kV安徽惠黎变电站接地方案书 本文关键词：变电站，安徽，接地，方案，kV
kV安徽惠黎变电站接地方案书 本文简介：220kV安徽惠黎变电站一次接地系统设计计算书XXXXXXX公司１1概述变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施，其最重要的功能就是将故障电流安全地引入地下，限制地电位上升，控制地表电位梯度以限制跨步电位差和接触电位差在安全值内。在现有的设计方案中，
kV安徽惠黎变电站接地方案书 本文内容：
220kV安徽惠黎变电站
一次接地系统设计计算书
XXXXXXX公司
１
1
概
述
变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施，其最重要的功能就是将故障电流安全地引入地下，限制地电位上升，控制地表电位梯度以限制跨步电位差和接触电位差在安全值内。
在现有的设计方案中，安徽惠黎220kV变电站（以下简称惠黎站）接地系统拟采用镀铜材料。作为国家电网公司基建推广新技术，铜覆钢（电镀镀铜材料包含在该类产品中）材料目前开始积极应用于国内工程。
本项目一次接地系统设计、分析及计算如下：
2
惠黎站站址水文地质条件（岩勘报告无，相关资料缺乏）
2.1
地质条件
2.2
水文条件
2.2.1
地下水腐蚀性评价
一、地下水对混凝土结构的腐蚀性判定
1、根据环境类型判别
根据（GB50021-2001）(2009年版)规范附录G，工程场地的环境类型属于Ⅱ类，根据水中硫酸盐SO42-、镁盐Mg2+含量，按（GB50021-2001）表12.2.1判定。表中数值按干湿交替考虑，地下水对混凝土结构的腐蚀性判定结果列于表2.2-1中。
表2.2-1
根据环境类型判定地下水对混凝土结构的腐蚀性
腐蚀
等级
腐蚀介质
GB50021-2001
规范指标
试验
指标值
（mg/L）
本项判定结果
干湿交替
按干湿交替考虑
微
硫酸盐
含量
SO42-
（mg/L）
＜300
弱
300～1500
中
1500～3000
强
＞3000
微
镁盐
含量
Mg2+
（mg/L）
＜2000
弱
2000～3000
中
3000～4000
强
＞4000
2、根据地层渗透性判别
拟建站址场地地下水为弱透水层中的地下水，根据地下水的pH值，按照（GB50021-2001）（2009年版）规范表12.2.2，判定地下水对混凝土结构的腐蚀性的结果列于表2.2-2中。
表2.2-2
根据地层渗透性判定地下水对混凝土结构的腐蚀性
腐蚀
等级
pH值
试验指标值
(pH值)
判定结果
GB50021-2001
规范值
微
＞5.0
弱
5.0～4.0
中
4.0～3.5
强
＜3.5
二、地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀性判定
根据水中氯盐Cl-含量，按（GB50021-2001）（2009年版）表12.2.4，判定地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀性，判别结果列于表2.2-3。
表
2.2-3
根据水中Cl-含量判定地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀性
腐蚀
等级
腐蚀
介质
（GB50021-2001）规范指标
试验
指标值
（mg/L）
本项判定结果
干湿交替
按干湿交替考虑
微
氯盐
含量
Cl-（mg/L）
＜100
弱
100～500
中
500～5000
强
＞5000
根据上述水质腐蚀性判定结果，拟建场地的地下水对混凝土结构具弱腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性。
3
入地故障电流计算
3.1
惠黎站规模
惠黎站建设规模规划如下：
3.2
入地故障电流及持续时间
3.2.1
入地故障电流的计算
入地故障电流是分析接地系统安全指标的基础。电力系统发生短路故障时，只有一部分短路电流经接地网流入大地，其余部分经变压器中性点、与地网相连的架空地线、电力电缆的屏蔽层流回系统。
入地故障电流为：
(3-1)
式中：
Sf
——分流系数，需要根据系统的结构计算得到；
Cp——考虑到系统将来的发展的规划系数，惠黎站的短路电流已给出，暂按常规取1；
Df——衰减系数，与故障时延有关；
If——接地故障对称电流，kA。
下表提供了对于不同的故障时延和X/R比值的衰减系数典型值。
表3-1
典型的衰减系数值
故障时延tf(s)
50Hz对应的周期
衰减系数
X/R
=10
X/R
