完整版电力系统变电站接地网分析与优化毕业设计.docx
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完整版电力系统变电站接地网分析与优化毕业设计
毕业论文
题目电力系统变电站接地网分析与优化
专业：
电气工程及其自动化
学院：
电气工程学院
年级：
学习形式：
学号：
论文作者：
指导教师：
职称：
学院制
完成时间：
年月日
郑重声明
本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，否则，本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。
学位论文作者（签名）：
年月
摘要
变电站的接地网是确保变电站工作接地、保护接地和防雷保护接地的必要设施，也是保障人身和设备安全、保证变电站可靠运行的重要手段。
在我国的电力发展史上，曾多次出现因接地网设计不当造成的停电事故和安全隐患，因此，接地网的安全应引起电力部门的高度重视。
特别是近年来我国经济的快速发展推动了电力负荷需求节节攀高，为了满足负荷日益增长的需要，变电站正朝大容量、特高压、紧凑型方向发展。
接地短路电流越来越大，同时国家政策要求新建工程要少占或不占良田好土，建在高土壤电阻率地区的变电站越来越多，这些因素给变电站接地设计和施工造成了困难。
为确保变电站投运后接地网的安全，就必须把好接地网设计这一关，从源头上减少和排除接地网出现故障的隐患。
关键词：
变电站、地网设计、接地阻抗、测量
Abstrac
Thesubstationgroundnetworkistoensurethatthesubstationgrounding,protectivegroundingandlightningprotectiongroundingnecessaryfacilities,andtoensurethesafetyofpersonandequipment,toensuretheimportantmeansofsubstationandreliableoperation.Powerdevelopmenthistoryinourcountry,hasrepeatedlyappearedduetoimpropergroundingnetworkdesignofthepoweroutageandsafehiddentrouble,therefore,thesafetyofgroundingnetworkshouldbepaidattentionduringtheheightofthepowersector.Especiallyinrecentyearstherapiddevelopmentofeconomyofourcountrypromotesthespirallingpowerloaddemand,inordertomeettheincreasingneedsoftheload,thetransformersubstationismovinginthedirectionoflargecapacity,highpressure,compactdevelopment.Groundingshortcircuitcurrenttothebigger,atthesametime,nationalpolicyrequiresless（ornot（newconstructionland,thegoodearth,builtinhighsoilresistivityareasubstationstandmoreandmore,thesefactorscauseddifficulttosubstationgroundingdesignandconstruction.Inordertoensurethesafetyofsubstationsparametergroundnet.through,youmustputthisgoodgroundingnetworkdesign,fromthesourcetoreduceandeliminatethehiddentroubleofthegroundingnetworkfailure.
Keywords:
substation,indesign,groundingimpedance,measurement
摘要I
AbstracII
目录III
1绪论1
1.1接地技术的背景1
1.2接地的意义1
1.3接地网再国内的发展1
2接地的基本原理3
2.1接地的概念3
2.2接地的作用3
2.3电气接地的分类4
2.4土壤电阻率5
2.4.1土壤电阻率ρ的取值6
