電力接地與配電
一、接地
1．前言
接地網作為變電所交直流設備接地及防雷保護接地,對系統的安全運行起著重要的作用。由于接地網作為隱性工程容易被人忽視,往往只注意最后的接地電阻的測量結果。隨著電力系統電壓等級的升高及容量的增加,接地不良引起的事故擴大問題屢有發生。因此,接地問題越來越受到重視。變電所地網因其在安全中的重要地位,一次性建設、維護困難等特點在工程建設中受到重視。另外,在設計及施工時也不易控制,這也是工程建設中的難點之一。因此,為保證電力系統的安全運行,如何降低接地工程造價,本文從設計的角度談談變電所接地設計中的有關問題。
2．關于接地電阻
2.1 接地電阻
《電力設備接地設計技術規程》(SDJ8—79)中對接地電阻值有具體的規定,一般不大于0.5Ω。在高土壤電阻率地區,當接地裝置要求做到規定的接地電阻在技術經濟上極不合理時,大接地短路電流系統接地電阻允許達到5Ω,但應采取措施,如防止高電位外引采取的電位隔離措施,驗算接觸電勢,跨步電壓等。根據規程規定,主要是以發生接地故障時,接地電位的升高不超過2000V進行控制,其次以接地電阻不大于0.5Ω和5Ω進行要求。因此,人們普遍認為,110kV及以上變電所中,接地電阻值小于0.5Ω即認為合格,大于0.5Ω就是不合格,不管短路電流有多大都不必采取措施。這是不合理的。
2.1.1 接地的實質是控制變電所發生接地短路時,故障點地電位的升高,因為接地主要是為了設備及人身的安全,起作用的是電位而不是電阻,接地電阻是衡量地網合格的一個重要參數,但不是唯一的參數。
2.1.2 隨著電力系統容量的不斷增大,一般情況下單相短路電流值較大。在有效接地系統中單相接地時的短路電流一般都超過4kA,而青海地區變電所大部分接地電阻又很難做到0.5Ω。因此,從安全運行的角度出發,不管在什么情況下,都應該驗算地網的接觸電勢和跨步電壓,必要時應采取防止高電位外引的隔離措施。
2.2 接地短路電流分析
當系統發生接地故障時,產生的接地短路電流經三種途徑流入系統接地中性點。
(1)經架空地線—桿塔系統；
(2)經設備接地引下線,地網流入本站內變壓器中性點；
(3)經地網入地后通過大地流回系統中性點。而對地網接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流。所以,正確地考慮和計算各部分短路電流值,對合理地設計地網有著很大的影響。
2.2.1 架空地線系統的影響
對于有效接地系統110kV以上變電所,線路架空地線都直接與變電站內出線架構相連。當發生接地短路時,很大一部分短路電流經架空地線系統分流,因此,在計算時,應考慮該部分分流作用,發生接地故障時,總的短路電流是一定的,只要增大架空地線的分流電流,就可減小入地短路電流,因此,降低架空地線的阻抗也是安全接地設計重要的一個分支。架空地線采用良導體,正確利用架空地線系統分流,將使地網的設計條件更為有利。
2.2.2 入地短路電流
從上述分析可知,入地短路電流是總的接地短路電流減去架空地線的分流,再減去流經變壓器中性點的電流(也就是流經變電器的零序電流)。如此計算,入地短路電流值相對比較小。由于接地電阻允許值R≤2000I,所以接地電阻相應的允許值就比較大,設計也容易滿足。另外,對于一個給定的地網,其接地電阻也基本確定:從R≈0.5ρ/S可知,對實際的接地網面積減少有很大影響。
3．關于接地裝置的設計問題
3.1 土壤電阻率的測量