=20
X/R
=30
X/R
=40
0.05
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.75
1.00
2.5
5
10
15
20
25
37.5
50
1.2685
1.1479
1.0766
1.0517
1.0390
1.0313
1.0210
1.0158
1.4172
1.2685
1.1479
1.1010
1.0766
1.0618
1.0416
1.0313
1.4965
1.3555
1.2125
1.1479
1.1130
1.0913
1.0618
1.0467
1.5445
1.4172
1.2685
1.1919
1.1479
1.1201
1.0816
1.0618
综合变电站实际情况，Df取1.2在大多数情况下已有足够裕度，因此取1.2。
变电站内、外发生接地短路时，经接地网入地的电流可分别按下二式计算：
（3-2）
(3-3）
式中：
Imax——发电厂和变电站内发生接地短路时的最大接地短路电流，kA；
In
——发电厂和变电站内发生接地短路时流经其设备中性点的电流，kA；
Sf1、Sf2——分别为厂站内、外发生接地短路时的分流系数。
经计算，并结合《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第14.1.1.3条的要求：“在新建工程设计中，校验接地引下线热稳定所用电流应不小于远期可能出现的最大值，有条件地区可按照断路器额定开断电流考核”，远景惠黎站站内最大入地故障电流按29.53kA考虑。
3.2.2
入地故障电流的持续时间
根据规范要求，变电站的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，t可按式（3-4）取值。
(3-4）
式中：tm——主保护动作时间，s；
tf——断路器失灵保护动作时间，s；
to——断路器开断时间，s。
根据本站设备容量配置，综合考虑远期扩建需求，经计算，接地设计中故障电流持续时间按0.4s考虑。
3.3热稳定校验
按GB50065-2011《交流电气装置的接地》，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求：
式中：Sg——接地线的最小截面，mm2；
Ig——流过接地线的短路电流稳定值，
A；
te——短路的等效持续时间，s；
c——接地线材料的热稳定系数，钢取70，镀铜圆钢钢取128，铜取210。
注：关于热稳定系数C的取值，技术说明如下：
材料的C值取决于材料的导电率和最大允许温度。铜覆钢材料随着铜层的腐蚀导电率有所下降，材料的C值也相应减小，但随着系统规模及传输功率的增加，变电站短路电流水平却会增加。因此，结合近远期，确定合理的C值成为铜覆钢材料截面选择中的重要问题。
1）IEEE规定的C值
IEEE
std80-2000列出了多种材料的热稳定系数值，其中镀铜钢材料（新国标GB50065-2011中定义为铜覆钢材料，以下统一为铜覆钢）的最大允许温度为1084℃，其热稳定系数参照值为135
mm2/(A·s1/2)；钢的最大允许温度1510℃，其热稳定系数参照值为123
mm2/(A·s1/2)。
经计算，C值如下表所示：
表3.3-1
IEEE规定的铜覆钢C值
材料
材料导电率（%）
Tm（℃）
(
mm2/A·s1/2)
铜镀钢绞线
40
1084
10.45
189
铜镀钢绞线
30
1084
12.06
164
铜镀圆钢
20
1084
14.64
135
镀锌钢
8.6
419
28.96
68
2）国标要求的C值
GB
50065-2011充分考虑到我国土壤类型的多样性和腐蚀成因的复杂性，为保证铜覆钢材料的适用性，采取设计冗余量前置的方式，通过降低导体最大允许温度，减小热稳定系数取值，为导体截面积计算留出安全有效的设计冗余量，并最终确定了700℃、800℃、900℃的分档对应要求，如表3.3-2所示。对照表3.3-1和表3.3-2可见：GB50065-2011规定的C值与IEEE相比已留有一定的裕度。
表3.3-2
GB
50065-2011规定的铜覆钢C值
最大允许温度℃
导电率40%
铜镀钢绞线
导电率30%
铜镀钢绞线
导电率20%
铜镀钢棒
700
167
144
119
800
173
150
124
900
179
155
128
3）
设计取值
综合考虑惠黎站土壤地质条件情况及地下水对金属导体的腐蚀情况，建议按照GB50065-2011的列表取值，即导电率20%铜镀圆钢的C值取128
。
3.4土壤腐蚀性及镀铜层厚度要求
