發(fā)電廠電力接地系統(tǒng)的設(shè)計研究

施躍

（國能常州發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213033）

電力接地系統(tǒng)的設(shè)計要綜合考慮多方面影響因素，主觀因素如接地材料的選擇、接地體的連接方式，客觀因素如土壤電阻率等、土壤含鹽量等。只有充分考慮這些因素的影響，才能使電力接地系統(tǒng)的設(shè)計方案更加科學(xué)，后期安裝完畢后才能保證接地保護(hù)功能的順利實現(xiàn)。除此之外，設(shè)計人員還應(yīng)從電力接地系統(tǒng)的使用壽命、安裝現(xiàn)場的自然環(huán)境等方面，對設(shè)計方案予以優(yōu)化，使接地系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下維持穩(wěn)定、長期運行。在滿足發(fā)電廠經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上，也能保障電力用戶的用電需求。

1 發(fā)電廠電力接地系統(tǒng)的設(shè)計流程

1.1 確定土壤電阻率

土壤電阻率是影響接地系統(tǒng)功能發(fā)揮的關(guān)鍵指標(biāo)，也是決定接地體電阻的重要因素。理論上來說，土壤電阻率越小，越有利于電力接地系統(tǒng)的運行。如果安裝區(qū)域的土壤電阻率較大，則必須采取降阻措施。因此，在電力接地系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)開展現(xiàn)場測定，確定施工區(qū)域內(nèi)各處土壤電阻率的實際值。開展現(xiàn)場勘測時，除了土壤電阻率這一指標(biāo)外，還可同時測定土壤含鹽量。土壤電阻率、含鹽量與接地體金屬腐蝕率的關(guān)系如表1 所示。

表1 土壤電阻率、含鹽量與金屬腐蝕率的關(guān)系

1.2 挑選接地體材質(zhì)

選擇接地體時，應(yīng)滿足三方面要求：其一是導(dǎo)電性能佳，正常情況下不會產(chǎn)生或者只有很小的電位差；其二是穩(wěn)定性能好。在出現(xiàn)故障電流或嚴(yán)重時延的情況下，接地體不會出現(xiàn)明顯的機械變形，維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；其三是環(huán)境適應(yīng)性好。在復(fù)雜地質(zhì)條件或者長期暴露的情況下，不易出現(xiàn)損壞，延長接地系統(tǒng)的使用壽命。現(xiàn)階段常用的接地體材料有銅和鋼兩種。從物理性質(zhì)上來看，銅的導(dǎo)電性、耐腐蝕能力均優(yōu)于鋼。但是考慮到布設(shè)接地網(wǎng)需要大量接地體材料，而鋼的價格更低，有利于成本控制。因此接地體一般選擇鍍鋅鋼。

1.3 計算接地體截面面積

鋼質(zhì)接地體按照型式的不同，又可分為扁鋼、角鋼、圓鋼等類型。在確定材質(zhì)后，設(shè)計人員還需要考慮的一個關(guān)鍵指標(biāo)是接地體的截面面積。通常來說，截面面積越大，電阻越小，但是還要兼顧成本。因此，在設(shè)計時必須要找到一個電阻率較小、成本較低的平衡點。最佳截面面積（S）可通過公式計算：

式（1）中，I 為流經(jīng)接地網(wǎng)的短路電流，單位為A；C 為接地體的熱穩(wěn)定系數(shù)；t 為短路的等效持續(xù)時間，單位為s。

1.4 確定接地體連接方式

接地網(wǎng)的材料組成上，除了鋼外，還有銅、銀等金屬。鋼與鋼之間可采用焊接方式連接。但是不同類型的金屬則需要采取特殊的連接方法。例如，銅排和銅排、銅排與銅絞線之間，一般選擇乙炔焊。但是該方法僅適用于薄且短的材料焊接，如果焊接材料既厚且長，則優(yōu)先考慮壓接線夾連接。例如，兩條裸銅絞線連接時，使用“十字”接線夾，輔助完成銅絞線的連接。螺栓連接也是一種比較常見的方式，除此之外還有放熱焊接等方式，要根據(jù)接地網(wǎng)安裝的具體要求來選擇。

2 發(fā)電廠電力接地系統(tǒng)的降阻設(shè)計

2.1 采用長垂直接地極

在平面接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上，向下埋設(shè)長垂直接地電極，形成立體地網(wǎng)，這樣就可以把入地電流快速疏散至電阻率更低的大地深處。接地電阻的下降率ξ 與長垂直接地極的接地電阻R和無垂直度接地及時接地網(wǎng)的接地電阻R1 有直接關(guān)系，其關(guān)系式如下：

