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，當電流流過接地線和接地體時，會引起金屬發(fā)熱。如果金屬導體的界面選擇的較小，在大的接地短路電流流過時，會引起土壤發(fā)熱，使土壤的水分蒸發(fā)甚至汽化，引起土壤電阻率上升，嚴重時可以造成土壤燒結(jié)，使接地極不能正常工作。因此，需對接地裝置的發(fā)熱和熱穩(wěn)定進行認真的分析和計算。1.2 電流流過半球形電極時土壤的溫升1.2.1 電流長期流經(jīng)電極時當電流經(jīng)半球形接地極向土壤流散時，土壤由于接地電阻的存在，土壤會發(fā)熱，土壤的溫升將達到某一穩(wěn)定值。半球形電極土壤的發(fā)熱計算如下圖1圖1 半球形電極土壤的發(fā)

2、熱計算 距球心為的范圍內(nèi)每秒產(chǎn)生的熱量， （1）在處的溫升為零，而在處溫升為最大，該處最大溫升為 （2）電極附近土壤的溫度在任何情況下都不允許升高到100，否則，土壤的水分將蒸發(fā)掉，以致土壤的電阻增大到極大的數(shù)值。如取土壤的導熱系數(shù)，土壤的電阻率為，土壤的最大允許溫升，則可求出電極的允許電位為又由于半球形電極表面的電流密度 （3）如果電極半徑，仍取壤的最大允許溫升，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，電極允許通過的最大持續(xù)電流1.2.2 電流短期流經(jīng)半球形電極當電流通過接地電極的時間較短（約數(shù)秒），可以不考慮熱的傳導而按絕熱過程來計算，即認為流過土壤某處

3、的電流所產(chǎn)生熱量全部用來提高土壤該處的溫升。以半徑處的厚度為的半球殼為例，假定土壤的比熱為，在時間內(nèi)土壤的溫升為，則半球殼在時間內(nèi)需吸收的熱量應為 （4）而半球殼在的時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量為 （5）令，整理積分可得 （6）當時間確定后，土壤短時發(fā)熱時的溫升將直接取決于流經(jīng)土壤的電流密度。短時發(fā)熱時土壤的最大溫升出現(xiàn)在處，既有 （7）短時發(fā)熱時的電極表面的最大允許電流要比長期發(fā)熱時大得多。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)熱到溫度達到穩(wěn)定溫升的全部過程。在過渡過程開始時溫升上升得很快，隨著時間的增加越來越慢，圖2是土壤發(fā)熱的溫升曲線圖2 土壤發(fā)熱的溫升曲線用公式

4、表示為： （8）為土壤的穩(wěn)定溫升；為土壤升溫的時間常數(shù)。半球形電極周為土壤升溫的時間常數(shù)為： （9）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，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)以及電極該點的電流密度有關(guān)。1.3 任意形狀的電極時的土壤發(fā)熱計算圖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 （10）假定在穩(wěn)定發(fā)熱時的接地電極為一等溫面，則為求土壤的最大溫升，（10）式取，因為土壤的最大溫升必

5、須出現(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的公式相同，具有普遍的意義。需指出的是，對任意形狀的電極，由于電極各電的不同，其溫升上升速度也是不同的，電極各點附近土壤的發(fā)熱時間常數(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)分中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地、和直接接地三種運行方式。在中性點不接地系統(tǒng)，不會有接地電流流經(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，經(jīng)由消弧線圈入地的電流也只有數(shù)十安培的電容補償電流，只有在中性點直接接地系統(tǒng)中才會出現(xiàn)數(shù)十千安的

6、短路電流經(jīng)地網(wǎng)入地，但持續(xù)時間不長，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，只需對短時發(fā)熱進行熱穩(wěn)定校驗即可。對交流接地網(wǎng)熱穩(wěn)定校驗可直接采取如下公式 （12）如取，則采用公式（12）可得，即要求電極表面的最大允許電流密度不得大于671。應該注意到，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，此時由于屏蔽效應和尖端效應的影響，自地網(wǎng)流散的電流沿地網(wǎng)各道題的分布是不均勻的。為求導體表面的最大電流密度，必須先對地網(wǎng)的流散電流分布進行計算。對于635kV安裝消弧線圈補償系統(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

