电力系统变电站接地网分析与优化毕业论文(编辑修改稿)

电力系统变电站接地网分析与优化毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

R=U/I，再由 R=ρL/S计算出物质的电阻率为： ρ=RS/L=(U/I)(S/L) （ 21） 物质的电阻率与几何形状无关，而电阻则由其几何形状的大小决定。 物质的电导率为 电阻率的倒数，用表示，单位为西门子 /米，记为 s/m。 ρ的取值 土壤电阻率 ρ是决定接地网的关键参数，选择变电所所址时，要考虑所在地的土质情况，接地网处的土壤分层情况，不能仅取表层土壤的电阻率 ρ，若土壤电阻太大，接地网的接地电阻值满足不了 R≤2020/I 的要求。 定性地说，电流通过接地极向周围大地无穷远出散流时大地土壤所呈现的总电阻，称为接地电阻。 接地电阻的定量定义是：假设在某个电极上流入接地电流 I，而接地极的电位比周围大地无穷远处高出 U 时，则接地极电位 U对接地电流 I 的比值 U/I 称为接地电阻。 这个定 义必须附加下述两个条件： 要使接地电流流向接地极，必须作出闭合回路，当然必须向大地打人另一个接地 极，然后将电源接入两个电极之间即可产生接地电流。 这另外一个电极叫做辅助电极，要设置在离主接地极足够远的地方 (理论上在无穷远处 )。 这样做可以忽略给主电极带来的影响。 接地极的电位上升必须以大地的无穷远点为基准 (零电位 )。 这里所说的无限远点是 指即使有接地电流，电位也不变动的地点，即意味着与通电前的状态没有变化的地点。 将这个地点作为电位的基准点 (零电位 )，因此，可以从电位上升 值及其接 7 地电流求出真正的接地电阻。 关于金属接地极自身的电阻：一般金属，例如纯铜的电阻率为Ωcm，而一般土壤 (无岩石 )的平均电阻率为 ρ=1*104 Ωcm，它是纯铜电阻率的 57 亿倍。 由于金属接地极自身的有效电阻极小，所以计算接地极接地电阻时常常忽略金属接地极自身的电阻。 关于接地极与土壤的接触电阻：金属接地极的表面通常都是很光滑的，而土壤是由微 小的固体颗粒组成的。 两种物体接触实际是 “点 ”接触，而不是 “线 ”或 “面 ”接触，所 以在接触界面处有接触电阻。 一般说来，对同一类型土壤， 打入的垂直接地极 (角钢等 )比 埋入式的水平接地极的接触电阻更小。 但即使是水平埋设的接地极，由于埋设后要对回填土层层夯实，再加上水平导体上面通常有 0. 6~0. 8m 土体的压力，所以也会逐渐接触良好。 就算有一些微小空隙，经雨水后，其空隙也会因土壤膨胀而接触良好，或被地下水填满小空隙，形成良好接触，所以在接地极的接地电阻计算中也忽略接触电阻。 关于接地极周围土壤的电阻：电流在电极周围土壤散流时所引起的土体电阻是很大的，土壤电阻率越高，阻力越大。 这是接地电阻的主要部分。 由此可知，在接地技术中所定义的接地极 的接地电阻，一般都忽略接地极的有效电阻 和接触电阻，实际上就只考虑接地极周围大地土壤的电阻。 接地电阻值的要求 根据电力行业标准 DL/T 621197 规定，接地装置的接地电阻值应满足 R≤2020/I，即 IR 2020V。 由于现在普遍采用微机保护，其对接地电阻值的要求很高，即 R 1ρ，2020V难以满足要求，故有的采取铺设接地铜排等措施来降低接地电阻值，国外有的已要求 IR 650V。 (1)电气装置的下列部分均应接 地 1)变压器、油开关、 35PT、 35CT、所用变、刀构架等金属 底座和外壳。 2)控制保护用二次线等及外壳等可靠接地。 3)控制设备的金属外壳。 4)避雷针 8 (2)电气装置的下列部分可不接地 1)安装在配电屏、控制盘和配电装置上的电气测量仪表、继电器和其它低压电器等的外壳以及发生绝缘损坏时，在支持物上不会引起危险电压的绝缘子的金属底座等。 2)安装在已接地金属构架上的设备，如穿墙套管等。 (3)接地装置宜采用钢材，接地装置的导体截面应符合热稳定和机械强度的要求，但应不小于 表 21 规格。 表 21 钢材安装要求表 种类 规格及单位 地上 地下 室内 室外 交流电 流回路 直流电流回路 园钢 直径（ mm） 6 8 10 12 扁钢 载面（ mm2） 厚度（ mm） 60 3 100 4 100 4 100 6 角钢厚度（ mm） 钢管管壁厚度（ mm） 2 4 6 规范中严格规定电力系统各种接地装置的电阻值，接地网的设计就是以此为目标值。 