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1、 UDC： 537 University Code ： 10082 Hebei University of Science and Technology Dissertation for the Master Degree Research on the grounding system in Substation Candidate： Supervisor: Associate Supervisor： Academic Degree Appplied for Speciality： Employer： Date of Oral Examination: Wang wei Prof. Liu
2、Qingrui Zhang Fenglong Master of Engineering Control Engineering College of electrical Engineering 摘 要 接地系统保障了变电站的安全运行，接地短路电流随着电力系统的不断发展和 电网规模的不断扩大而越来越大。电力系统发生故障时，故障电流通过接地系统迅 速地泄入大地，同时将地电位降低到接触电压和人体跨步电压安全值以下，且不会 对二次设备造成反击，以保证人身和设备的安全可靠。因此在变电站生产运行中接 地系统起着至关重要的作用，因而接地问题必须受到充分的重视。 本文结合要解决的接地系统的常见问题，如接地
3、电阻、土壤电阻率、设备接地 等作出了相应的见解，结合现有新型接地材料及接地技术研究了多种降低接地电阻 的方法，并在生产运行中取得了不错的效果。 根据工作中的实践经验，将变电站工程设计与实际应用相结合，具体地分析了 在变电站设计、施工和运行过程中所产生的问题及存在问题的原因，就目前变电站 接地系统现存问题的原因提出自己的见解与设计思路。对变电站接地网进行了设计 及计算；就水下接地网接地电阻和人工改善土壤电阻率的接地电阻阻值做了估算分 析，最后结合某 U 区 110KV 变电站接地网设计及改造的具体实例，因地制宜地做出 了设计及改造方案， 实施后接地电阻、接触电压和跨步电压均达到要求。 关键词变电
4、站；防雷；接地网；接地电阻；电阻率 Abstract Grounding systems and equipment for personal safety is an important guarantee for the safe operation of the substation, with the development of the power system, expanding the power grid, ground fault current is growing. Failure in the power system, grounding system will q
5、uickly spilled into the earth fault current will be reduced to human potential step and touch voltage tolerance value,and not be caused by secondary equipment back in order to ensure personal and safety equipment reliability. So grounding system plays a vital role in the production run substation, p
6、ower system grounding problems and thus must be sufficient attention. FAQ combined to solve the current grounding system, such as grounding resistance of grounding grid, all the pressure, thermal stability, corrosion and other equipment grounding and made corresponding views. The use of long holes a
7、nd ground grid square empty net to make the theoretical grounding comparison with the existing materials and new earth grounding techniques to study the various ways to reduce the grounding resistance,and have achieved good results in the production run. Based on many years of practical experience i