工程土壤電阻率的測量是工程接地設計重要的第一手資料,由于受到測量設備、方法等條件的限制,土壤電阻率的測量往往不夠準確。我省地處青藏高原東部,地質結構復雜,變電所占地雖然不大,但多為不均勻地質結構。現在的實測,往往只取3～4個測點,過于簡單。建議提高測量精度,設計采用《設計手冊》中提供的計算平均電阻率的方法,使設計誤差值減小。
3.2 接地網布置
根據地網接地電阻的估算公式:R≈0.5ρ/S式中ρ——土壤電阻率(Ω•m),S—接地網面積(m2)R—地網接地電阻(Ω)地網面積一旦確定,其接地電阻也就基本一定,因此,在地網布置設計時,應充分利用變電所的全部可利用面積,如果地網面積不增加,其接地電阻是很難減小的。
3.3 垂直接地極的作用
在110kV變電所中,一般采用水平接地線為主,帶有垂直接地極的復合型地網。根據R=0.5ρ/S可知,接地網的接地電阻與垂直接地極的關系不大。理論分析和試驗證明,面積為30×30m2—100×100m2的水平地網中附加長2.5m, 40mm的垂直接地極若干,其接地電阻僅下降2.8～8%。但是,垂直接地極對沖擊散流作用較好,
因此,在獨立避雷針、避雷線、避雷器的引下線處應敷設垂直接地極,以加強集中接地和散泄雷電流。例如,在330kV阿蘭變電所的接地設計中,通過計算,接地網的設計全部由水平接地體構成,只在避雷針,避雷器附近敷設少量垂直地極,實際運行證明效果是較好的。
3.4 地網均壓網的設計
根據設計規程規定,當包括地網外圍4根接地線在內的均壓帶總根數在18根以下時,宜采用長孔接地網,由于110kV變電所占地面積一般不超過100×100m2,考慮均壓線間屏蔽作用,均壓線總根數一般為8～12根左右,故根據規程規定,一般采用長孔方式布置,但存在以下幾個方面的問題。
3.4.1 方孔地網縱、橫向均壓帶相互交錯,因此地網的分流效果優于長孔地網,均壓效果比長孔地網好且可靠性高。
3.4.2 長孔地網均壓線與主網連接薄弱,均壓線距離較長,發生接地故障時,沿均壓線電壓降較大,易造成二次控制電纜和設備損壞。當某一條均壓線斷開時,均壓帶的分流作用明顯降低,而方孔地網的均壓帶縱橫交錯,當某條均壓線斷開時,對地網的分流效果影響不大。因此,建議在變電所地網設計時,采用正方孔均壓網設計,以提高接地安全性。
3.5 接地網的腐蝕
3.5.1 接地網的腐蝕狀況
在我國八十年代及以前變電所的設計中,很少或根本就沒有考慮地網的腐蝕問題。由于地網腐蝕引起的安全事故屢有發生,如接地引下線斷開使高壓運行設備處于無接地狀態,地下主網腐蝕斷裂使地網分割成幾塊,發生接地時使二次設備燒壞等。另外,由于地網屬隱蔽工程,埋于地下后不易檢查、修復等,因此,從設計的角度應加大對地網腐蝕的調查研究,以便有利于系統的安全運行。從330kV花園變、110kV西川變、共和變、紅灣變等地網的改造來看,青海地區地網的腐蝕問題比較嚴重,花園變運行至今才11年左右,而地網接地線的腐蝕率達40%以上;西川變接地線采用 6mm的圓鋼,幾乎腐蝕斷。一般變電所的設計年限按25～30年考慮,但地網的實際安全壽命只有10～15年左右,與變電所的設計年限極不配套。加之,由于系統容量的增加,短路水平的提高,腐蝕后的地網更不能滿足安全運行的要求。
3.5.2 接地網的防腐設計