3.4.1
按GB50065-2011《交流电气装置的接地》，接地装置的防腐蚀设计，应符合下列要求：
（1）计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程的设计使用年限相当；
（2）接地装置的防腐蚀设计，宜按当地的腐蚀数据进行；
（3）在腐蚀严重地区，敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或地面上的接地线宜采用热镀锌，对埋入地下的接地体宜采取适合当地条件的防腐蚀措施。接地线与接地极或接地极之间的焊接点，应涂防腐材料。
根据我国在20世纪50－60年代提出“以钢代铜，以铝代铜”的技术原则，与其他地区相同，西北电网系统330kV变电站接地网同样采用镀锌扁钢，因运行日久，产生不同严重程度的锈蚀，随着电网规模快速扩大，短路电流不断升高，原有接地网逐渐不满足运行要求，特别是在雷电或变电站近区短路电流的冲击下，电位抬升对二次系统干扰严重，影响电网的安全可靠运行。
西北地区某站镀锌扁钢地网腐蚀图
根据场站所处区域，综合考虑变电站不低于40年使用寿命因素，因此有必要考虑金属在土壤中的腐蚀问题。
3.4.2镀铜层厚度的选择
GB
50065-2011第4.3.6条规定：计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程的设计使用年限相当。本项目变电站接地装置的设计使用年限暂按40年考虑。因此，需根据防腐蚀要求，确定铜覆钢的铜层厚度。
（1）相关标准及规定要求的镀铜层厚度
GB
50065-2011第4.3.4条规定：铜层厚度不应小于0.25mm。
（2）根据土壤条件确定的镀铜层厚度
如6.1节所述，参考国内外研究成果，结合黄河站站址水文地质条件，铜层腐蚀率可取为0.002mm/a。按国标要求的最小镀铜层厚度0.25mm校验，即经过40年的全寿命使用期腐蚀，镀铜层厚度剩余量为：0.25－0.002*40
=
0.13mm，满足使用要求。
3.5接地体截面选择
接地导体应具有良好的防腐能力并能重复通过大的故障电流，接地系统的寿命应不小于地面主要设备的寿命。一般至少要求30年以上使用寿命，惠黎变电站接地系统的使用寿命按40年考虑。
电气设备接地线的截面，应按接地短路电流进行热稳定校验。钢接地线的短时温度不应超过400℃，铜接地线不应超过450℃。根据热稳定条件，在没有考虑腐蚀时，接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。
接地材料采用镀铜圆钢，其接地引下线的最小截面为：
其中：Ig取值29.53
KA
te取值0.4s
C
取值128
计算可知，引下线最小截面积为145.91mm2，计及40年全寿命周期的腐蚀损耗，选直径16、截面积201mm2镀铜圆钢。
由于接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的75%。因此，主地网水平接地体的最小截面为：
S
=145.91mm2×0.75=109.43mm2
主地网水平接地体选直径13.2、截面积136.84mm2镀铜圆钢。
3.6接地体连接方式
变电站的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。
（1）传统的钢接地体连接
钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。
并且焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，
（2）铜接地体连接
铜接地体主要有以下两种种连接方式：
方式一：铜银焊接法
扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸铜绞线与裸铜绞线之间的连接都可以使用铜银焊连接法，常用的铜银焊接有乙炔焊、电弧焊等，但焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，特别是铜焊，即使是持有特殊工种上岗证，也比较容易出现一些焊接缺陷，无法从表面观察合格与否。使用铜焊时，尤其是大截面导体的铜焊，对于现场的操作和施工环境有比较高的要求，但是电力工程接地系统都是在野外，施工环境恶劣，无法满足铜焊所需的焊接环境。基于以上原因，铜银焊连接法在电力工程接地系统实际施工中很少应用。
方式二：放热焊接法
放热焊接利用活性较强的铝把氧化铜还原，整个过程需时很短（仅数秒），反应所产生的热量足以使被焊接的导线端部融化形成永久性的分子合成。铜基放热反应的公式是：