8、n the design, combined with the current substation engineering design and practical application, a detailed analysis of various issues in the course of the substation grounding technology design, construction and operation and reasons arising from the existence of the problem,the current problems ex
9、isting substation grounding system The reason put forward their own ideas and design ideas. The design and calculation for substation grounding network; Is underwater grounding network of grounding resistance and artificial improve soil resistivity estimation analysis has been done for the grounding
10、 resistance value, finally combined with a certain mountain area 110 kv substation ground network design and improvement of the specific instance, adjust measures to local conditions to make the design and retrofit Key words transformer substation； lightning protection； gounding net； Grounding resis
11、tance； resistivity 目录 . I Abstract . II 胃 1 #会者 i 仑 . 1 1.1 本课题研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研宄状况 . 1 1.3 变电站的防雷与接地 . 2 1.4 变电站接地网存在的问题 . 2 1.5 论文章节安排以及相关内容 . 4 第 2 章接地技术的理论与基础知识 . 5 2.1.接地技术的基础概念 . 5 2.2 接地电阻的测量方法以及优缺点 . 5 2.3 土壤电阻率的测量方法以及优缺点 . 6 2.3.1 文纳四极法 . 7 2.3.2 模拟法 . 8 2.4 本章小结 . 10 第 3 章变电站的接地装置 . 11
12、3.1 变电站接地的一般要求 . 11 3.1.1 变电站的接地电阻 . 11 3.1.2 变电站接地网的形式要求 . 11 3.1.3 变电站设备接地要求 . 12 3.2 变电站接地网的设计 . 12 3.2.1 资料收集 . 12 3.2.2 计算设计 . 12 3.3 变电站接地装置的施工 . 14 3.3.1 自然接地体的利用 . 14 3.3.2 人工接地网的施工 . 14 3.4 本章小结 . 15 第 4 章变电站降阻措施 . 17 4.1 降低土壤的电阻率的措施 . 17 4.1.1 利用自然接地体 . 17 4.1.2 增大接地网面积 . 18 4.1.3 增加垂直接地体
13、. 18 4.1.4 人工改善地电阻率 . 18 4.1.5 深埋接地体 . 19 4.1.6 敷设水下接地网 . 19 4.1.7 其他方法 . 19 4.2 水下接地网接地电阻的估算 . 19 4.3 接地电阻的估算 . 22 4.4 人工改善土壤电阻率的接地电阻估算 . 22 4.4.1 人工接地坑 . 22 4.4.2 人工接地沟 . 23 4.5 本章小结 . 24 第 5 章变电站的接地与防雷设计 . 25 5.1 变电站的接地设计 . 25 5.1.1 接地网概述 . 25 5.1.2 改造前变电站接地网详细参数 . 25 5.1.3 接地网设计目的与要求 . 25 5.1.4
14、设计遵循的主要标准 . 26 5.1.5 设计方案 . 26 5.1.6 接地网设计及计算 . 27 5.1.7 接触电压和跨步电压 . 32 5.2 变电站的防雷设计 . 34 5.2.1 变电站过电压及防护分析 . 34 5.2.2 避雷器的配置规划与选择 . 35 5.2.3 变电站避雷针配置规划及保护范围计算 . 36 5.3 本章小结 . 38 会吉 i 仑 . 39 詩文献 . 41 攻读硕士学位期间发表的论文 . 45 至文 i 射 . 47 .49 第 1 章 绪 论 1.1 本课题研究背景及意义 随着电力行业的不断发展，电网的规模也在不断的扩大，电压等级及电网容量 也越来越大
