地網(wǎng)熱穩(wěn)定校核21

1、接地裝置的熱穩(wěn)定校核第一節(jié)接地裝置的發(fā)熱1.1 概述在電力系統(tǒng)中，工作電流或接地電流將流過接地線，接地體流向大地，當(dāng)電流流過接地線和接地體時(shí)，會(huì)引起金屬發(fā)熱。如果金屬導(dǎo)體的界面選擇的較小，在大的接地短路電流流過時(shí)，會(huì)引起土壤發(fā)熱，使土壤的水分蒸發(fā)甚至汽化，引起土壤電阻率上升，嚴(yán)重時(shí)可以造成土壤燒結(jié)，使接地極不能正常工作。因此，需對(duì)接地裝置的發(fā)熱和熱穩(wěn)定進(jìn)行認(rèn)真的分析和計(jì)算。1.2 電流流過半球形電極時(shí)土壤的溫升1.2.1 電流長期流經(jīng)電極時(shí)當(dāng)電流經(jīng)半球形接地極向土壤流散時(shí)，土壤由于接地電阻的存在，土壤會(huì)發(fā)熱，土壤的溫升將達(dá)到某一穩(wěn)定值。半球形電極土壤的發(fā)熱計(jì)算如下圖1圖1半球形電極土壤的發(fā)熱計(jì)

2、算距球心為r的范圍內(nèi)每秒產(chǎn)生的熱量P,P=i2r=I2r1)r(1)在ts處的溫升工為零，而在r=a處溫升為最大，該處最大溫升為U：(2)電極附近土壤的溫度在任何情況下都不允許升高到以致土壤的電阻增大到極大的數(shù)值。如取土壤的導(dǎo)熱系數(shù)100C,否則，土壤的水分將蒸發(fā)掉，九=1w/1,m,土壤的電阻率為P=100Cm,土壤的最大允許溫升%=60C,則可求出電極的允許電位為U0=,2、.m=110")又由于半球形電極表面的電流密度J=r(3)2二a2如果電極半徑a=1m,仍取壤的最大允許溫升,=60C,則由上式求得電極表面的最大允許持續(xù)電流密度(即土壤溫升最大處的電流密度)為J=1.1(A

3、/m2),電極允許通過的最大持續(xù)電流I=6.9(A)1.2.2 電流短期流經(jīng)半球形電極當(dāng)電流通過接地電極的時(shí)間較短(約數(shù)秒)，可以不考慮熱的傳導(dǎo)而按絕熱過程來計(jì)算，即認(rèn)為流過土壤某處的電流所產(chǎn)生熱量全部用來提高土壤該處的溫升。以半徑r處的厚度為dr的半球殼為例，假定土壤的比熱為、在dt時(shí)間內(nèi)土壤的溫升為di,則半球殼dr在dt時(shí)間內(nèi)需吸收的熱量Q2應(yīng)為2-Q2=/2nrdrdn(4)而半球殼dr在出的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量p為2：dr/、P=I2dt(5)2二r令Q2=P,整理積分可得,I、2.2(=(-2)t=J-7t2二r當(dāng)時(shí)間t確定后，土壤短時(shí)發(fā)熱時(shí)的溫升將直接取決于流經(jīng)土壤的電流密度J。短

4、時(shí)發(fā)熱時(shí)土壤的最大溫升%出現(xiàn)在r=a處，既有短時(shí)發(fā)熱時(shí)的電極表面的最大允許電流要比長期發(fā)熱時(shí)大得多。1.2.3土壤發(fā)熱的過渡過程土壤發(fā)熱的過渡過程是指土壤從通過電流開始發(fā)熱到溫度達(dá)到穩(wěn)定溫升的全部過程。在過渡過程開始時(shí)溫升上升得很快，隨著時(shí)間的增加越來越慢，圖2是土壤發(fā)熱的溫升曲線圖2土壤發(fā)熱的溫升曲線t用公式表示為：t=Tm(1-eTr)(8)Tm為土壤的穩(wěn)定溫升；Tr為土壤升溫的時(shí)間常數(shù)。半球形電極周為土壤升溫的時(shí)間常數(shù)為:（9）（2二a2）2一1.Tr-m|2:-？，a綜合半球形接地電極發(fā)熱的分析可知：(1) 電極附近土壤發(fā)熱的時(shí)間常數(shù)講授電極形狀的和尺寸的影響。(2) 在土壤長期發(fā)熱時(shí)

