成一個簡單的尖端等效模型，如圖2所示。針狀導體的尖端等效成小半徑的導體球，針狀導體的非尖端等效成大半徑的導體球，兩導體球通過無限長導線相連接。

當針狀導體施加一定電壓激勵時，可把兩個導體球視為孤立的導體，將無窮遠電勢視為零電位，應用靜電學理論，可得兩個導體球的電勢為：

圖2　尖端等效模型

(1)

式中：φ1、φ2分別為大、小球的電勢；R、r分別為大、小球的半徑；θ1、θ2分別為大、小球面電荷密度；ξ為周圍土壤的介電常數。由于兩球通過導線連接，因此滿足靜電平衡，即φ1=φ2，由此可得：

(2)

大球和小球的面電荷密度與各自的半徑成反比，即在針狀導體尖端處，面電荷密度更大，周圍電場強度更強，容易發生局部火花放電。

1.3　多針式垂直接地體結構設計

將土壤放電理論和尖端放電理論應用到接地體的設計理念中，按照國家標準GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規范[8]，設計針狀放電極和垂直接地體的結構尺寸[9~11]。

(1)針狀放電極

針狀放電極的長度為25 mm，直徑為4 mm，尖端曲率半徑為0.2 mm。針狀放電極結構如圖3所示。

(2)垂直接地體

圖3　針狀放電極結構圖

垂直接地體直徑為25 mm，其上每隔50 mm垂直分布一圈均勻的四支長25 mm、直徑4 mm、尖端曲率0.2 mm的針狀放電極。垂直接地體側視圖和俯視圖如圖4所示。

圖4　多針式垂直接地體結構示意圖

2沖擊放電試驗

通過沖擊放電試驗對比設計的多針式垂直接地體與普通垂直接地體的放電性能，驗證多針式垂直接地體周圍有較強的局部放電產生。

2.1　試驗原理

當幅值較大的沖擊電流流過接地體時，由于接地體周圍土壤發生局部放電，其接地電阻發生變化，此時的接地電阻稱為沖擊接地電阻R，其值為作用于接地體上的電壓峰值與電流峰值的比值，即R=Um/Im。

試驗用60 kV直流高壓電源對0.4 μF的電容充電，通過球隙擊穿模擬沖擊大電流，測量接地體上的電壓和電流信號，計算沖擊接地電阻。圖5為放電試驗原理圖[12]。

圖5　放電實驗原理圖

2.2　試驗過程

通過調整球隙間距，保證電容器的充電電壓為5.5 kV和7.5 kV，用Tektronix P6015A電壓探頭和Tektronix P6021電流探頭測量放電時的電壓和電流信號，計算沖擊接地電阻，完成多針式垂直接地體與普通垂直接地體的放電性能測試。

(1)接地體的制作

多針式垂直接地體與普通垂直接地體均選用黃銅作為材料，其中多針式垂直接地體長度0.5 m，直徑25 mm，其上每隔50 mm垂直分布一圈均勻的四支長25 mm、直徑4 mm、尖端曲率0.2 mm的針狀放電極；普通垂直接地體長度0.5 m，直徑25 mm。

(2)試驗平臺的構建

大連理工大學靜電所樓前的花園土壤分布均勻，將其選作沖擊放電試驗場所。按照國家標準GB/T50065-2011[8]對垂直接地體的埋設要求，將多針式垂直接地體與普通垂直接地體垂直埋入土壤中，兩接地體相距3 m，覆土高度達到0.8 m。

2.3　試驗數據分析

多針式垂直接地體與普通垂直接地體放電波形如圖6、7所示，圖中通道1為作用在接地體上的電壓，通道2為電容器上的電壓，通道3為作用在接地體上的電流。

多針式垂直接地體與普通垂直接地體在5.5 kV和7.5 kV下的沖擊接地電阻R如表1所示。在沖擊高壓作用下，多針式垂直接地體的沖擊接地電阻遠小于普通垂直接地體的沖擊接地電阻，且隨著沖擊電壓的升高，該現象越加明顯，充分證明多針式垂直接地體結構設計的正確性。

圖7　5.5kV普通垂直接地體放電波形

圖6　5.5kV多針式垂直接地體放電波形

表1　沖擊接地電阻值

3新型多針式垂直接地系統工程應用

3.1　方案設計

根據設計的多針式垂直接地體結構，日新變電所現場實際情況和土壤電阻率，以及接地電阻技術指標的要求，確定新型多針式垂直接地系統結構型式[13~15]。

多針式垂直接地體選用由大連理工大學研制的具有良好導電性、抗腐蝕性和抗氧化性的CrNi基Cu合金復合材料(簡稱FH-Cu型)，其單根長度2.5 m，9根兩兩相距2.5 m的多針式垂直接地體并聯組成“田”字型的新型多針式垂直接地系統，相鄰兩根多針式垂直接地體由FH-Cu型復合材料制成的扁線相連接[16,17]。新型多針式垂直接地系統結構如圖8所示。

圖8　新型多針式垂直接地系統結構圖

3.2　工程實施

項目施工地點為黑龍江省鶴崗電業局日新110 kV變電所，該工程占地面積為25 m2。新型多針式垂直接地系統與普通接地系統工程實施過程基本相似，主要分為以下幾步[18,19]。

(1)現場實地勘測，確定新型多針式垂直接地系統敷設位置。

(2)按照接地系統方案，標注9根多針式垂直接地體埋設位置，用直徑0.3m的旋挖鉆機下鉆3.1 m。

(3)將多針式垂直接地體垂直放入孔洞，并灌入2.4 m降阻劑漿液[20]。

(4)挖設0.7 m深的“田”字型坑道，敷設復合水平接地體，并和各根多針式垂直接地體通過熱熔焊技術相連接[21]。

(5)在“田”字型坑道內灌入足量降阻劑漿液。

(6)測量新型多針式垂直接地系統的接地電阻，本項目測量結果為0.336 Ω，滿足系統接地電阻值小于0.5 Ω的要求[8,22]。

(7)逐步回填和夯實土壤。

(8)用電阻率約為5 000 Ω·m的瀝青混凝土進行封頂。

為此完成整個新型多針式垂直接地系統的工程應用。

4結論

本文通過對多針式垂直接地體和沖擊放電試驗的研究，實現鶴崗電業局日新110 kV變電所新型多針式垂直接地系統工程應用，主要研究成果如下：

(1)應用土壤放電理論和尖端放電理論設計出多針式垂直接地體，增強土壤局部放電能力，增大接地體等效體積，充分降低接地電阻。

(2)通過沖擊放電試驗充分驗證多針式垂直接地體結構設計的正確性，隨著沖擊電壓的升高，與普通垂直接地體相比，多針式垂直接地體的沖擊接地電阻顯著降低。

(3)完成日新變電所新型多針式垂直接地系統設計和工程應用，系統接地電阻僅為0.336 Ω，且工程占地面積為25 m2，實現系統接地電阻值小于0.5 Ω和接地系統小型化的工程目標。

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Engineering Application of a New Multi-needle Vertical Grounding System

Sun Changhai1, Nian Kaixin1, Ma Haifeng2, Wang Zhongming2, Wu Yan1(1. School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Hegang Power Supply Company, State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd, Hegang 154101, China)