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变电站低工频接地电阻值要求的合理性的探讨

 

1、引言

目前,我国对变电站工频接地电阻的要求较高。尽管在DL/T621-1997《交流电气装置的接地》(文【1】)中指出,如接地装置的设计难以满足时,可通过技术和经济的比较,适度增大工频接地电阻值。但在实际操作中,对110kV以上电压等级的变电站普遍要求接地电阻值低于0.5Ω,并且满足。显然,这对很多土壤电阻率偏高、变电站面积狭窄的变电站来说是很不现实、不合理的。因此,很多专家都已经发现了这一问题,并建议“遵循统一的接地电阻值标准是不合理的,应该纠正过来。应向欧美国家学习,可视情况适度地放宽接地电阻值要求,只要采取合理措施能保证人员、设备安全即可”。

于是,就有人进一步提出来:可以不用考虑接地电阻值要求,只要能做好均压等安全措施,保证人身安全就行了。甚至还有人认为:只要能做好等电位连接,就可以不管接地电阻值了。其实,过于追求较低的接地电阻值固然不可取,容易导致惊人的浪费。但是,不考虑接地电阻值要求就更不可取了,这会影响到站内人生或设备安全,容易导致重大伤害事故发生。为此,我们将从以下几个角度对这个问题进行讨论。

2、接地网在变电站的作用意义

我们知道,变电站系统正常工作时,接地网及与其连接着的系统设备的对地电位接近于零。当出现故障电流时,接地网及与其连接着的系统设备的对地电位则会被抬升,抬升的电位为:

I——故障电流

R——接地电阻值

2.1控制接触电位差,保障工作人员安全的必要措施

显然,故障电流导致抬升的地网电位值与接地电阻成正比,对一定的故障电流,接地电阻值越大,抬升的电位则越高。而一旦系统设备与大地之间有了电位差,必定会通过其间连接着的导电体放电。此刻站内地面上的工作人员手臂接触到带电设备时,身体也会被导通放电,体内电流大小取决于手臂接触到的带电设备位置处与地面间的电位差(也就是我们常说的接触电位差,更精准的接触电位差定义参考文【1】),显然,接触电位差越大,流经身体的电流越大,当接触电位差大至(此公式详见文【1】)时,流经身体的电流就会烧伤身体,导致伤害甚至致命的触电事故。    

上述问题可简单概括如下:

高接地电阻——导致高对地电位——导致高接触电位差——危及人身安全

因此,控制好接地电阻值的大小,有利于控制故障电流时系统设备对地电位的抬高,从而将接触电位差控制在不危害人身安全的范围内。

 

2.2控制跨步电位差,保障行人安全的必要措施

同理,当接地网对地电位被抬升后,还会导致站内地面不同位置电位不等,从而产生跨步电位差,跨步电位差大至时,流经身体的电流也会烧伤身体,导致伤害甚至致命的触电事故。    

因此,控制好接地电阻值的大小,有利于控制故障电流时系统设备对地电位的抬高,从而将跨步电位差控制在不危害人身安全的范围内,保障站内行人的安全。

 

2.3为保证低压及电子设备安全的必要措施

我们知道,当云层积累了足够多的电荷后,就很容易将其下方的空气击穿,通过高大的建筑物、大树等尖端物体猛烈放电,从而产生雷电现象。

之所以会产生这样的雷电现象是因为云层积累了大量的电荷,极大地抬高了云层的对地电位,在云层与大地之间产生了极高的强度电场,当电场强度超过空气的介电强度时,空气就会被击穿,导致放电现象。

同样的道理,当系统设备电位被抬高到一定程度后,也会将附近的空气以及各绝缘设施击穿,通过低压及电子设备导电体放电,危害各低压及电子设备的安全。

因此,变电站地网系统设备电位不能抬升过高,就目前现状来说,当地网电位的升高超过了2000V以后,就会危害到变电站内的低压及电子设备的安全。

故而,文【1】中规定:在一般情况下,发电厂、变电所电气装置应符合下式

 