7、2h工作制，因此，對該系統(tǒng)的熱穩(wěn)定的校核，入地電流要按一個站所裝消弧線圈容量之和再乘以1.35，時間應按長期發(fā)熱校核，如，土壤電阻率，則即按2h工作制，電流密度最大不超過11.18，如按長期工作制，這個電流密度會更小，這也提醒我們在消弧線圈接地的系統(tǒng)雖然最大補償電流僅為數(shù)十到數(shù)百安，但接地網(wǎng)的熱穩(wěn)定問題特別應引起注意。第三節(jié) 接地線的熱穩(wěn)定校驗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，接地線的最小截面應符合式（13）要求 （13）式中 接地體和接地引線的最小截面，2 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)最大運行方式確定） 短路的等效持續(xù)時間，s c 接地線材料的

8、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。 在校驗接地線的熱穩(wěn)定時， 、及C應采用表1所列數(shù)值。按地線的初始溫度，一般取400C。表1 校驗接地熱穩(wěn)定用的、和c值系統(tǒng)接地方式（A）（S）c鋼鋁銅有效接地單（兩）相接地短路電流見下文（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兩相接地短路電流270120210（1）發(fā)電廠、變點站的繼電保護裝置配置有2套速動保護、近接地后備保護、斷路器失靈保護和自動重合閘時，可按式（14）取值。 （14）式中 主保護動作時間，s斷路器失靈保護動作時間，s短路器

9、開斷時間，s。（2）配有1套速動保護，近或遠（或遠近結(jié)合的）后備保護和自動重合閘，有或無斷路失靈保護時，可按式（15）取值 （15）式中 第一級后備保護時間，s根據(jù)熱穩(wěn)定條件，末考慮腐蝕時，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%。32 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，應根據(jù)腐蝕的性質(zhì)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較采用熱鍍鋅，加高效膨潤土降阻防腐劑或刷瀝青漆，或采用陰極保護等措施。 在設(shè)計中對接地線腐蝕問題，建議作如下處理： （1）一般情況下應吸取當?shù)氐倪\行經(jīng)驗，按當?shù)亟拥鼐€的腐蝕數(shù)據(jù)進行處理。 （2）當?shù)?無數(shù)據(jù)時，可暫按下列數(shù)據(jù)處理。 1）對鍍鋅

10、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0.085-0.265mm/a。南方和北方也有區(qū)別，在實際工程中應區(qū)別對待。 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。=50-300.m地區(qū)，扁鋼取0.1-0.2 mm/a，圓鋼取0.3-0.4 mm/a；>300.m地區(qū)，扁鋼取0.1-0.08 mm/a，圓鋼取0.3-0.09 mm/a；<50.m地區(qū)，扁鋼取0.08-0.1mm/a，圓鋼取0.3-

11、0.09 mm/a；3）接地體的壽命，應與地面設(shè)備一致，一般應按25-30年考慮，設(shè)計時可按上述防腐要求選擇導線截面。3）對于敷設(shè)在屋內(nèi)或地面上的接地線，一般均應采取防腐措施，如鍍鋅、鍍錫或刷防腐漆。這樣可不必按埋于地下條件考慮 ，只要適當留有裕量即可。3.3 短路接地電流的計算接地短路電流分析當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時,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。(1)經(jīng)架空地線桿塔系統(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;(3)經(jīng)地網(wǎng)入地后通過大地流回系統(tǒng)中性點。而對地網(wǎng)接地電阻起決定性作用的只是入地短路電流。所以,正確地考慮和計算各部分短路電流值,對合理地設(shè)計地網(wǎng)有著很大的

12、影響。架空地線系統(tǒng)的影響對于有效接地系統(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。當發(fā)生接地短路時,很大一部分短路電流經(jīng)架空地線系統(tǒng)分流,因此,在計算時,應考慮該部分分流作用,發(fā)生接地故障時,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)計重要的一個分支。架空地線采用良導體,正確利用架空地線系統(tǒng)分流,將使地網(wǎng)的設(shè)計條件更為有利。 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)變壓器中性點的電流(也就是流經(jīng)變電器的零序電流)。如此計算,入地短路電流值相對比較小。由于接地

13、電阻允許值R2000I,所以接地電阻相應的允許值就比較大,設(shè)計也容易滿足。另外,對于一個給定的地網(wǎng),其接地電阻也基本確定:從R0.5/S可知,對實際的接地網(wǎng)面積減少有很大影響。計算用入地短路電流的計算廠或所內(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算式中：入地短路電流 接地短路時的最大接地短路電流 發(fā)生最大接地短路電流時，流經(jīng)發(fā)電廠變電所接地中性點的最大接地短路電流 分別為廠內(nèi)或所內(nèi)和廠或所外短路時，避雷線的工頻分流系數(shù)。避雷線路的工頻分流系數(shù)。一般粗算可取Ke1=0.5，Ke2=0.1。計算用入地短路電流取兩式中較大的值。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