了解接地网电阻构成，在设计中可以在主要影响接地网电阻的环节采取相应的措施，以降低接地网的电阻值。 接地网的电阻由以下几个部分构成： 1)接地引线电阻，是指由接地体至设备接地母 线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。 2)接地体本身的电阻，其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。 3)接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值怀土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。 4)从接地体开始向远处（ 20 米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。 决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。 接地电阻虽由四部分构成，但前两项所占接地电阻值的比例甚微，起决定作用的是接触电阻及散流电阻。 故从接地网的接地体 9 的量佳埋设深度和不等长接地体技术，两面 三个方面来论述降低接触电阻和散流电阻 的措施。 5)垂直接地体的量佳埋置深度，是指能使用权散流电阻尽可能达到的埋置深度。 决定垂直接地体的量佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网，是指垂直接地体的埋置深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网（即埋置深度与等值半径之比大于 1/10）。 在可能的范围内埋置深度应尽可能取最大值，但并不是埋置深度L越深越佳。 6)接地体的通常设计，是用多根垂直接地体打入地中，并以水平接地体并联组成接地体组，由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入 名单一接地体时，将受到相互的限制而妨碍电流的流散，即等于增加名单一接地体的电阻，这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用，如图一所示：由于屏蔽作用，接地体的流散电阻，并不等于名单一接地体流散电阻的并联值。 从理论上说，距离接地体 20 米处为电气上的 “地 ”，故极间距离为 40 米时，可以认为其利用系数 η为 L。 在接地网的接地体的布置上，是很难做到两单一接地体之间距离为 40 米，为解决在设计中与理论分析中的矛盾，采取不等长接地体的体系结构，即各垂直接地体的埋置深度各不相等，便可达到良好的效果。 不等长接地体技术，从理论上到实践 应用中，都较好的解决了多个单一接地体间的屏蔽作用。 直接计算法 接地电阻的大小等于接地极的点位升高与通过接地极流入地中的电流的比值，它与土 壤特性以及接地极的几何尺寸等因素有关。 接地极的接地电阻可以通过电流场的求解得 到，电气设备大多在工频电源下进行，由求解恒定电流场计算得到的接地电阻，在工频下 仍然适用。 下面以半球形接地极为例进行讨论。 设金属半球的半径为 r0 ，经它向地中流散的电流为 I，假定大地是电阻率为ρ(Ωm)的均匀半无限大介质。 在距球心 O 的距离为 r ( r r0 )处 的电流密度为： J= ｚπrI2 (22） 10 电场强度为： ｚπρρ rIJE 2 （ 23） 以无穷远处为零电位参考点，则 r处的电位为： ｚπρｚπρ rIdrU rr 2r2 I   （ 24） 则接地极上的电位为： 00 2 rIU πρ （ 25） 式中，当 r=10r0 时，将有 R=。 可见离开接地极距离为接地极尺寸 10 倍以内的土壤电阻 R’占接地极接地电阻的 90%，所以该部分土壤的特性对接地极接地电阻具有很大的影响。 一个由多根水平导体组成的接地网可以近似地当作一块孤立的金属平板，它的电容主 要由面积大小决定。 如果在平板上装有较短的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几 何尺寸，电容增加不多，接地电阻减小亦不多。 