15、，尤其是在国家电网 “ 三集五大 ” 的号召下，特高压超高压线路的建设 也紧锣密鼓的开始了。与此同时，随着我国经济水平的不断提升以及电力系统配电 网技术的不断发展和提高，电力系统网络又开始有了巨大的变化，这种变化主要体 现在超高压以及大容量这一方面。 紧接着，对于电力系统配电网中变电站的入地短路电流来说，也发生着越来越 大的变化，这个电流变化也会伴随着电网的发展趋势逐渐升高，系统配电网中变电 站也会受到这个逐渐升高的电流而影响到变电站的 安全以及稳定。那么对于如今的 电力系统配电网的生产运行安全部门来说，至关重要的是如何通过一定的方法来降 低接地网电阻的阻值、设备接触电压以及地面跨步电压 ,只
16、有这样才能够确保电力系 统配电网保持安全与稳定，但是伴随着电网的不断发展发展，对于这方面的要求也 在逐年提高，所以这个话题还是专家学者中的一个热门话题 2。 与此同时为了要确保人身和设备的安全而且要维护电力系统的可靠运行，必须 仔细的分析地网接地电阻以及设备接触电压和地面跨步电压所带来的危害，并通过 一定的方法离开降低这种危害所带来的影响，因而电力系统 的接地研究问题也成为 了电力系统设计的重中之重。由于电力系统配电网中变电站接地问题是一个相比其 他问题更加繁杂的东西。使问题繁杂化的原因有接地阻值的高低与接地网能否确保 明显的均压效果，与此同时还要确保电气装置的接地是有效的接地，除了这些我们
17、还要保证接地线达到热稳定的条件，接地设备的抗腐蚀性也是影响这一问题不可忽 视的一面。 1.2 国内外研究状况 从国外变电站的接地系统来看，他们的系统基本上都是通过利用抗腐蚀性能较 好的铜导体或者镀锡铜导体才达到抗腐蚀的目的，而这样的做法结果也是相当不错， 正是因为铜材 料的抗腐蚀性强所以在由腐蚀而导致断裂这方面基本上没有出现什么 问题。但是，国外对于接地网故障诊断的研究并不多，所能查到的参考文献也极其 稀少 1。但是随着近年来金属铜的价格上涨，世界上一些国家也通过使用镀锌钢导体 替代金属铜来制造接地材料，通过这样的方法能够使设备的建造成本更低。因为这 种方法较为新颖，在建运行的时间也比较短，暴
18、露出的问题还不怎么明显，因此对 此方面的文献研究较少。 W 同 时 国 内 ， 大 多 数 接 地 网 一 般 选 取 面 积 大 小 为 300ww2 的 扁 钢 或 面 积 大 小 为 100; 2 的圆钢来进行接地网的建设， 将这些建材通过水平铺设摆设成形状为长孔 或者方孔的行状， 同时根据接地网的要求将其深埋距地表距离为 0.6-lw ， 经过摆设 后的装置面积在数值上大小要与变电站的面积在大小上相差趋近于 0,而且要保证两 个 水 平 接 地 的 地 带 间 距 大 小 要 保 持 在 的 范 围 内 。 但 是 对 于 有 些 情 况 来 说 ， 为 了使冲击电流的扩散足够强或者当
19、其中的接地电阻并不能很好的符合施工的标准的 时候，那一般来 说可以在接 地网上装设集 中的垂直接 地极，垂直接 地极一般为 长 度 2.5 米的角钢或者钢管。 1.3 变电站的防雷与接地 对于变电站的避雷技术来说，如何接地是非常重要的。在突然情况下发生的直 击雷，感应雷或其它形式的雷，都必须能够通过接地装置来把这些种类的雷导入大 地，从而能够使得变电站能够保持稳定运行。也就是说，为了能够有效地防雷，接 地装置是一个非常重要的元件，为了达到这个目的，接地装置必须合理有效。对于 避雷这一方面来说，接地装置就是把接闪器和大地相连接的一种装置，但是这种装 置必须能够与大地有着良好的电气连接性 34。
20、通过使用接地装置，能够将雷电对接闪器闪击所产生得到的电荷更加迅速的泄 放到大地，让这些电荷可以与大地的异种电荷相互中和，以防止事故的发生。变电 站的接地网在电力系统中有着很重要的作用，它主要起着连接全站各个部分接地线 的作用。在接地电阻较大的时候，当电力系统发生接地故障或着突然有其他大电流 流入大地的时候，那么将会有可能引起大地电位的突然变化以至于会异常升高。与 此同时，如果原来所设计的接地网的网格有着一定程度的缺陷的话，那么，将会有 可能引起接地系统所处的电位分布不足够均匀，而且如果接地系统所处的局部的电 位超过了相关规定所要求的必须满足的安全值的话，会对运行人员的安全造成一定 的威胁。 同
