1、1关于垂直接地极降低地网接地电阻的若干问题摘要接地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重要措施。本文从技术合理和经济节约的角度出发, 研究变电站如何科学选择和布置垂直接地极的有关问题, 为系统运行和接地工程设计提供参考依据。 关键词接地网接地电阻垂直接地极 中图分类号：P631.3+22 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 发变电站接地网对于电力系统的可靠运行和变电站工作人员的人身安全起着重要作用，其接地电阻、跨步电压与接触电压是变电站接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合要求的重要参数。然而，有些变电站由于受地理条件的限制，不得不
2、建在高土壤电阻率地区，导致这些变电站的接地电阻、跨步电压与接触电压的设计计算值偏高，无法满足现行标准的要求。近年来，随着电力系统短路容量的增加，由于接地不良引起的事故扩大问题屡有发生，因此接地问题越来越受到重视。在设计施工过程中如何合理确定接地装置的设计方案，降低接地电阻，这是变电站电气设计施工的重点之2一。 2 垂直接地极的布置位置分析 入地短路电流通过接地极向大地深处流散时,会受到其他接地极散流的影响,即电流屏蔽作用。事实上,不仅水平接地导体之间、垂直接地导体之间存在电流屏蔽现象,水平接地导体与垂直接地导体之间也存在电流屏蔽现象。考虑到垂直极与水平接地网之间的屏蔽作用,先分析单根垂直极在水
3、平接地网上的位置不同时对整个接地网接地电阻的影响。 水平地网面积设为 150m 150m , 均压导体平均间距取 10m , 土壤电阻率为 250/ m , 水平接地网埋深为 0.6m , 水平均压导体等值半径为 0.011m , 垂直极的等值半径为 0.025m , 长度为 50m。分别在地网图中标出的不同位置处添加一根同样规格的垂直极, 地网布置图如图 1 所示。 经计算, 未加垂直极时接地网的接地电阻为 0.7426。不同位置加入垂直接地极后的降阻效果如表 1 所示。 垂直极对接地网的降阻效果可用降阻率 来表示 式中 R0 水平接地网的接地电阻 R加入垂直极后的接地电阻 3由图 1 和表
4、 1 可以看出, 距离地网中心点从近到远的顺序为 1 4 2 5 3 , 而降阻效果从低到高的顺序也为 1 4 2 5 3 。因此, 为了降低地网接地电阻而增加垂直极时, 应将垂直接地极布置在水平接地网的边缘, 使之与水平地网间的屏蔽作用达到最小。 3 垂直极根数的选取 在水平地网的边缘加入垂直极, 且尽量等间距布置。水平地网的面积取为 160m 160m , 水平均压导体的平均间距取 10m , 土壤电阻率为250/ m ,水平接地网埋深为 0.6m , 水平导体等值半径取 0.011m , 垂直极的长度取为 50m , 等值半径取为 0.025m , 垂直极根数从 1 根到 28 根时三维
5、接地网的接地电阻随垂直极数量的变化曲线如图 2 所示。 图 2 接地网电阻 R 和垂直极根数 N 的关系 由图 2 可看出, 在水平地网保持不变的情况下, 接地网的接地电阻R 随垂直极根数 N 的增加而降低 , 当 N 达到一定数值时 R 值趋于恒定。这是因为垂直极间距减小后, 相互之间的屏蔽作用增强, 垂直极根数越多, 屏蔽系数越大。当垂直极根数增加到一定程度时, 屏蔽作用已非常明显, 再增加垂直极已没有多大意义。 为进一步研究垂直极数量的选择规律, 在水平地网边缘添加不同数量和不同长度的垂直极并进行计算, 添加方法是尽量等间距均匀分布在水平地网边缘, 由计算结果得出如图 3 和图 4 所示
6、曲线。 4在图 3 、图 4 中, N 为垂直极的数量(根) , L 为垂直极的长度(m) , req 为水平地网的等值半径(m) , 定义为 式中 A 水平地网的面积 分析图 3 中各条曲线可以看出, 在已有水平地网的基础上添加垂直极, 当垂直接地极根数一定时, 降阻率随垂直接地极长度的增加而增大, 当长度达到一定数值时, 其增大趋势逐渐趋于饱和; 而且垂直接地极根数越多, 饱和现象出现时垂直接地极的长度值越短。由图 4 可以看出, 当垂直接地极长度与水平地网等值半径比值一定时, 垂直极的降阻率随垂直极的根数的增加而增加, 但随着根数的增加, 降阻率饱和趋势非常明显。由图 4 还可以看出 ,
7、 要想获得较高的降阻率 , 垂直极长度与水平地网的等值半径的比值应该在 1.0 以上, 此时降阻率可以提高 30 %以上。对图 4 中 L / req 为 12 之间的五条曲线采用二次多项式拟合, 拟合结果如下 式(3) 中各多项式从上到下分别为 L / req 等于 2 、1.75 、1.5 、1.25 和 1 时的拟合曲线多项式,对式 (3) 中各二次多项式求一阶导数,一阶导数为零时,二次多项式达到最大值,可得出此时的垂直极的根数(取整5数) ,各曲线极大值点位置如表 2 所示。 由图 4 和表 2 可以看出,要获得较高的降阻率,垂直极的长度与水平地网的等值半径的比值应该大于 1 ,而且在
8、水平地网边缘添加垂直极的数量是随垂直极的长度增加而应该减少的。数量的选择具有饱和趋势,考虑到一般应在水平地网边缘均匀且尽量对称地添加垂直极,所以垂直极选取理想数量应该是八根,这样不仅能获得较高的降阻率,而且不会造成浪费。4 垂直极长度的选择 从图 3 、图 4 以及表 2 可以看出,垂直极的长度选择是和数量选择紧密联系的,长度较短时,添加的数量再多也得不到高的降阻率;较长时,可以获得较高的降阻率,但对垂直极的数量选择影响很大,必须考虑降阻率的饱和现象。 从技术经济角度考虑,增加垂直极时,除了要考虑降阻效果以外,还要考虑增加的垂直极的单位长度的降阻效果。定义单位长度利用率来作为衡量指标 5 结束语: 5.1 通过大量的仿真计算,分析研究了垂直接地极的布置位置、长度选择与数量选择规律,得到如下结论:垂直接地极应当布置在水平地网的四周或尽量远离主接地网;垂直极长度在接近水平地网的等值半径时才能取得好的效果,数量的选择应控制在八根左右。 65.2 通过深入的理论分析及工程实践说明使用垂直接地体是降低地网接地电阻的有效方法之一, 特别适用于土壤电阻率较高、占地面积小的山区或城市变电站。