2.4.2接地电阻值的要求7
2.4.3直接计算法9
2.4.4变电站地网的接地电阻10
2.5跨步电位差与跨步电压11
3变电站接地网设计13
3.1概述13
3.2变电站地网设计的总原则13
3.2.1对接地电阻的要求14
3.2.2接触电位差和跨步电位差允许值14
3.3地网的设计步骤和方法15
3.3.1调查土壤特性15
3.3.2入地故障电流的计算16
3.3.3地网导体材料及截面的选择16
3.3.4选择地网的布置方式18
4变电站接地网优化设计20
4.1接地网接地电阻计算及量大电阻的确定20
4.2减小接地电阻的方法20
4.2.1两层接地网20
4.2.2深井式垂直接地极21
4.2.3用自然体接地21
4.2.4引外接地21
4.2.5扩大接地面积22
4.2.6使用降阻剂22
4.3工程设计中的几点建议22
4.3.1土壤电阻率的测量要准确23
4.3.2接地施工应提前进行23
4.3.3优先考虑深井式垂直接地极23
4.3.4接地体的选择23
4.3.5降低接地电位的其他方法23
5与接地网相关的问题25
6结论27
致谢28
参考文献29
1绪论
1.1接地技术的背景
接地技术作为一门新兴的边缘学科，主要是建立在电学理论基础之上的。
这门学科的兴起及其发展与电学比较，晚了近90年。
1981年，美国学者G夏里克（Sharik）指出：
“接地技术不能列为一门精密的科学，在很大程度上它是一种理论科学、实践经验和个人心得的综合技术。
”
日本学者高桥建彦指出：
“与其说接地是理论，倒不如说是一种现场必须反复进行实践的技术。
这是因为大地的电气特性有许多不确定的因素，不能用一句话简单地下结论，并且在很多场合不能纸上谈兵，只能通过理论计算就得出结论。
接地是越想深究其问题就越是深奥的技术，不是能轻易解决的一门学问。
”
1.2接地的意义
电力系统的接地问题是一个看似简单、而实际上却又非常复杂又至关重要的问题，它直接关系到人身和设备的安全。
特别是随着电力系统的发展，电网规模不断扩大，接地短路电流越来越大，各种微机监控设备的普遍应用，对接地的要求越来越高。
在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及其电气设备的某些部分与地中的接地装置相连接，这就是接地。
接地网不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的参考地，而且在系统故障时可将故障电流迅速排泄，降低变电站的地电位升高，以保证人身和设备安全。
调查表明，我国曾发生多起因接地系统接地电阻未达到要求所导致的事故或事故的扩大。
据统计，每发生一次事故的直接经济损失都在几百到数千万元，并且间接所造成的社会影响也非常之大。
1.3接地网再国内的发展
随着电力工业的发展，电力变电站一次设备二次保护对接地装置的要求不断提高。
接地装置是确保电力设备安全运行及其工作人员人身安全的重要设备。
电力系统中对接地装置的要求越来越严格，变电所接地系统直接关系到变电所的正常运行，更涉及到人身与设备的安全。
然而由于接地网设计考虑不全面、施工不精细、测试不准确等原因，近年来，发生了多起地网引起的事故，有的不仅烧毁了一次设备，而且还通过二次控制电缆窜入主控室，造成了事故扩大，故接地网对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。
大型枢纽变电站，就因开关室接地与主接地网之间的接地电阻不合格，引发接地网局部地电位升高，造成高电压、大电流窜入直流系统、继电保护系统、击穿保护二次电缆、造成主控楼及保护装置、二次电缆、低压配电设备全部烧毁；150MVA主变压器和220kV、110kV部分高压设备烧毁。
致使多家大型发电厂被迫停机，造成电力系统解裂大面积停电。
现在尤其是35kV、10kV系统接地故障，由于接地网存在缺陷导致变电站接地网局部电位升高，致使避雷器不能正确动作，甚至发生逆闪，引发母线对地放电，开关爆炸，烧毁电气设备，甚至烧断接地装置，造成大面积停电的事故时有发生。
然而，因为设计、施工、验收等各个方面的因素，未能有效地解决接地装置的防腐问题。
比如，福州电业局旗山变，经过多次普测和开挖检查，发现接地网锈蚀严重，接地电阻逐年升高。
规程规定：
变电站接地装置接地电阻应不大于0.5欧。
而该站接地网接地电阻由建站时的0.46欧升高至2007年的1.05欧。
2接地的基本原理
2.1接地的概念
所谓接地，就是把电气系统、电路或设备的某一部分通过接地装置同大地紧密连接在一起。
其目的在于确定与之相连接的导体电位并使之大致维持在大地电位。
接地是一种有目的的永久性或临时性的导体连接，通过这种连接而使电路或设备成为接地的。