5、，允許經(jīng)電極流散的最大電流和電極尺寸有關(guān)，但電極表面的最大允許電流密度則不受電極尺寸的影響，紙盒土壤的參數(shù)以及電極該點(diǎn)的電流密度有關(guān)。1.3任意形狀的電極時(shí)的土壤發(fā)熱計(jì)算圖3為任意形狀電極附近土壤的熱場分布。圖3任意電極附近土壤中的熱場任意接地電極的土壤溫度場的穩(wěn)態(tài)解將為1 1(=(V0V)V(10)72假定在穩(wěn)定發(fā)熱時(shí)的接地電極為一等溫面，則為求土壤的最大溫升，(10)式取V=Vo,因?yàn)橥寥赖淖畲鬁厣仨毘霈F(xiàn)在緊挨電極處。該處的最大溫升為(11)這和按半球形電極推導(dǎo)的公式相同，具有普遍的意義。需指出的是，對(duì)任意形狀的電極，由于電極各電的J不同，其溫升上升速度也是不同的，電極各點(diǎn)附近土壤的發(fā)熱

6、時(shí)間常數(shù)將具有不同的數(shù)值。電流密度小的電極附近的土壤具有較大的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)。第二節(jié)交流接地網(wǎng)的熱穩(wěn)定交流輸電系統(tǒng)分中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、和直接接地三種運(yùn)行方式。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，不會(huì)有接地電流流經(jīng)地網(wǎng)入地。在后兩者情況，在正常情況下，經(jīng)地網(wǎng)入地的只是數(shù)值不大的不平衡電流。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，經(jīng)由消弧線圈入地的電流也只有數(shù)十安培的電容補(bǔ)償電流，只有在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中才會(huì)出現(xiàn)數(shù)十千安的短路電流經(jīng)地網(wǎng)入地，但持續(xù)時(shí)間不長，一般在0.52s左右。因此，交流接地網(wǎng)不存在長期發(fā)熱的問題，只需對(duì)短時(shí)發(fā)熱進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)即可。對(duì)交流接地網(wǎng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)可直接采取如下公式如取P=100C,m,&

7、#165;=1.5M106J/m3C,E=60C,t=2s,則采用公式(12)可得，即要求電極表面的最大允許電流密度Jy不得大于671A/m2。應(yīng)該注意到，為了均衡地面的電位分布，減小跨步電勢和接觸電勢，交流地網(wǎng)中一般都要敷設(shè)一定數(shù)量的均壓帶，此時(shí)由于屏蔽效應(yīng)和尖端效應(yīng)的影響，自地網(wǎng)流散的電流沿地網(wǎng)各道題的分布是不均勻的。為求導(dǎo)體表面的最大電流密度，必須先對(duì)地網(wǎng)的流散電流分布進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于635kV安裝消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)，經(jīng)消弧線圈，地網(wǎng)入地的電流為數(shù)十安到數(shù)百安，但由于消弧線圈屬于2h工作制，因此，對(duì)該系統(tǒng)的熱穩(wěn)定的校核，入地電流要按一個(gè)站所裝消弧線圈容量之和再乘以1.35,時(shí)間應(yīng)按長期發(fā)熱校