经大量的研究和分析，只有垂直接地极长 度可以和地网等值 半径相比拟时，接地电阻才有明显的减小，例如在均匀土壤中，半径为 r 的金属圆盘在地表面时的接地电阻为 rR 4ρ (26) 若在圆盘内密密麻麻打入无数根长短不同的垂直接地极，使之构成为半径为 r 的半球 形接地极，其接地电阻如式，在比较圆盘和半球接地极的接地电阻计算式可以发现，在同 样的土壤中，相同半径的圆盘和半球形接地电阻相比，半球形接地极只比圆盘接地极减 小了 %。 这个例子说明，众多的垂直接地极因相互屏蔽没有起到应有的散流作用，而白白地浪费掉了。 变电站地网的接地电阻 为了均衡变电站地面的电位分布，降低接触电位差和跨步电压以及便于设备和构架的就近接地，变电站的接地极必须做成由水平导体组成的网状结构，即地网。 地网深埋 h 一般在 ，面积一般为变电站的占地面积。 设变电站的占地面积为 A，当该面积埋一块面积为 A 的金属板时，其接地电 11 阻 1R 可达最小值；若该面积的金属板更换成与金属板外轮廓相 同的水平接地导体时，其接地电阻 2R 将达最大值。 如果把变电站的占地面积用一等值的面积近似取代，则地网接地电阻的最小值 1R 和最大值 c可分别用圆盘电极和圆环电极的接地电阻计算公式估算，即 :   bhbR πρ 4141 (27)   hdnlR ιιπρ (28) 式中Ab， A2ι 到实际地网不是金属板而引入的修正项。 它比前一项要小得多。 1R =，最大值 2R =。 也就是说，即使我们把地网内全部铺满钢材，接地电阻也仅降低了 41%。 这是由于内部导体被四周的轮廓所屏蔽，电流绝大部分由四周的轮廓流出 的缘故。 可见，在地网内铺设很多钢材，对降低接地电阻的效果是不大的。 由于1R ， 2R 相差不大，在估算实际地网接地电阻时，可以在 1R 的基础上加修正项 R 的方法略去埋深 h 的影响，简化为 LARARbR   (29) 也就是说，当 ρ=100Ωm 时，为得到时 的接地电阻，地网的面积不能小于 100100m2 跨步电位差与跨步电压 跨步电位差：接地短路电流流过接地装置时，地面上水平距离为 的两点间的电 位差，称为跨步电位差 Ekb。 接地网外的地面上水平距离为 处对接地网边缘接地极的电位差，称为最大跨步电位差 kbmE。 人的两脚接触该点时所承受的电压叫做跨步电压 kbU。 若人的两脚离半球中心的距离分别为 rc 和 rD ，则跨步电压为   DcKB rrIU 112 (210) 12 由此可得跨步电压为： bkb RIU 20  (211) 显然，当接触电位差或跨步电位差超过某一安全数值时就会使人遭受触电事故。 在接地安全计算中，最重视的是最大接触电位差 Ejcm 和最大跨步电位差 Ekbm 出现的位置。 由于不同形状和不同埋深的接地极会有不同形状的地面分布曲线，因此。 最大接触电位差 Ejcm和最大跨步电位差 Ekbm 出现的位置与接地极的形式、尺寸以及埋深等因素有关，但可以肯定的是离接地极越近，其接触电位差和电势就越大。 因此，最大接触电位差 Ejcm 和最大跨步电位差 Ekbm 一般都在接地极的附近。 对于给定的接地极，其直流接地电阻或工频 接地电阻 R 总是一个给定的值 (当土壤电阻率给定时 )，因此，最大接触电位差 Ejcm 和最大跨步电位差 Ekbm 的大小将随流入接地极的电流 I 或接地极的地电位 U=IR 变化而变化。 但 Ejcm 和 Ekbm 总是小于接地极的地电位 U。 13 3 变电站接地网设计 概述 变电站接地的主要目的是为了保障系统能够安全可靠运行，以及保障人身和设备的 安全，随着电力系统电压等级和不断提高和系统容量的不断增大，接地故障电流和发变电 站接地网的面积也不断增大，要确保为身和设备安全，维护电力系统的可靠运行，需要改 变 仅强调降低接地电阻的传统观念，树立主要考虑地面电位梯度分布所带来的危害这一新 概念。 实际上，整个接地网的接地电阻与人体或设备不同部位可能遭到的最高电压之间 不存在简单的关系，它们主要与接地网结构尺寸、土壤特性和流经接地网的电流相关。 在 土壤电阻率较低且接地网面积很大的情况下，虽然接地电阻可能达到较低的数值，但是若 接地装置设计不合理，在发生接地故障。