电气连接处与地相接触的导体称为接地体。
若接地体为垂直埋设在地中的金属导体则称为垂直接地体；若接地体为水平埋设在地中的金属导体则称为水平接地体；若接地体为一组水平埋设的金属导体网格则称为水平接地网。
若接地体为水平接地网和垂直接地体共同构成则称为复合接地网。
电气回路或电气设备与接地体之间的电气连线称为接地引线。
接地引线、接地体统称为接地装置或接地系统。
接地功能是能过接地装置或接地系统来实现的。
电力系统的接地装置可分为两类，一类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接地体等；另一类为变电站的接地网。
表征接地装置电气性能的参数为接地电阻，关于接地电阻的内容将在后面的章节介绍。
到目前为止，接地仍然是应用最广泛的并且无法用其他方法替代的电气安全措施之一。
2.2接地的作用
接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受破坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。
防止人身遭受电击将电气设备在正常运行时不带电的金属导体部分与接地极之间做良好的金属连接，以保护人体的安全，防止人身遭受电击。
当电气设备某处的绝缘体损坏后外壳就会带电，由于电源中性点接地，即使设备不接地，因线路与大地之间存在电容，此时人体接触到设备外壳时也会有电流流经人体；或者线路上某处绝缘不好，如果人体触及此绝缘损坏的电气外壳时，电流就会经人体而成通路，从而使人体遭受电击伤害。
有接地装置的电气设备，当绝缘损坏、外壳带电时，接地电流将同时沿着接地极和人体两条通路流过，此时，人体与接地极是并联的关系，流过每一条通路的店里只将与其电阻的大小成反比，接地极电阻越小，流经人体的电流也就越小。
通常人体的电阻比接地极电阻大数百倍，所以流经人体的电流就比流经接地极的电流小数百倍。
当接地电阻极小时，流经人体的电流几乎等于零，相当于接地极将人体短路，因此，人体就能避免触电的危险。
所以，不论施工还是运行，在一年中的所有季节，均应保证接地电阻不大于设计或规范中所规定的接地电阻值，以免发生电击伤害。
保障电气系统正常运行：
电力系统接地一般为中性点接地，中性点的接地电阻很小，因此中性点与地之间的电位差接近于零。
当相线碰壳或接地时，其他两相对地电压，在中性点绝缘的系统中将升高
为相电压的3倍，而在中性点接地的系统中则接近于相电压，因此中性点接地将有利于系统的稳定运行，防止系统震荡，且系统中的电气设备和线路只需按相电压来考虑其绝缘水平，可降低电气设备的制造成本和线路的建设费用。
中性点接地的系统，还可以保证继电保护的可靠动作。
通信系统一般采用正极接地，可防止杂音窜入和保证通信设备的正常运行。
电力线路需要稳定的参考点才能正常运行，因此也需要进行接地。
防止雷击和静电的危害：
雷击时会产生静电感应和电磁感应，物料在生产和运输过程中因摩擦而引起的静电，都有可能造成电击或是火灾的危险。
直接遭受雷击的危害，比之于感应雷就更大了，而且发生的机会更多，所以，为了防止直击雷，必须装设防雷装置。
所有防雷装置和防止静电危害的措施中，最主要的方法就是设置接地装置。
2.3电气接地的分类
常用的接地方式按其作用或功能来分可分为以下几种。
（1）工作接地。
也叫系统接地，为了满足电力系统运行方式的需要，在电力系统中的适当地点进行，保证电力设备在正常或事故情况下能可靠工作而设的接地，称为工作接地。
如发电机和变压器中性点直接接地或经消弧线圈接地；在直流系统中还包括相线接地。
（2）保护接地。
也叫安全接地，为防止电气设备绝缘损坏而使人身遭受触电危险，将与电气设备绝缘的金属外壳或构架与接地极做良好的连接，称为保护接地。
接低压保护线（PE线）或接地保护中性线（PEN线），也称为保护接地。
停电检修时所采取的临时接地，也属于保护接地。
（3）防雷接地。
将雷电流导入大地，防止雷电伤人和财产受到损失而采取的接地，称为防雷接地。
如避雷针、避雷线和避雷器等向大地泄放雷电流而设的接地。
防雷接地装置只是在雷电冲击作用下才会有电流流过，经防雷接地装置向地中散流的雷电流幅值可达几十甚至几百千安，但持续的时间很短，一般只有数十微秒。
（4）屏蔽接地。
将设备的金属外壳或金属网接地，以保护金属壳内或金属网内的电子设备不受外部的电磁干扰；或者使金属壳内或金属网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。
这种接地称为屏蔽接地。
法拉第笼就是最好的屏蔽设备。
（5）防静电接地。