接地網的材料一般為扁鋼和圓鋼,其腐蝕狀態應根據變電所當地的腐蝕參數進行計算。但一般情況下其腐蝕參數很難測定。因此,在工程設計沒有實際數據時(參見相關標準)。接地線和接地體年平均最大腐蝕速度(總厚度)土壤電阻率(Ω.m)腐蝕速度(mm/a)扁鋼圓鋼熱鍍鋅扁鋼50～300 0.2～0.1 0.3—0.2 0.065 >300 0.1～0.07 0.2～0.07 0.065在計算時,還應考慮不同敷設部位腐蝕情況不同的影響。采用扁鋼接地網的年腐蝕率接地網部位水平接地體設備引下線電纜溝中的接地帶年腐蝕率mm/a(總厚度)0.1～0.12 0.2～0.3 0.47。
對于一般變電所地網的設計年限不應小于30年,對于重要樞紐變電站的地網壽命應按50年考慮。這兩種情況都不大于規程規定的設計年限,但更接近于實際。關于地網材料的選用問題,常規選用扁鋼和圓鋼兩種,相同截面的扁鋼與圓鋼與周圍土壤介質的接觸面不一致,扁鋼約為50%左右,但由于其腐蝕機理不完全一致,腐蝕結果基本上一致。這從陜西電網和青海電網地網腐蝕調查中已得到確認,而且規程中也提供了不同的腐蝕數據。因此,關于接地材料選用扁鋼還是圓鋼沒有很大差別。關于防腐的設計問題,一般應考慮在設計年限內,采用熱鍍鋅材料。
3.6 接觸電勢與跨步電壓
接觸電勢與跨步電壓是地網安全性設計的兩個重要參數,新規范中指出這兩參數不應超過下列數值：
ut=174+0.17ρ+tu0=174+0.7ρ+t
式中：Ut──最大允許接觸電勢(V)
Uo──最大允許跨步電壓(V)
ρ+──人站立處地表面土壤電阻率(Ω•m)
t──接地短路持續時間(s)
從以上可知,新規范中ut、u0比設計規程要求的條件更苛刻,更趨于安全,但給地網的設計帶來的困難也更大。對于一個給定的變電所,短路產生的最大接觸電勢和最大跨步電壓也確定。從上式中可以看出,用提高ρ+值來提高ut、u0的允許值也是合理設計地網的一個方面。因此,ρ+是一個比較重要的數據。當變電所的接觸電勢、跨步電壓不滿足要求時,設備區可采用做絕緣操作平臺,做局部均壓網,道路采用礫石、碎石或瀝青混凝土等高土壤電阻率路面結構來處理,不宜采用磚、方磚等材料,故地面施工應嚴格按照設計要求進行。
3.7 地網的敷設
深度規程和新規范中明確指出,接地網的埋設深度宜采用0.6m,《設計手冊》中又補充到,在凍土地區宜敷設于凍土層以下,現設計中一般將地網全部埋設于凍土層以下。
3.7.1 地網敷設深度對最大接觸系數的影響
最大接觸電勢是地網設計中的一個重要參數,地網設計的問題之一就是如何降低地網的最大接觸電勢。地網的接觸電勢的最大接觸系數Kjm與地網的埋深關系為：接地網的埋深由零開始增加時,其接觸系數是減少的,但埋深超過一定范圍后,Kjm又開始增大。這是因為地網最大接觸系數Kjm和埋深h的關系曲線(接地網面積A=40×40m2,接地體直徑d=0.01m,網孔個數n=400個)敷設深度的不同,在網孔中心地面上產生的電場強度的變化決定的,引起網孔中心地面與地網之間產生的電位差不同。當埋深增加到一定深度后,電流趨向于地層深處流動,地面上的電流密度越來越小,因而網孔中心地面與地網之間的電位差又開始增大,因此,規程中規定的敷設深度是合理的。
3.7.2 敷設深度對接地電阻的影響
