新型放射针状环绕接地技术研究及应用

时间：2024-05-17

孙长海+尚京城+陈百通+王明+文建+吴彦

摘要：以國家电网公司科技项目——新型长寿命多针式垂直接地技术研究及实现为课题，基于土壤放电机理及热熔焊技术，研制出一种新型放射针状垂直接地系统，具有高导电特性及耐腐特性，延长了变电站接地系统的服役寿命，并成功应用于变电站接地系统。新型放射针状垂直接地系统占地面积较小，接地电阻满足国家标准及规范，解决了接地系统小型化的工程难题，对变电站的接地技术具有一定的指导。

关键词：接地；放射针状；新型接地系统；小型化

中图分类号：TM862 文献标志码：A

Abstract： Based on the State Grid Corporation of science and technology project ‘the new long-life multi-pin vertical grounding technology research and implementation ， by the mechanism of soil discharge and the technology of heat fusion welding， developing a new radiate needle shaped encircling grounding system equipped with high conductivity and corrosion resistance， to extend the service life of grounding system in substation. The new radiation needle shaped encircling grounding system occupies a smaller area， and the grounding resistance meets the national standards and specifications. It solves the engineering problem of the miniaturization of the grounding system， and has certain guidance for the grounding technology of the substation.

Keywords：Grounding；Radiate needle； New grounding system； Miniaturization

0 引言

接地是电气设备正常运行或出现故障时用以泄放能量时最重要的保护手段。有效地降低接地电阻，保证电气设备的反击电压尽可能小，进而保护人身和设备的安全，这是接地设计的首要目标。

现阶段，随着我国城市化进程日益加快，土地资源越来越匮乏，为了满足接地电阻的要求，无限制地增加水平接地网的面积显然不切实际，因此大部分科研工作者开始着手研究新型接地技术。冯乔春开展了空腹注水式接地装置、电解离子接地装置、深井压力灌注接地技术、爆破接地技术等新型接地技术研究；马勇利用PSCAD/EMTDC开展了不同变电站的接地典型模型；王光辉提出了新型抗盐碱腐蚀材料；何诗昆设计引外接地降低接地网接地阻抗的降阻方法；陈德鑫研究了智能楼宇的供电接地系统。

本文重点研究新型接地系统的设计方法，降低接地系统的接地电阻，提高变电站的运行特性；研究获得的新型接地技术对于指导新型接地系统的设计及应用具有一定的意义。

1 变电站接地系统存在的问题

接地系统作为电力系统交直流电气设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着至关重要的作用。由于接地系统作为隐性工程容易被忽视，随着电力系统电压等级的升高及容量的增加，接地问题屡有发生。鉴于变电站接地系统在电气设备运行安全中的重要地位，接地问题越来越受到重视。

1.1 接地体材料腐蚀问题

接地体腐蚀是影响电力系统安全运行的重要因素。在我国，因接地网腐蚀而引起的电力系统事故时有发生，每次事故都会产生较大的经济损失。目前国内的变电站接地系统的设计未调查站区土壤对金属材料的腐蚀程度及对金属材料的腐蚀速度。此外，考虑到经济问题，接地体多采用钢材，存在钢材被腐蚀而截面积不断减少、接地性能不良的问题，接地系统未能高效运行，造成变电站的存在安全隐患。

1.2 接地系统性能不良问题

土壤电阻率是决定接地系统性能的重要参数，由于受到测量设备、方法等条件的限制，土壤电阻率的测量往往不够准确，无法探测到土壤在水平方向和垂直方向的土壤电阻率变化情况，且不够重视站区土壤电阻率随季节的变化情况，进而导致接地系统接地电阻过大，性能不良。目前变电站的接地系统还停留在传统接地方式，仍然采用单一导体直接入地放电的方式，该接地方式性能不优，释放电流较差，接地电阻较大，对于目前的高电压等级、大电流泄放以及智能电气设备的有效保护不够，容易造成变电站出现事故、电气设备出现损伤、维护人员出现意外，造成不必要的损失。