将静电荷引入大地，防止由于静电积累对易燃、易爆，如易燃油、天然气储罐和管道等设备以及人体受到损伤的接地，称为防静电接地。
而油罐汽车后面拖地的铁链子也属于防静电接地。
（6）逻辑接地。
电子设备为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属部件，如金属底座等作为零参考电位，把需要获得零电位的电子器件接于该金属部件上，如金属底座等，这种接地称为逻辑接地。
该基准电位不一定与大地相连接，所以它不一定是大地的零电位。
（7）信号接地。
为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号接地。
（8）防电腐蚀接地。
在地下埋设金属体作为牺牲阳极以达到保护与之连接的金属体，如输油金属管道等，称为防电腐蚀接地。
牺牲阳极保护阴极的称为阴极保护。
2.4土壤电阻率
人们为了进行正确合理的接地设计，需要了解电流在地中流动的分布规律，而地中电流的分布规律除了和电流的频率有关外，还决定于大地的电学性质。
表征大地电学性质的主要参数是大地的电阻率、介电常数和磁导率。
据分析，在一般情况下，研究直流或工频接地时，可以把大地看成导体；而研究冲击接地时，在低电阻率地区，只需考虑传导电流的作用，只有在高电阻率地区，才需要考虑位移电流的影响。
电阻率是物质的基本属性，它非常明确地表征物质的导电性能。
物质的电阻率是该物质单位立方体的电阻，用表示，单位为欧姆·米，记为Ω·m。
将被测物质做成横截面为S,长度为L的几何体，夹在两电极之间，并通以电流，分别用电流表、电压表测出回路中的电流I和电极两端的电压U，则电极间物质的电阻为
R=U/I，再由R=ρL/S计算出物质的电阻率为：
ρ=RS/L=（U/I）（S/L）（2-1）
物质的电阻率与几何形状无关，而电阻则由其几何形状的大小决定。
物质的电导率为电阻率的倒数，用表示，单位为西门子/米，记为s/m。
2.4.1土壤电阻率ρ的取值
土壤电阻率ρ是决定接地网的关键参数，选择变电所所址时，要考虑所在地的土质情况，接地网处的土壤分层情况，不能仅取表层土壤的电阻率ρ，若土壤电阻太大，接地网的接地电阻值满足不了R≤2000/I的要求。
定性地说，电流通过接地极向周围大地无穷远出散流时大地土壤所呈现的总电阻，称为接地电阻。
接地电阻的定量定义是：
假设在某个电极上流入接地电流I，而接地极的电位比周围大地无穷远处高出U时，则接地极电位U对接地电流I的比值U/I称为接地电阻。
这个定义必须附加下述两个条件：
要使接地电流流向接地极，必须作出闭合回路，当然必须向大地打人另一个接地极，然后将电源接入两个电极之间即可产生接地电流。
这另外一个电极叫做辅助电极，要设置在离主接地极足够远的地方（理论上在无穷远处）。
这样做可以忽略给主电极带来的影响。
接地极的电位上升必须以大地的无穷远点为基准（零电位）。
这里所说的无限远点是指即使有接地电流，电位也不变动的地点，即意味着与通电前的状态没有变化的地点。
将这个地点作为电位的基准点（零电位），因此，可以从电位上升值及其接地电流求出真正的接地电阻。
关于金属接地极自身的电阻：
一般金属，例如纯铜的电阻率为ρ=1.7*106Ω·cm，而一般土壤（无岩石）的平均电阻率为ρ=1*104Ω·cm，它是纯铜电阻率的57亿倍。
由于金属接地极自身的有效电阻极小，所以计算接地极接地电阻时常常忽略金属接地极自身的电阻。
关于接地极与土壤的接触电阻：
金属接地极的表面通常都是很光滑的，而土壤是由微小的固体颗粒组成的。
两种物体接触实际是“点”接触，而不是“线”或“面”接触，所以在接触界面处有接触电阻。
一般说来，对同一类型土壤，打入的垂直接地极（角钢等）比埋入式的水平接地极的接触电阻更小。
但即使是水平埋设的接地极，由于埋设后要对回填土层层夯实，再加上水平导体上面通常有0.6~0.8m土体的压力，所以也会逐渐接触良好。
就算有一些微小空隙，经雨水后，其空隙也会因土壤膨胀而接触良好，或被地下水填满小空隙，形成良好接触，所以在接地极的接地电阻计算中也忽略接触电阻。
关于接地极周围土壤的电阻：
电流在电极周围土壤散流时所引起的土体电阻是很大的，土壤电阻率越高，阻力越大。
这是接地电阻的主要部分。
由此可知，在接地技术中所定义的接地极的接地电阻，一般都忽略接地极的有效电阻和接触电阻，实际上就只考虑接地极周围大地土壤的电阻。
2.4.2接地电阻值的要求
根据电力行业标准DL/T621197规定，接地装置的接地电阻值应满足R≤2000/I，即IR<2000V。
由于现在普遍采用微机保护，其对接地电阻值的要求很高，即R<1ρ，2000V难以满足要求，故有的采取铺设接地铜排等措施来降低接地电阻值，国外有的已要求IR<650V。
