趙雪峰
[摘 ?要]從接地和變電所接地網(wǎng)概念和使用原理展開,通過對海勒斯壕牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的介紹,重點(diǎn)對接地裝置材料選擇、降低接地電阻措施等影響牽引供電系統(tǒng)接地安全的技術(shù)問題進(jìn)行了分析。通過采用常規(guī)化接地網(wǎng)方式和采用離子接地極方法兩種接地網(wǎng)設(shè)置實(shí)例進(jìn)行了對比分析,總結(jié)得出采用電解離子接地極與水平地網(wǎng)結(jié)合的接地方案的降阻效果更為明顯,能夠在有限的環(huán)境內(nèi)達(dá)到的接地電阻要求。
[關(guān)鍵詞]牽引變電站 ?接地網(wǎng) ?接地極
中圖分類號(hào):U27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-914X(2016)23-0395-02
引言
牽引變電所是電氣化鐵道供電的核心之一,接地系統(tǒng)是保證牽引變電所安全可靠運(yùn)行、保證人身及設(shè)備安全的重要設(shè)施。由于接地裝置埋設(shè)于地下,維護(hù)較困難,所以確保其設(shè)計(jì)滿足技術(shù)參數(shù)要求,在其運(yùn)行壽命周期內(nèi),始終能起到其應(yīng)有的作用,是牽引變電所系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須重視的問題。根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009-2005)的規(guī)定,牽引變電所接地網(wǎng)的接地電阻值一般按不大于0.5Ω設(shè)計(jì)。位于高土壤電阻率地區(qū)的牽引變電所,在不采取任何降阻措施的情況下,要達(dá)到此要求非常困難。本文就以“牽引變電站防雷接地網(wǎng)應(yīng)用探討”為課題進(jìn)行研究。
一、課題研究相關(guān)信息
(一)接地的概念
電氣回路或設(shè)備與大地,或與可代替大地的導(dǎo)體之間的導(dǎo)電的連接,可以是有意的連接,也可以是無意的連接。在配電回路或分支回路里,所有的回路和設(shè)備都通過導(dǎo)電連接來互相連通,從而減少它們之間的電位差,或?qū)㈦娢徊钕拗频阶钚≈担Q之為接地。
接地作用如下:
1.提供設(shè)備與近處金屬物體間的低阻抗連接,以減少人身電擊危險(xiǎn);
2.給接地故障電流提供返回電源的低阻抗通路,使熔斷器或斷路器得以動(dòng)作;
3.給雷電感應(yīng)電流提供低阻抗的對地泄放通路;
4.給靜電電荷提供對地泄放通路,以防產(chǎn)生電火花或電弧。
(二)接地網(wǎng)介紹
牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案為敷設(shè)以水平接地體為主的人工接地網(wǎng),輔以垂直接地極。水平接地體的外緣閉合,外緣各角煨制成圓弧形,圓弧的半徑不小于均壓帶間距的一半。水平接地體的間距不宜小于5 m,而垂直接地極的間距應(yīng)大于或等于其長度的2倍。
接地體是一個(gè)與大地電氣接觸的裸露導(dǎo)體或其它導(dǎo)電,或者埋入與大地有大面積接觸的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)里的裸露導(dǎo)體或其它導(dǎo)電元件。
工頻電流從接地體向周圍的大地散流時(shí)土壤呈現(xiàn)的電阻稱為接地電阻。接地體的特性表現(xiàn)為接地電阻,它被定義為接地體和參照物或遠(yuǎn)處大地之間的有效電阻。接地電阻的數(shù)值等于接地體的電位與通過接地體流入地中電流的比值。接地電阻取決于土壤電阻率ρ,也取決于接地體的幾何尺寸及接地體的設(shè)計(jì)。
目前,國際國內(nèi)防雷理論和工程界比較流行共用接地和等電位連接兩種:
1.共用接地就是把同一建筑物內(nèi)的許多不同性質(zhì)的接地裝置如防雷地、電氣安全接地、交流電源工作地、通信及計(jì)算機(jī)直流地全部地連接在一起,使之成為一個(gè)等電位體;
2.等電位連接是把建筑物內(nèi)及附近的所有金屬物,如混凝土內(nèi)的鋼筋,自來水管、煤氣管及其它金屬管道、電力系統(tǒng)的零線等用電氣連接的方法連接起來(焊接或者可靠的電氣連接),使整座建筑物成為一個(gè)良好的等電位體。當(dāng)雷電來襲時(shí),由于建筑物內(nèi)部及其附近基本上做到等電位,從而不會(huì)發(fā)生建筑物內(nèi)部的設(shè)備被高電位反擊和人身雷擊的事故。
由于采用了等電位連接,對建筑物接地電阻的要求可以放寬。這一點(diǎn)對干旱、沙漠等土壤電阻率高的地區(qū)尤為重要。所以,在地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則:
2.1 盡量采用建筑物地基的鋼筋和自然金屬接地物統(tǒng)一連接來作為接地網(wǎng);
2.2 盡量以自然接地物為基礎(chǔ),輔以人工接地體補(bǔ)充,外形盡可能采用閉合環(huán)形;
2.3 應(yīng)采用統(tǒng)一接地網(wǎng),用一點(diǎn)接地的方式接地。
三、牽引變電站防雷接地的應(yīng)用
從目前我國變電站防雷接地技術(shù)的發(fā)展情況來看,隨著科技的發(fā)展,防雷接地技術(shù)也得到了一定的進(jìn)步,整體的發(fā)展逐步從不成熟到成熟,從成熟到方案的優(yōu)化。就以巴準(zhǔn)線牽引變電所接地的應(yīng)用為例進(jìn)行分析。
(一)工程概況
牽引變電所位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯境內(nèi),地貌被兩川九灣十八溝切割得支離破碎,該站植被稀疏,巖石裸露,水土流失嚴(yán)重,實(shí)測土壤電阻率平均值為210Ω·m,變電站占地面積5297.5m2。地網(wǎng)建設(shè)面積小,土壤電阻率高,地網(wǎng)接地電阻按照以往的接地降阻方式很難滿足接地要求,接地電阻的實(shí)施方案就是總體工程方案的重點(diǎn)之一。
為了保證該站整個(gè)接地網(wǎng)的電氣性能的穩(wěn)定性,抗腐蝕能力強(qiáng),提高接地網(wǎng)的使用年限,選擇銅質(zhì)材料最為合適。因?yàn)殂~質(zhì)材料有良好的導(dǎo)流效果且電氣性能穩(wěn)定,抗腐蝕能力強(qiáng),所以水平接地網(wǎng)選用150純銅絞線,-50×5mm鍍鋅扁鋼為接地材料。垂直接地極主要采用Ф20×2.5m純銅接地棒連接地極。所有焊接點(diǎn)采用放熱工藝焊接,提高接地網(wǎng)的防腐性能和泄流性能,來滿足該變電站接地電阻的要求。
合理布置接地網(wǎng)格,充分考慮接觸電壓和跨步電壓從而達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn),保證工作人員和設(shè)備安全。避雷針的接地網(wǎng)距離主接地網(wǎng)應(yīng)大于3m。
(二)接地要求
1.接地電阻≤0.5。
2.安全電壓。為了提高地網(wǎng)的安全性,保證工作人員和設(shè)備的安全。則在全站敷設(shè)均壓網(wǎng)格,使接觸電壓和跨步電壓達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn),保證工作人員安全。
(三)接地網(wǎng)方案比較
地網(wǎng)接地電阻的推算。地網(wǎng)接地電阻受土質(zhì)、天氣條件、地網(wǎng)水平接地體長度、深度、材質(zhì)、接地體形狀、地網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素影響。準(zhǔn)確地計(jì)算其數(shù)值非常困難。但可以盡量客觀地進(jìn)行測算,避免地網(wǎng)的盲目性實(shí)施,進(jìn)行必要的調(diào)整。
1.方案一:
海勒斯壕南站牽引變電所采用78根垂直接地極主要采用Ф20×2.5m純銅接地棒來接地極,其他條件,土壤電阻率參考值ρ按210Ω·m;接地網(wǎng)面積5297.5m2,周長約293m;地網(wǎng)埋深0.8m;150純銅絞線為水平接地極;-50×5mm鍍鋅扁鋼為接地線;垂直接地極主要采用Ф20×2.5m純銅接地棒來接地極。
1.1 水平接地極的接地電阻:
R:任意形狀閉合接地網(wǎng)電阻值,Ω;S地網(wǎng)的總面積,5297.5m2;ρ:土壤電阻率210Ω·m;:等值(等面積、等水平接地極總長度)方形接地網(wǎng)的接地電阻Ω;d:水平接地極的直徑或等效直徑,;h:水平接地體的埋設(shè)深度0.8m;:接地網(wǎng)的外緣邊線長度,293m;L:水平接地極的總長度,1860m。
水平接地極的接地電阻Ω。
1.2共使用78根純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻:
78根;
L:單根純銅實(shí)體接地棒的長度2.5m;d:單根純銅實(shí)體接地棒的等效直接0.02m;單根純銅實(shí)體接地棒的接地電阻;:78根純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻;n:接地棒數(shù)量78根;:接地棒間的屏蔽系數(shù)0.65。
78根垂直接地極接地電阻Ω
1.3 水平接地網(wǎng)和垂直接地極組合總的接地電阻:
Ω;Ω;水平和垂直接地網(wǎng)間屏蔽系數(shù) ? 0.85。Ω
經(jīng)計(jì)算:要求的接地電阻≤0.5,全站接地電阻在土壤電阻率210Ω·m時(shí)的接地電阻Ω。不滿足接地電阻的要求,需要加強(qiáng)接地措施。