8、核，如，土壤電阻率P=100Cm,¥=1.5Ml06J/m3C,e=60C,t=2h,則Jrm=11.18（A/m2）即按2h工作制，電流密度最大不超過11.18,如按長期工作制，這個(gè)電流密度會(huì)更小，這也提醒我們在消弧線圈接地的系統(tǒng)雖然最大補(bǔ)償電流僅為數(shù)十到數(shù)百安，但接地網(wǎng)的熱穩(wěn)定問題特另應(yīng)引起注意。第三節(jié)接地線的熱穩(wěn)定校驗(yàn)3.1接地線的最小截面根據(jù)熱穩(wěn)定條件，末考慮腐蝕時(shí)，接地線的最小截面應(yīng)符合式（13）要求IgSg-“（13）C式中Sg接地體和接地引線的最小截面，mm2Ig流過接地線的短路電流值，A（按5-10年發(fā)展規(guī)劃，按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式確定）te短路的等效持續(xù)時(shí)間，sc接地線

9、材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料的種類，性能及最高允許溫度和短路前接地線的初始溫度確定。在校驗(yàn)接地線的熱穩(wěn)定時(shí)，Iq、te及C應(yīng)采用表1所列數(shù)值。按地線的初始溫度,，ge，一般取40°C。表1校驗(yàn)接地?zé)岱€(wěn)定用的I0、te和C值ge系統(tǒng)接地方式Ig(A)te(S)C鋼鋁銅有效接地單（兩）相接地短路電流見卜文（1）和（2）70120210低電阻接地單（兩）相接地短路電流270120210不接地、消弧線圈接地和高電阻接地異點(diǎn)兩相接地短路電流270120210（1）發(fā)電廠、變點(diǎn)站的繼電保護(hù)裝置配置有2套速動(dòng)保護(hù)、近接地后備保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和自動(dòng)重合閘時(shí)，te可按式（14）取值。te2tm+tf

10、+t0（14）式中tm主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，Stf斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，Sto短路器開斷時(shí)間，So（2）配有1套速動(dòng)保護(hù)，近或遠(yuǎn)（或遠(yuǎn)近結(jié)合的）后備保護(hù)和自動(dòng)重合閘，有或無斷路失靈保護(hù)時(shí)，te可按式（15）取值te至to+t.（15）式中tr第一級(jí)后備保護(hù)時(shí)間，S根據(jù)熱穩(wěn)定條件，末考慮腐蝕時(shí)，接地裝置地極的截面不宜小于連接至該接地裝置的接地線截面的75%。3.2接地線的防腐蝕敷設(shè)在大氣和土壤中有腐蝕性場所的接地體和接地引下線，應(yīng)根據(jù)腐蝕的性質(zhì)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較采用熱鍍鋅，加高效膨潤土降阻防腐劑或刷瀝青漆，或采用陰極保護(hù)等措施。在設(shè)計(jì)中對(duì)接地線腐蝕問題，建議作如下處理：（1）一般情況下應(yīng)吸取當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行

11、經(jīng)驗(yàn)，按當(dāng)?shù)亟拥鼐€的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（2）當(dāng)?shù)責(zé)o數(shù)據(jù)時(shí)，可暫按下列數(shù)據(jù)處理。1 ）對(duì)鍍鋅或鍍錫的扁鋼、圓鋼，埋于地下的部分，其腐蝕速度取0.065mm/a（指總厚度），但對(duì)于焊接處必須采取措施，如刷瀝青漆等。但0.065mm/a是指一般中性土壤，如果土壤PH值在6.5以下，或土壤土質(zhì)比較疏松，腐蝕率可達(dá)0.085-0.265mm/a。南方和北方也有區(qū)別，在實(shí)際工程中應(yīng)區(qū)別對(duì)待。2 ）如無防腐的接地線，其腐蝕速度在一般地區(qū)按如下方式處理。P=50-300.m地區(qū)，扁鋼取0.1-0.2mm/a,圓鋼取0.3-0.4mm/a;p>300Q.m地區(qū)，扁鋼取0.1-0.08mm/a,圓鋼取0.3