当接地电阻符合上式要求时,系统设备电位的抬高就不会超过2000V,就不会影响变电站内的低压及电子设备的安全。

如果土壤电阻率较高,可供布置接地网的地理位置有限,接地电阻则有可能无法达到要求,一旦发生故障时,就会导致系统设备电位的抬高超过2000V,从而影响到站内低压及电子设备的安全,此时须采取进一步措施提高站内低压及电子设备的耐压性能,防止各设备的绝缘被反击电压击穿,但目前国内相关研究工作少有报道。由于缺乏了相关研究成果的参考,国内设计院就不敢像欧美等国那样轻易调整接地电阻值要求,一般会坚决要求满足接地电阻低于0.5Ω且同时满足的要求,这常常让国内各工程公司头疼不已,无法将接地电阻降至设计值的现象时有发生。

 

2.4、综述

总之,故障电流会导致变电站系统设备对地电位升高,使系统设备和大地间产生电势差,这很容易直接通过站内工作人员或者击穿站内低压及电子设备放电,危害人身及设备安全。而接地网则可以将故障电流泻入大地,降低和消除系统设备和大地间的电位差,提高人身及设备的安全性。

因此,采用接地网,并将接地电阻值控制在合理范围之内,是维护变电站人身及设备安全的必要举措:

  • 只有将接地电阻值控制在合理的范围内,才能控制好故障电流时系统设备对地电位的抬高,从而将接触电位差控制在不危害人身安全的范围内。
  • 只有将接地电阻值控制在合理的范围内,才能控制好故障电流时系统设备对地电位的抬高,从而将跨步电位差控制在不危害人身安全的范围内,保障站内行人的安全。
  • 只有将接地电阻值控制在合理的范围内,才能控制好故障电流时系统设备对地电位的抬高,从而保障站内低压及电子设备的安全。

3、有关接地电阻值不重要的典型误区分析

3.1只要做好等电位连接,就不用考虑接地电阻的问题

这显然不对,文【1】中对等电位连接定义如下:

等电位连接——各外露导电部分和装置外导电部分的电位实质上相等的电气连接。

显然,等电位连接可以使各导电设备电位相等,防止各设备产生电位差导致的反击事故,提高人生安全。

但等电位连接只能保证各导电设备电位相等,却不能消除或降低系统设备与大地间的电位差。如接地电阻值很高,等电位连接措施做得再好,一旦发生故障后,站内工作人员仍旧会由于过高的接触电位差,跨步电位差而处在不安全中,站内低压及电子设备仍旧容易被击毁。

因此,仅将各导电部分进行等电位连接还不能确保安全,还得再将这些设备与大地进行“等电位连接”(用接地装置连接起来),保证故障时,系统设备与大地间的电位差为零或者很小(接地电阻值就得非常小),从而不影响其间的人和设备的安全问题。

 

3.2跨步电位差、接触电位差合格,就不用考虑接地电阻问题

不对。

首先,跨步电位差、接触电位差本身就是由接地电阻值决定的,跨步电位差、接触电位差值与接地电阻值基本成正比关系。接地电阻高了,跨步电位差、接触电位差就很难合格,接地电阻低了,跨步电位差、接触电位差自然就容易合格。

其次,跨步电位差、接触电位差的合格只能保证站内人生安全,不能保证站内低压及电子设备的安全。因此,合理的接地电阻值才是保证变电站人身及设备安全的根本所在。

4、三峡水利枢纽接地工程案例分析

下面通过三峡水利枢纽接地工程一例来谈谈接地电阻的合理取值问题。

前面已经说过,如果变电站系统设备对地电位升高不超过2000V,就能保证现用的常规低压及电子设备的安全。而完全建成后的三峡电站故障时的最大入地电流将达约34KA,接地电阻必须低达2000/33000=0.06Ω,才能保障系统设备安全。为此,共需布置约70km2接地网(电阻率按1000Ω·m估算),这是不可想象的,根本不可能做到。