21、时受到这个方面的影响，有可能会产生反击从而影响到低压或二次设备的使 用寿命，并且电缆绝缘也会因此受到损坏。更加严重的是有可能会使得高电压突然 窜入控制保护系统，那样的话变电站里的监控和保护设备有可能会因此误动和拒动， 从而酿成事故，那么将会对电力系统造成巨大的经济损失，同时也将会有着深远的 社会影响5。所以必须对现行的变电站接地网进行更加深入的研 宄，以防止此类事故 的发生。 1.4 变电站接地网存在的问题 通过对变电站接地网的测试和查阅资料得知，变电站接地网存在的问题主要有 如下几种： 首先，是接地网中有关均压的问题。众多专家以及学者通过测试众多的配电站 接地网电位分布范围，从测出的范围可以
22、得知在网络电压平均分配方面上，尤其在 横向电位分布方面上，电位梯度和跨步电压值大大超过正常范围值这是因为只考 虑了接地电阻作为接地网设计的主要参数，却忽略了电网电压和体积流量的计算。 同时只使用长孔网络而很少使用方孔网也是一个比较重要的原因。由于网络电压的 分配是不均匀的，在电流入地时不仅仅会导致局域电网的电位提高，同时也会因为 反击作用而导致设备脱离工作状态。 其次，是接地装置和接地网之间的连接问题。许多专家学者对现处于运行中的 许多座变电站进行了仔细的调查和研究，从而得出结论：对于这个问题来说，最为 关键的是变电站的内电气设备与接地网之间所存在的的连接问题，与之前所认为的 接地网的各项技术
23、指标并没有很大的关系。同时某些设备的接地引下线与地网焊接 不合格，从焊口处断路也对连接问题造成了 很大的影响。 如果接地网水平接地体的某一个接头处的焊接没有符合要求，那么这个接头将 有可能因为长时间受到腐蚀而导致故障，从而引起形成电气理论上的断路。因为设 备接地引下线的截面比较小，那么如果设备受到长时间的锈蚀，就会有可能从地下 发生锈断。还有一些设备的接地引下线与设备的外壳之间是用螺丝连接在一起的， 那么同样在长时间的锈蚀之后，也会在连接的地方发生生锈的现象从而导致断路 51。 而从短路电流的热稳定性这个角度来说看，接地引下线及接地体的截面偏小也 将会对变电站接地网造成一定的影响。当变电站接地
24、网中的接地体或设备的接地引 下线无法达到短路电流热稳定的标准的时候，如果突然发生了接地短路现象，设备 的接地引下线一般会被烧断，这样的话就会使得设备的外壳上有比较高的过电压产 生，这种情况在有的时候会对低压二次回路造成反击，从而导致事故的扩大 45。还 有一些用户也面临着不同的问题，这些用户的设备的接地引下线截面不满足要求， 于是当这些设备突然间发生接地短路故障时，其中的高电压将会窜入到低压回路中 去，从而会烧坏二次保护以及控制电缆，这样也将会加大事故的严重性 。 接地装置所面临的的腐蚀问题也是一个在变电站接地网中比较常见的问题，对 于变电所接地网来说，接地引下线是最最容易发生腐蚀的部分。一旦
25、接地引下线发 生了腐蚀现象，那么接地线就有可能无法达到接地短路电流所要求的热稳定的标准， 也有可能会形成断路的现象，使设备无法正常接地。与此同时对于电缆沟内的接地 带尤其是各焊接头的地方来说，也是一个比较容易发生腐蚀现象的地方 6。 水平接地体的掩埋深度也对变电站的接地网有着影响。很多地方开挖检验后发 现水平接地体埋深不足 0.3m,而按照标准，必须要在 0.6m 以下。对 于接地电阻来说 , 季节的变化对于电阻值的变化有着一定的影响，主要是因为随着季节的变化，土壤 干湿度也会有着较大的变化，而表层土壤容易干燥，这种变化将会很大的影响接地 电阻，造成接地装置的接地电阻处于一种变化的状态，不趋于
26、稳定。而埋深不足的 水平接地体，会对接地网的均压造成影响，与此同时在发生接地短路的情况下，地 面的跨步电压会是一个比较大的数值，这样的话就有可能会对巡视人员构成一定的 威胁。一般来说居于表层的土壤具有很好的含氧浓度，在这种情况下会更加容易产 生腐蚀的现象，这经常会造成水平接地体的损坏 p。 最后就是接地电阻的超标问题。一般来说很多条件都会影响接地电阻，在山区 变电站这种地方，由于山区的土壤电阻率较高，所以在变电站建成的时候接地电阻 已经超标了。同时因为腐蚀的原因会使接地体的电阻变大，从而使得接地网部分和 主地网处于断开状态。 1.5 论文章节安排以及相关内容 本文分为如下部分： 第一章为绪论部
27、分，主要介绍变电站防雷接地网改造的研宄背景和现实意义， 国内外的研宄状况，变电站的防雷与接地以及接地网的现有问题等。 第二章介绍了接地技术的理论以及相关 的基础知识。 第三章对变电站的接地装置进行了详细的介绍 第四章主要介绍了降低土壤电阻率的措施以及接地电阻的估算 第五章针对山区某 llOkV 变电站的防雷接地系统进行相关的改造、计算以及相 关测试。 最后对文章进行总结，说明了本文改造的优缺点，改进与创新方法，所参考的 书籍等。 第 2 章接地技术的理论与基础知识 2.1.接地技术的基础概念 接地从基本上来说是在用电设备的金属底盘上或者外壳上接上地线，从而达到 防止触电以及能够保护到设备安全的目的，这个方法是通过大地做电流回路接地线 来保证这些设备的安全的。接地能够把一部分无关的电流和噪声干扰导入大地，最 主要的是能够保证使用者的安全。对于接地来说可以分为很多种，一般来说有保护 接地，工作接地，防雷接地，屏