12、-0.09mm/a;p<50Q.m地區(qū),扁鋼取0.08-0.1mm/a,圓鋼取0.3-0.09mm/a;3）接地體的壽命，應(yīng)與地面設(shè)備一致，一般應(yīng)按25-30年考慮，設(shè)計(jì)時(shí)可按上述防腐要求選擇導(dǎo)線截面。3）對(duì)于敷設(shè)在屋內(nèi)或地面上的接地線，一般均應(yīng)采取防腐措施，如鍍鋅、鍍錫或刷防腐漆。這樣可不必按埋于地下條件考慮，只要適當(dāng)留有裕量即可。3.3 短路接地電流的計(jì)算接地短路電流分析當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，產(chǎn)生的接地短路電流經(jīng)三種途徑流入系統(tǒng)接地中性點(diǎn)。（1）經(jīng)架空地線一桿塔系統(tǒng);（2）經(jīng)設(shè)備接地引下線，地網(wǎng)流入本站內(nèi)變壓器中性點(diǎn);（3）經(jīng)地網(wǎng)入地后通過大地流回系統(tǒng)中性點(diǎn)。而對(duì)地網(wǎng)接地電阻起決定性

13、作用的只是入地短路電流。所以，正確地考慮和計(jì)算各部分短路電流值，對(duì)合理地設(shè)計(jì)地網(wǎng)有著很大的影響。架空地線系統(tǒng)的影響對(duì)于有效接地系統(tǒng)110kV以上變電所，線路架空地線都直接與變電站內(nèi)出線架構(gòu)相連。當(dāng)發(fā)生接地短路時(shí)，很大一部分短路電流經(jīng)架空地線系統(tǒng)分流，因此，在計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮該部分分流作用，發(fā)生接地故障時(shí)，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(shè)計(jì)重要的一個(gè)分支。架空地線采用良導(dǎo)體，正確利用架空地線系統(tǒng)分流，將使地網(wǎng)的設(shè)計(jì)條件更為有利。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(jīng)變壓器中

14、性點(diǎn)的電流（也就是流經(jīng)變電器的零序電流）。如此計(jì)算，入地短路電流值相對(duì)比較小。由于接地電阻允許值RW2000I，所以接地電阻相應(yīng)的允許值就比較大，設(shè)計(jì)也容易滿足。另外,對(duì)于一個(gè)給定的地網(wǎng),其接地電阻也基本確定：從R0.5p/S可知,對(duì)實(shí)際的接地網(wǎng)面積減少有很大影響。計(jì)算用入地短路電流的計(jì)算廠或所內(nèi)和廠或所外發(fā)生接地短路，流經(jīng)接地裝置的電流可分別有下式計(jì)算I=（Imax-In）。/，I5（IK）式中：I入地短路電流Imax接地短路時(shí)的最大接地短路電流In發(fā)生最大接地短路電流時(shí)，流經(jīng)發(fā)電廠變電所接地中性點(diǎn)的最大接地短路電流Kc1,Kc2分別為廠內(nèi)或所內(nèi)和廠或所外短路時(shí)，避雷線的工頻分流系數(shù)。避雷線

15、路的工頻分流系數(shù)。一般粗算可取Kei=0.5,Ke2=0.1o計(jì)算用入地短路電流取兩式中較大的I值。在有效接地系統(tǒng)及低電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)電廠，變電所電氣裝置中電氣設(shè)備接地線的截面，應(yīng)按接地短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)。鋼接地線的短時(shí)溫度不應(yīng)超過400度，銅接地線不應(yīng)超過450度，鋁接地線不應(yīng)超過300度。校驗(yàn)直接接地，經(jīng)消弧線圈接地和高阻接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備接地線的熱穩(wěn)定時(shí)，敷設(shè)在地上的接地線長時(shí)間溫度不應(yīng)大于150度，敷設(shè)在地上的接地線長時(shí)間溫度不應(yīng)大于100度。3.4 簡化計(jì)算接地故障電流的測量任何接地故障電流將會(huì)對(duì)接地導(dǎo)體施加一個(gè)熱應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力與電流強(qiáng)度和故障持續(xù)時(shí)間有關(guān)，并不應(yīng)能損害接地導(dǎo)