在同一接地網(wǎng)中，分布有若干條垂直接地極，每根垂直接地極的利用系數(shù)η 可表示為：

式（3）中，R2 為多條垂直接地極的并聯(lián)阻值，R3 為R1 與R2 的并聯(lián)阻值。

結(jié)合上述參數(shù)，可以得到η 與L/r（L 為垂直接地極長度，r為接地網(wǎng)等效半徑）的變化曲線，如圖1 所示。

圖1 η-L/r 變化曲線

結(jié)合圖1 變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)在r 值一定的情況下，垂直接地極越長，則電阻率下降值越大?；谶@一規(guī)律，可通過適當(dāng)增加垂直接地極長度的方式，來降低電阻率。

在具體的接地方式上，又可分為爆破接地、深水井接地。前者是通過爆破方式使土壤結(jié)構(gòu)分層，以便于長垂直接地極伸入地層深處；后者則是通過鉆孔成井的方式，把接地極沿著鉆孔伸入地層深處，如圖2 所示。

圖2 深水井接地極

2.2 使用降阻劑

按照降阻原理的不同，現(xiàn)階段常用的降阻劑可分為化學(xué)類、物理類、稀土類三種?；瘜W(xué)降阻劑以電解質(zhì)為導(dǎo)電主體，雖然降阻效果較好，但是本身有一定腐蝕性，目前已經(jīng)逐漸淘汰；物理降阻劑以非電解質(zhì)為導(dǎo)向主體，同樣也有弊端，例如需要使用較大用量才能發(fā)揮降阻效果，另外不適合在地下水較為豐富的地區(qū)使用；稀土類降阻劑是近幾年出現(xiàn)的新材料，主要成分為膨潤土、添加劑等。具有降阻效果好、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，缺點是價格相對較高。

3 電力接地系統(tǒng)的防腐設(shè)計

3.1 科學(xué)選擇接地體材質(zhì)

由于接地體長時間埋置在土壤中，在土壤水分、鹽分的多重影響下，很容易出現(xiàn)腐蝕。因此，為了延長接地系統(tǒng)的壽命，應(yīng)當(dāng)盡可能選擇耐腐蝕的材料。例如，銅的耐腐蝕效果要優(yōu)于鋼，但是其價格較貴，可以在關(guān)鍵節(jié)點上使用銅，保證節(jié)點處連接效果和導(dǎo)電能力良好；在普通位置使用鋼，降低成本。當(dāng)然，還可以采取外渡涂層的方式，進(jìn)一步提高鋼材的防腐能力。

3.2 使用覆蓋層加以保護(hù)

覆蓋層的作用在于將導(dǎo)體與外界隔離，從而避免導(dǎo)體接觸潮濕土壤，達(dá)到了延緩腐蝕的效果。根據(jù)材質(zhì)不同，常用的覆蓋層可分為兩類，一類是金屬覆蓋層，選擇化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的金屬，如鋅、鎳等，采用電泳等方式，使其在接地體表面形成致密的保護(hù)層。另一類是非金屬覆蓋層，如瀝青、油漆以及高分子塑料等，相當(dāng)于在金屬接地體表面包裹一層絕緣護(hù)套。

3.3 電化學(xué)保護(hù)法

電化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致接地系統(tǒng)金屬材料發(fā)生腐蝕的主要原因?；陔娀瘜W(xué)腐蝕原理，可采取的保護(hù)方法有兩種，即犧牲陽極保護(hù)法和外接電源保護(hù)激法。前者是在金屬接地體的表面，采用焊接方式固定一塊化學(xué)性質(zhì)更加活潑的金屬塊，當(dāng)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，首先消耗金屬塊，從而達(dá)到保護(hù)接地體的效果；后者則是使用線夾，一端連接金屬接地體，另一端連接地面電源。持續(xù)通入電流，抑制腐蝕。兩種保護(hù)方法的優(yōu)缺點對比如表2 所示。

表2 金屬接地體電化學(xué)保護(hù)方法對比

4 結(jié)論

電力接地系統(tǒng)是發(fā)電廠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，在進(jìn)行接地系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)重點關(guān)注土壤電阻率的測定、接地體材質(zhì)的選型、接地體截面面積的計算等方面，保證設(shè)計方案的科學(xué)性、可行性。另外，從電力接地系統(tǒng)的實用性考慮，還要在設(shè)計方案中，著重考慮降阻措施和防腐措施。根據(jù)現(xiàn)場情況決定采用長垂直接地極或使用降阻劑降阻，以及采取加覆蓋層或電化學(xué)保護(hù)等措施提高耐腐蝕性能。依托科學(xué)的設(shè)計方案，保障電力接地系統(tǒng)的可靠運行。