14、置中電氣設(shè)備接地線的截面，應按接地短路電流進行熱穩(wěn)定校驗。鋼接地線的短時溫度不應超過400度，銅接地線不應超過450度，鋁接地線不應超過300度。校驗直接接地，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，敷設(shè)在地上的接地線長時間溫度不應大于150度，敷設(shè)在地上的接地線長時間溫度不應大于100度。3.4 簡化計算接地故障電流的測量任何接地故障電流將會對接地導體施加一個熱應力。這個應力與電流強度和故障持續(xù)時間有關(guān)，并不應能損害接地導體。由于在非常短的故障持續(xù)時間內(nèi)，導體沒有時間散熱，因此這個規(guī)律對穩(wěn)定電流并不適用。限制因素是可接受的最大導體溫度。應根據(jù)IEEE Std 80-1986

15、(見9.3)的推薦公式做計算。對于快速近似計算（這可能會導致比所需的導體大）和鋼架，可用下列公式： （14）其中A 為導體橫截面積（單位mm2）I 為故障電流（假定一個螺栓故障）（為有效值 單位A）tc 為故障持續(xù)時間，包括繼電保護和跳閘時間（單位s） 注為了介紹某種裕度，應使用后備保護時間；如果這個假設(shè)導致非常大的導體，可用一個比例因子，如1.5。a 考慮非對稱性故障電流的影響后的一個系數(shù)： 當 當。K 取決于導體材料的初溫和末溫的一個系數(shù)（見表2）表2計算接地導體面積時系數(shù)k的取值初始溫度（。C）末溫（。C）當導體材料如下時的k值銅鋁鋼201501459455201601499758202

16、0016510760202201711122025018011770203001951262050023585401501318540160136874020015299402201601054025017011040300183119405002231457016011475751501056875160111727520013185852001258185220133879022013085902501429312525012380第四節(jié) 接地線熱穩(wěn)定校驗方案實例進行熱穩(wěn)定校驗時，一定要考慮腐蝕的因素，即計及腐蝕后的導體截面積應該在預計壽命期內(nèi)滿足熱穩(wěn)定要求；同時要對各個電壓等級分別按流過

17、接地體的最大短路電流計算，即中性點有效接地系統(tǒng)按照單（兩）相對地短路電流，中性點非有效接地系統(tǒng)按異地兩相接地短路電流計算。接地線截面積要滿足其最大值要求，否則應該采用各個電壓等級接地線截面積不同的方案。 如某變電站2015年遠期規(guī)劃110 kV側(cè)單相接地短路電流為5.77 kA，35 kV側(cè)異地兩相接地短路電流為5.25 kA，10 kV側(cè)異地兩相接地短路電流為12.64 kA。，根據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時，接地線的截面應符合下式要求，并對各電壓等級分別按流過接地體的最大短路電流進行驗算：式中Ig流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，A；短路的持續(xù)時間，s，中性點有效接地系統(tǒng)為后備保護動作時間及斷路器

18、開斷時間的和，該站為1.5 s，中性點非有效接地系統(tǒng)按2 s計算；c接地線的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料而定，鋼為70。110 kV部分：Ig=5 770 A，t=1.5 s，由此，Sg100.9 mm2。35 kV部分：Ig=5 250 A，t=2 s，由此，Sg106 mm2。10 kV部分：Ig=12640A，t=2s，由此，Sg255.4mm2。如果使用扁鋼為60×6=360 mm2，考慮到腐蝕，按照年腐蝕率0.1 mm/a，預期壽命為20 a，20 a后，截面為56×2=112 mm2（腐蝕發(fā)生在鋼材兩側(cè)），對110 kV及35 kV部分仍然能夠滿足要求，但是對10 kV部分則不能夠滿足要求。如使用扁鋼為80×8=640 mm2，按照年腐蝕率0.1 mm/a，20 a后，截面為76×4=304 mm2，可以滿足10 kV部分要求。因此，該站110 kV及35 kV部分可采用(60×6) mm2扁鋼，10 kV部分則應采用（80×8） mm2扁鋼。第五節(jié) 連通試驗和開挖檢查電氣設(shè)備的接地裝置主要是為了故障時，故障電流能可靠的入地。為此，對接地電阻等提出了不同要求，并規(guī)定每隔一定時間要進行測試，看是否滿足要求。但是電氣設(shè)備與