16、體。由于在非常短的故障持續(xù)時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體沒有時(shí)間散熱，因此這個(gè)規(guī)律對(duì)穩(wěn)定電流并不適用。限制因素是可接受的最大導(dǎo)體溫度。應(yīng)根據(jù)IEEEStd80-1986（見9.3）的推薦公式做計(jì)算。對(duì)于快速近似計(jì)算（這可能會(huì)導(dǎo)致比所需的導(dǎo)體大）和鋼架，可用下列公式：Ak=aIv'tc（14）其中A為導(dǎo)體橫截面積（單位mm2）I為故障電流（假定一個(gè)螺栓故障）（為有效值單位A）tc為故障持續(xù)時(shí)間，包括繼電保護(hù)和跳閘時(shí)間（單位s）注-為了介紹某種裕度，應(yīng)使用后備保護(hù)時(shí)間；如果這個(gè)假設(shè)導(dǎo)致非常大的導(dǎo)體，可用一個(gè)比例因子，如1.5。a考慮非對(duì)稱性故障電流的影響后的一個(gè)系數(shù)：當(dāng)tc：二0.2s,a=1.3;當(dāng)tc&

17、gt;0.2s,a=1.0。K取決于導(dǎo)體材料的初溫和末溫的一個(gè)系數(shù)（見表2）表2-計(jì)算接地導(dǎo)體面積時(shí)系數(shù)k的取值初始溫度（°C）末溫（C）當(dāng)導(dǎo)體材料如下時(shí)的k值銅鋁鋼20150145945520160149975820200165107602022017111220250180117702030019512620500235854015013185401601368740200152994022016010540250170110403001831194050022314570160114757515010568751601117275200131858520012581852201

18、33879022013085902501429312525012380第四節(jié)接地線熱穩(wěn)定校驗(yàn)方案實(shí)例進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，一定要考慮腐蝕的因素，即計(jì)及腐蝕后的導(dǎo)體截面積應(yīng)該在預(yù)計(jì)壽命期內(nèi)滿足熱穩(wěn)定要求；同時(shí)要對(duì)各個(gè)電壓等級(jí)分別按流過接地體的最大短路電流計(jì)算，即中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)按照單（兩）相對(duì)地短路電流，中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)按異地兩相接地短路電流計(jì)算。接地線截面積要滿足其最大值要求，否則應(yīng)該采用各個(gè)電壓等級(jí)接地線截面積不同的方案。如某變電站2015年遠(yuǎn)期規(guī)劃110kV側(cè)單相接地短路電流為5.77kA,35kV側(cè)異地兩相接地短路電流為5.25kA,10kV側(cè)異地兩相接地短路電流為12.64kA。,根

19、據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時(shí)，接地線的截面應(yīng)符合下式要求，并對(duì)各電壓等級(jí)分別按流過接地體的最大短路電流進(jìn)行驗(yàn)算：IgSg一MLc式中Ig流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，A；te短路的持續(xù)時(shí)間，S,中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)為后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間及斷路器開斷時(shí)間的和，該站為1.5s,中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)按2s計(jì)算；c接地線的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料而定，鋼為70。2110kV部分：Ig=5770A,t=1.5s,由此，Sg>100.9mm。35kV部分：Ig=5250A,t=2s,由此，Sg>106mn2。210kV部分：Ig=12640A,t=2s,由此，Sg>255.4mm。如果使用扁鋼為60X6=360mm2,考慮到腐蝕，按照年腐蝕率0.1mm/a,預(yù)期壽命為20a,20a后，截面為56X2=112mm2(腐蝕發(fā)生在鋼材兩側(cè))，對(duì)110kV及35kV部分仍然能夠滿足要求，但是對(duì)10kV部分則不能夠滿足要求。如使用扁鋼為80X8=640mm2,按照年腐蝕率0.1mm/a,20a后，截面為76X4=304mm2,可以滿足10kV部分要求。因此，該立110kV及35kV部分可采用(60X6)mm2扁鋼，10kV部分則應(yīng)采用(80X8)mm2扁鋼。第五節(jié)連通試驗(yàn)和開挖檢查電氣設(shè)備的接地裝置主要是為了故障時(shí)，故障電流能可靠的入地。為此，對(duì)接地電