2.方案二
電解離子接地極降阻。電解離子接地極是通過電極自身的釋放孔吸收空氣中的水分,然后與自然的電解鹽等晶體物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成電解離子,通過小孔釋放到周圍的土壤中去。這樣一來可以不斷的改善周圍土壤電阻率,并增加周圍土壤的導(dǎo)電性,從而降低接地電阻;另一方面,通過向周圍像毛細(xì)血管狀的電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)不斷滲透得可大大增加離子接地極的等效直徑和等效長度,而降低接地電阻。
電解質(zhì)離子接地極理論計(jì)算:
在不改變水平接地網(wǎng)前提下,在水平接地網(wǎng)周邊設(shè)置38根SGR-DLФ54的電解質(zhì)離子接地極,原接地網(wǎng)內(nèi)部的40根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒不變。
2.1使用38根SGR-DL2Ф54的電解質(zhì)離子接地極并聯(lián)后的接地電阻:
a:電解質(zhì)離子接地極的等效直徑0.2m;L:電解質(zhì)離子接地極的長度3m;:38根電解質(zhì)離子接地極并聯(lián)后的接地電阻;:單根電解質(zhì)離子接地極的接地電阻。Ω
2.2 使用40根純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻:
:40根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒并聯(lián)后的接地電阻;
:單根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒的接地電阻。
Ω
2.3 38根SGR-DLФ54的電解質(zhì)離子接地極,原接地網(wǎng)內(nèi)部的40根Ф20mm×2.5m純銅實(shí)體接地棒及水平接地網(wǎng)構(gòu)成的接地裝置的接地電阻:
:水平接地網(wǎng)接地電阻1.05Ω。
R:采用電解質(zhì)離子接地極后接地電阻。
R=0.32Ω
2.4 在水平接地極每邊包裹上5cm的SGR-M2降阻劑,添加降阻劑后可提高降阻效果。填充降阻劑前測量接地電阻為0.32Ω,填充后可降阻15%,整個(gè)接地網(wǎng)接地電阻為:0.32×85%=0.28Ω<0.5Ω滿足要求。
3.方案比較分析
以往接地降阻方法有打深井、加降阻劑和增設(shè)外引地網(wǎng)3種。采用深井接地的方式,工程費(fèi)用較高,而且由于本牽引變電所的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本是巖石,電阻率大大超過表層,打深井接地的降阻效果差。降阻劑的降阻幅度也非常有限,況且大多數(shù)降阻劑對接地體有較大的腐蝕作用,從長期運(yùn)行來看,得不償失。采用增設(shè)外引地網(wǎng)則存在征地困難,以及周邊地質(zhì)條件與本所相近,降阻效果有限。
海勒斯壕南牽引變電所因地形及其他地質(zhì)條件限制,在不改變水平接地網(wǎng)前提下,只能采用增加接地極、填充電阻率較低的物質(zhì)和高效低阻防腐接地材料聯(lián)合實(shí)現(xiàn)降阻措施。
通過本次牽引變電所地網(wǎng)實(shí)例表明,相對于傳統(tǒng)的接地降阻措施,在土壤電阻率比較高或者接地面積比較小的地方,采用電解離子接地極與水平地網(wǎng)結(jié)合的接地方案的降阻效果更為明顯。
五、結(jié)束語
變電所的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)施在提高接地網(wǎng)的使用壽命、降低接地工程造價(jià)的同時(shí),應(yīng)保證接地系統(tǒng)的可靠性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、耐腐性。在部分牽引變電所建設(shè)時(shí),由于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件較差,土壤電阻率較高,而征地面積受限的條件下,常規(guī)化的地網(wǎng)設(shè)計(jì)已不可行,本文通過牽引變電所防雷接地網(wǎng)應(yīng)用常規(guī)化接地網(wǎng)方式和采用離子接地極方法進(jìn)行了對比分析。通過這樣一個(gè)課題的研究,采用電解質(zhì)離子接地極系統(tǒng)的方案解決了上述問題。結(jié)合其施工的便利性及相對經(jīng)濟(jì)性,在相應(yīng)的防雷接地工程中更具實(shí)用性。
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