3Cu2O+2Al→Al2O3+6Cu+热量
（2-4）
放热焊接接头的特性：外形美观一致；连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛和腐蚀；具有较大的散热面积，通电流能力与原导体相同；接头电阻低，能承受故障大电流冲击，不至熔断。
放热焊接可以完成各种导线间不同方式的连接，如直通型、丁字型、十字型等；还可以完成不同材质导线的连接。这种焊接方式操作简单、焊接速度快，而且接头的耐腐蚀性好、电阻低、连接可靠，在国际上获得了大规模的应用。
放热焊接的优点：焊接方法简单，容易掌握；无需外接电源或热源；供焊接用的材料、工具很轻、搬动方便；焊接速度快捷，节省人工；从焊接头的外观上便能鉴定焊接的质量；可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢，包括不锈钢及高阻加热热源材料。因此，在国外放热焊接已通过UL标准严格论证，并被IEEE
Std80大纲等规程中指定为接地导体的连接方式。
4方案描述说明及计算：
综合考虑地网的使用年限、地网材料、接地电阻、地质情况、湿度温度等自然因素的影响
1、
变电站主地网使用直径13.2、截面积136.84mm2镀铜圆钢制成5米*5米的均压网格地网；接地网的外缘闭合，埋设深度为0.8m。主地网外缘闭环水平导线敷设GEM25长效物理性柔性模块，以增强降阻效果。
2、在水平地网外缘闭合环上按8m的水平间隔设置36组单组深度为6.1m的镀铜钢棒垂直地极，每组垂直接地极由5根ф14.2mm，L=1.22m的镀铜钢棒棒组成，整个外缘闭合环垂直接地系统使用镀铜钢棒180根；垂直地极与水平地网采用放热焊接连接；
3、水平网内部分，根据设备设施的具体布置位置另设置了24组深度3.24m（水平地网导线0.8m埋深+2*1.22m棒深）的接地泄流垂直地极，共计使用镀铜钢棒垂直地极48根。
4、设计资料不全，暂时按这个方案计算。
采用水平复合主地网方案的相关计算如下：
1
水平均压环接地电阻：
（依据GB50065-2011）
其中：ρ
——
土壤电阻率500Ω.m
A
——
接地网面积
81×68＝5508m2
Rs
≈
3.369
Ω
均压网外缘闭合环敷设GEM25柔性模块辅助降阻后，接地电阻值降低为2.357Ω
2
地网最外缘闭合环上布设的单组6.1m深垂直接地极接地电阻：
（依据GB50065-2011）
其中：ρ
——
土壤电阻率
500Ω.m
l
——
单组垂直接地极深度
6.1m
d
——
单根垂直接地极等效直径
1.42cm
Rv
=93.174Ω
3
总计36组9.76m深垂直接地极并联后，其接地电阻为：
(依据BS7430-1991)
=4.329Ω
4
均压闭合环网与垂直接地网并联后的复合地网总电阻：
其中：η
——
并联屏蔽系数，取1.25
R总
=
1.908Ω
附件：
表1
美国纯铜土壤埋置试验结果
土壤编号
埋置时间(年)
平均腐蚀速度（mm/a）
31
13.7
0.00030
27
16
0.00043
36
16
0.00068
2
13.5
0.0069
5
14
0.0011
7
14
0.0011
9
13.4
0.0012
26
13.4
0.00044
30
13.4
0.00031
41
13.4
0.00099
47
13.4
0.0011
6
13.3
0.00036
10
13.2
0.0030
24
13.2
0.00066
1
8.1
0.0022
20
8.1
0.0014
3
8
0.0010
8
8
0.00076
12
8
0.010
13
8
0.00096
14
8
0.0012
15
8
0.00052
16
8
0.0020
17
8
0.0014
18
8
0.0027
19
8
0.0014
22
8
0.0025
23
8
0.0045
25
8
0.00041
28
8
0.0029
29
8
0.0042
33
8
0.0045
34
8
0.00067
35
8
0.0059
37
8
0.0059
38
8
0.0012
40
8
0.0052
42
8
0.00017
43
8
0.021
44
8
0.0025
45
8
0.0010
4
7.9
0.00068
32
7.9
0.0012
表2
美国纯铜土壤埋置数据统计（共43种土壤）
腐蚀速度(mm/a)
0.0004-0.001
0.001-0.004
0.004～0.007
0.007-0.021
土壤数量
17
18
6
2
１９