因此,必须降低接地电阻值要求,根据文【1】中还规定,如接地电阻不能降至0.06Ω,还可以通过技术经济比较增大接地电阻,但不得大于5Ω。但如将三峡电站的接地装置的接地电阻放宽至5Ω,那么,产生34KA的故障电流时,其对地电位的升高将高达33000×5=165000V,产生的高跨步电压、接触电压足以致命,而且160kV的电位还会击穿控制电缆、击毁继电器等站内电气设备,严重威胁站内人身和设备安全。

因此,必须适当放宽接地电阻值要求,但也不能随意放宽,否则就会导致电站的安全运行得不到保障。那么,究竟取多大的接地电阻值才算合理呢?关键还是得看控制电缆和继电器等设备安全工作时所允许系统设备的最大对地电位。

一系列的实验研究证实,电缆可承受工频电压15kV,继电器可承受工频电压5.5kV,故电站接地装置的允许电位升高到5000V应该是容许的,只需将电缆的屏蔽层剥掉1cm就可以了。而且,5000V的对地电位也可以基本满足人身安全:最大接触电压直接符合要求,最大跨步电压只需作适当的处理也能满足要求。

这样,只需将接地电阻降至5000/33000=0.15Ω以下,就能在各分厂所有机组同时运行时,保障设备的安全运行。

经过武汉大学、长江水利委员会设计院等多位著名学者、专家的分析研究和试验论证,最终共计布置了高达100 000 000m2(相比于国内一般也就几千到一万多m2的地面面积来说,这可是一个天文数字)的巨额面积的接地网,将接地电阻降至0.18Ω左右,旱季时电阻率最高,接地电阻值达到最大值0.2Ω,若此时左岸电站所有机组同时运行,故障电流将会达到33KA,这会导致系统电位升高33000×0.2=6600V,超过了继电器5500V的承受限度,无法保障设备的安全运行。

但又不宜通过进一步降阻的方式来降低故障电流时地网电位的升高,为此,须在接地电阻值为0.2Ω的旱季里将左岸电站运行机组控制在11台以下,从而将故障电流控制在5000/0.2=25000A以内,保证继电器等电气设备的安全运行。至洪水期,整体电阻率下降,接地电阻会降至约0.17Ω,能够承受更高的故障电流,此时可根据实测接地电阻值大小来增加运行机组台数,从而能有效地利用好洪水资源,提高发电量。

 

当然,仅保障电缆、继电器等电气设备的安全运行还不够,还得采取进一步的均压、隔离等措施来进一步保障人身和其它一些设备的安全:

  • 在82m高程地网边缘经常有人出入的通道处敷设与接地网相连的“帽檐式”均压带,以使跨步电压满足要求(接触电压已满足要求)。
  • 在左岸电站,副厂房等有可能对低压设备产生较高电位差的高程上,敷设1根铜带以减少地网电位差,防止反击。
  • 采用光纤传输三峡电站对外通信及左、右岸电站间通信线和信号线。不采用低压配电线路向电站外送电。左、右岸电站间仅有10kV厂用电有电气联系,且10kV电压等级的绝缘能耐压28kV水平。
  • 接地装置区域内的金属管道应与接地装置多点连接,以避免在厂区发生危险,引出接地装置外的金属管道宜埋入地中引出。

由此案例可发见合理的低接地电阻值对电站安全运行的重要价值意义。只有接地电阻足够低,才能保证发生故障电流时系统设备的对地电位不会对站内人员和设备安全造成威胁。如果不能通过降低接地电阻值的方式将系统设备对地电位控制在安全范围之内,则须将故障电流控制在较低的范围内,以保障系统设备电位足够低,不会对站内人员和设备安全造成威胁。但这样必须减少电站机组的工作数量,降低电站的工作效率,这会导致水力、风力等自然资源被浪费。

因此,合理的低接地电阻值为电站安全、顺利运行的必要保障。

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