目前所遇到的變電所一般都是處于季節性凍土地區。如按規程規定,將地網敷設在0.6m深度時,冬季將使地網處于凍土層中。由于土壤凍結后其電阻率將增大為原來的3倍以上,對地網接地電阻有一定的影響。目前采用的地網是以水平接地線為主邊緣帶有垂直接地極的復合型地網,冬季垂直接地極大部分伸于下層非凍結土壤中。此時土壤結構可以等效為兩層電阻率不同的土壤結構。有研究表明,對于處于雙層土壤介質中的垂直電極,其各部分的散流密度與周圍介質的電阻率成反比,除了在電極尖端處,具有ρiJi=常數(其中Ji為處于電阻率為ρi土壤中的電極部分的散流密度)。此時,當電極有一部分進入下層土壤時,整個電極的散流電阻將主要取決于下層土壤。此時地網的接地電阻也將主要取決于地網的非凍結土壤。因此,在季節性凍土地區,采用這種帶有垂直接地極的復合型地網是有很大的優點的,如果在冬季由于土壤的凍結,而對接地電阻沒有很大的影響時,就沒有必要把地網都埋于凍土層以下。將地網埋于凍土層以下,對地網的接地電阻來講肯定是有利的。如果結合變電所基礎的開挖敷設地網還可以,如果凍土深度為2m,如大武變電所等最大凍土深度為2.4m,單純為地網敷設,將使工程開挖土方量大大增加,施工困難。工程造價也隨之上升。規程中還規定,接地電阻應滿足一年四季變化的要求,這在實際工程中很難做到,冬季土壤的凍結對接地電阻肯定有影響,但可通過其安全要求的各種因素進行綜合比較,合理控制。因此,在工程設計中應合理的確定地網的埋設深度。
3.8 關于降阻劑的使用
近年來,降阻劑在電力系統接地工程中得到了廣泛的應用,接地裝置的主要作用是對接地故障電流的擴散,起主要作用的是大地的散流性,而不是地網接觸的局部的土壤電阻率的降低。而降低阻劑的主要作用是降低與地網接觸的局部土壤電阻率,換句話說,是降低地網與土壤的接觸電阻,而不是降低地網本身的接地電阻。其次,對于大型地網,由于均壓帶和垂直接地極的存在,屏蔽作用較大,降阻劑的作用一般很小。從110kV甘河灘變,紅灣變等使用效果來看,幾乎沒有作用。國內湖南、湖北等地的調查結果也大致如此。
4．關于接地引下線
當發生接地短路時,首先通過接地電流的就是設備接地引下線,在我國八十年代的設計中,往往只取引下線的截面為主網截面的一半,這很不合理。
4.1 接地線截面的熱穩定校驗根據熱穩定條件,接地線的最小截面應符合下式要求：
S≥Igt/c
式中：S──接地線的最小截面mm2
Ig──流過接地線的短路電流穩定值
Ac──材料熱穩定系數(鋼c=70)
t─短路等效持續時間s
對于引下線可按上式校驗,對于主網,考慮主網的分流作用,可按上式的0.7倍考慮。關于短路等效持續時間的取值問題,也是近年來引起爭論的問題之一。t值取值的合理與否,對材料使用量有較大的影響。目前各類變電所保護配置不同,是否考慮主保護失靈,采用后備保護動作時間,以及主保護拒動與接地短路同時發生的概率等,都是值得探討的問題。參照有關方面的規定及專題研究,建議對于100kV變電所,取t=1.0s。其次,主網的截面略小些也比較合理,這也是合理設計地網的一種措施。
4.2 接地引下線設計應注意的幾個問題
4.2.1 接地引下線應就近入地,并以最短的距離與地中的主網相連。設備引下線不應與電纜溝中的通長扁鋼連接,因其敷設于電纜溝內壁表面的混凝土上,不起散流作用。發生短路時,易造成局部電位升高,引起電纜絕緣破壞等。
4.2.2 帶有二次回路的電氣設備如CT、PT等,為減小接地引下線的阻抗,保證與主網可靠連接,應采用兩根截面相同的,每根都能滿足熱穩定和腐蝕要求的接地線,在不同的部位與主網連接。
4.2.3 加強主控室及弱電系統與地網連接的可靠性。
4.2.4 不得使用鋼筋混凝土電桿中的主鋼筋作為主要引下線。
5．變電所地網的設計