2 新型接地系统设计研究

2.1 新型接地系统设计原则

（1）为避免温度、湿度对接地系统的影响，接地体通常埋设在距离土壤表面0.6 m～0.8 m处。

（2）为避免屏蔽效应，接地体间距离D与接地体长度L的设计原则：大电流时，D≥2L；小电流时，D≥L。

（3）接地体间采用并联闭环连接构成接地系统。

2.2 新型接地系统设计方法

（1）根据建筑或设备的国家标准和实际需求，确定新型接地系统的接地电阻R。

（2）现场确定工程区域，确定接地体可埋设深度及接地体长度。

（3）测量土壤电阻率及酸碱度，利用公式（1）计算单支接地体埋入土壤时的接地电阻R1。endprint

式中，R1、ρ、l、d分别为单支接地体接地电阻（Ω）、土壤电阻率（Ω·m）、接地体长度（m）、接地体等效直径（m）。

（4）依据变电站接地体设计规范优化设计接地体结构。

（5）运用公式（2）获得接地体的数量，依据现场环境制定接地系统的结构设计。

3 新型放射针状垂直接地系统设计

3.1 新型放射针状垂直接地体结构设计

放射针状垂直接地体采用铜包钢合金材料制成，长度设计为2.5m，直径为25mm，其上间隔50mm垂直热熔焊接均匀分布4个长25mm、直径4mm、尖端曲率0.2mm的针状放电极，如图1所示。

1—接地极；2—针状放电极

图1 放射针状接地体结构图

3.2 新型放射针状垂直接地系统结构设计

新型接地系统设计为同心圆结构，中心处设有与接地引下线相连接的接地体，同心圆各层均匀分布有多支放射针状接地体，各接地体通过水平接地相互连接，最内层即为第一层同心圆半径为2m，第n层同心圆半径为2nm，第x层同心圆上最近两支接地体间的圆心角为θ，用公式（3）计算最近两支接地体的距离L。接地体在每层同心圆上均匀分布，每两支接地体的水平距离至少为2m；以同心圆层数最少和每支接地体到中心接地体的距离最短为依据，确定同心圆层数、接地体数目以及新型放射针状垂直接地系统中每支放射针状接地体。

（3）

最内层同心圆上放射针状垂直接地体可设计数目为3、4、5、6。表1～表4分别为最内层同心圆上接地体数目为3～6时各层最近两支接地体的直线距离L。

经测试，每支接地体的平均接地电阻为9Ω，为了满足国家规范要求的2Ω，运用公式（2）计算接地体数目n≥5，由表中可知，当接地体数目n=5且为单层结构时，各接地体间的距离L≥2.8m，由此可初步设计放射针状垂直接地体数目n=5，L=3，选择最内层同心圆上放射针状垂直接地体数目为4的1层同心圆结构作为新型放射针状垂直接地系统的结构，如图2所示。

4 新型放射针状垂直接地系统工程应用

4.1 新型放射针状垂直接地系统的构建

依据变电站现场的高电阻率土质特點以及站内狭小的施工面积，为了降低接地电阻，最终采用新型放射针状垂直接地系统工程应用结构：n=7，L=3，如图3所示。

4.2 新型放射针状垂直接地系统的安装

（1）挖设半径为4m，深4m的圆柱坑道，定位7支接地体埋设位置。（2）圆形坑道内填入0.75m深的细黄土，夯实并浇实。（3）将热熔焊接好的接地系统下设到圆柱坑道内，周围加入降阻剂，并用水浇实。（4）从新型接地系统中心接地体处引出接地引下线。（5）用细黄土回填，不断夯实土壤，用标准混凝土灌封。

4.3 新型放射针状垂直接地系统的接地电阻测试

利用地网电阻测试仪，采用国家标准的测试方法对变电站新型接地系统测试接地电阻，测试结果如图4所示。

新型接地系统占地面积仅为28.26m2，为普通接地系统的1/20，接地电阻为0.183Ω，小于变电站接地系统国家规范值，实现了新型接地系统小型化及安全可靠性，保障了变电站电气设备的高效运行。

结论

本文依托于土壤放电理论及热熔焊技术，设计了一套新型接地系统，成功实现了接地工程应用，高效解决了接地系统的小型化的工程问题。主要研究成果如下：

（1）以土壤高压放电理论为指导，采用热熔焊接技术，研究探索了新型接地技术，将尖端放电技术嫁接到接地体，设计了基于同心圆结构的新型接地系统，提高了接地体的放电效率，保障了变电站的安全性。

（2）依托新型接地技术，依据高土壤电阻率的变电站环境，优化接地系统结构，成功完成了工程应用，接地系统占地28.26m2，接地电阻为0.183Ω，保证了变电站的稳定运行状态。