應結合實際情況進行,在具體工程設計中應重點考慮地網布置,敷設深度,腐蝕及熱穩定校驗等方面。對合格地網的概念應有全面的認識,接地電阻應按實際的流經地網入地的短路電流計算,降低接地電阻、降低接觸電勢和跨步電壓等都是合格地網要求的主要因素。因此,在保證變電所接地的安全條件下,應綜合考慮各種因素,合理地設計接地裝置以便于變電所的安全運行和施工,降低工程造價。
二、配電系統
1.TN－C系統
TN－C系統被稱之為三相四線系統，該系統中性線N與保護接地PE合二為一，通稱PEN線。這種接地系統雖對接地故障靈敏度高，線路經濟簡單，但它只適合用于三相負荷較平衡的場所。智能化大樓內，單相負荷所占比重較大，難以實現三相負荷平衡，PEN線的不平衡電流加上線路中存在著的由于熒光燈、晶閘管（可控硅）等設備引起的高次諧波電流，在非故障情況下，會在中性線N上疊加，使中性線N電壓波動，且電流時大時小極不穩定，造成中性點接地電位不穩定漂移。不但會使設備外殼（與PEN線連接）帶電，對人身造成不安全，而且也無法取到一個合適的電位基準點，精密電子設備無法準確可靠運行。因此TN－C接地系統不能作為智能化建筑的接地系統。
2.TN－C－S系統
TN－C－S系統由兩個接地系統組成，第一部分是TN－C系統，第二部分是TN－S系統，分界面在N線與PE線的連接點。該系統一般用在建筑物的供電由區域變電所引來的場所，進戶之前采用TN－C系統，進戶處做重復接地，進戶后變成TN－S系統。TN－C系統前面已做分析,TN－S系統的特點是：中性線N與保護接地線PE在進戶時共同接地后，不能再有任何電氣連接。該系統中，中性線N常會帶電，保護接地線PE沒有電的來源。PE線連接的設備外殼及金屬構件在系統正常運行時,始終不會帶電。因此TN－S接地系統明顯提高了人及物的安全性。同時只要我們采取接地引線,各自都從接地體一點引出,及選擇正確的接地電阻值使電子設備共同獲得一個等電位基準點等措施,那么TN－C－S系統可以作為智能型建筑物的一種接地系統。
3.TN－S系統
TN－S是一個三相四線加PE線的接地系統。通常建筑物內設有獨立變配電所時進線采用該系統。TN－S系統的特點是，中性線N與保護接地線PE除在變壓器中性點共同接地外，兩線不再有任何的電氣連接。中性線N是帶電的，而PE線不帶電。該接地系統完全具備安全和可靠的基準電位。只要象TN－C－S接地系統，采取同樣的技術措施，TN－S系統可以用作智能建筑物的接地系統。如果計算機等電子設備沒有特殊的要求時，一般都采用這種接地系統。
4.TT系統
通常稱TT系統為三相四線接地系統。該系統常用于建筑物供電來自公共電網的地方。TT系統的特點是中性線N與保護接地線PE無一點電氣連接，即中性點接地與PE線接地是分開的。該系統在正常運行時，不管三相負荷平衡不平衡，在中性線N帶電情況下，PE線不會帶電。只有單相接地故障時，由于保護接地靈敏度低，故障不能及時切斷，設備外殼才可能帶電。正常運行時的TT系統類似于TN－S系統，也能獲得人與物的安全性和取得合格的基準接地電位。隨著大容量的漏電保護器的出現，該系統也會越來越作為智能型建筑物的接地系統。從目前的情況來看，由于公共電網的電源質量不高，難以滿足智能化設備的要求，所以TT系統很少被智能化大樓采用。
5.IT系統
IT系統是三相三線式接地系統，該系統變壓器中性點不接地或經阻抗接地，無中性線N，只有線電壓（380V），無相壓壓（220V），保護接地線PE各自獨立接地。該系統的優點是當一相接地時，不會使外殼帶有較大的故障電流，系統可以照常運行。缺點是不能配出中性線N。因此它是不適用于擁有大量單相設備的智能化大樓的。