（1）电气装置的下列部分均应接地
1）变压器、油开关、35PT、35CT、所用变、刀构架等金属底座和外壳。
2）控制保护用二次线等及外壳等可靠接地。
3）控制设备的金属外壳。
4）避雷针
（2）电气装置的下列部分可不接地
1）安装在配电屏、控制盘和配电装置上的电气测量仪表、继电器和其它低压电器等的外壳以及发生绝缘损坏时，在支持物上不会引起危险电压的绝缘子的金属底座等。
2）安装在已接地金属构架上的设备，如穿墙套管等。
（3）接地装置宜采用钢材，接地装置的导体截面应符合热稳定和机械强度的要求，但应不小于表2-1规格。
表2-1钢材安装要求表
种类规格及单位
地上
地下
室内
室外
交流电流回路
直流电流回路
园钢直径（mm）
6
8
10
12
扁钢
载面（mm2）
厚度（mm）
60
3
100
4
100
4
100
6
角钢厚度（mm）
钢管管壁厚度（mm）
2
2.5
2.5
2.5
4
3.5
6
4.5
规范中严格规定电力系统各种接地装置的电阻值，接地网的设计就是以此为目标值。
了解接地网电阻构成，在设计中可以在主要影响接地网电阻的环节采取相应的措施，以降低接地网的电阻值。
接地网的电阻由以下几个部分构成：
1）接地引线电阻，是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。
2）接地体本身的电阻，其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。
3）接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值怀土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。
4）从接地体开始向远处（20米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。
决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。
接地电阻虽由四部分构成，但前两项所占接地电阻值的比例甚微，起决定作用的是接触电阻及散流电阻。
故从接地网的接地体的量佳埋设深度和不等长接地体技术，两面三个方面来论述降低接触电阻和散流电阻的措施。
5）垂直接地体的量佳埋置深度，是指能使用权散流电阻尽可能达到的埋置深度。
决定垂直接地体的量佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网，是指垂直接地体的埋置深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网（即埋置深度与等值半径之比大于1/10）。
在可能的范围内埋置深度应尽可能取最大值，但并不是埋置深度L越深越佳。
6）接地体的通常设计，是用多根垂直接地体打入地中，并以水平接地体并联组成接地体组，由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入名单一接地体时，将受到相互的限制而妨碍电流的流散，即等于增加名单一接地体的电阻，这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用，如图一所示：
由于屏蔽作用，接地体的流散电阻，并不等于名单一接地体流散电阻的并联值。
从理论上说，距离接地体20米处为电气上的“地”，故极间距离为40米时，可以认为其利用系数η为L。
在接地网的接地体的布置上，是很难做到两单一接地体之间距离为40米，为解决在设计中与理论分析中的矛盾，采取不等长接地体的体系结构，即各垂直接地体的埋置深度各不相等，便可达到良好的效果。
不等长接地体技术，从理论上到实践应用中，都较好的解决了多个单一接地体间的屏蔽作用。
2.4.3直接计算法
接地电阻的大小等于接地极的点位升高与通过接地极流入地中的电流的比值，它与土壤特性以及接地极的几何尺寸等因素有关。
接地极的接地电阻可以通过电流场的求解得到，电气设备大多在工频电源下进行，由求解恒定电流场计算得到的接地电阻，在工频下仍然适用。
下面以半球形接地极为例进行讨论。
设金属半球的半径为r0，经它向地中流散的电流为I，假定大地是电阻率为ρ（Ω·m）的均匀半无限大介质。
在距球心O的距离为r（rr0）处的电流密度为：
J=（2-2）
电场强度为：
（2-3）
以无穷远处为零电位参考点，则r处的电位为：
（2-4）
则接地极上的电位为：
（2-5）
式中，当r=10r0时，将有R=0.9R。
可见离开接地极距离为接地极尺寸10倍以内的土壤电阻R’占接地极接地电阻的90%，所以该部分土壤的特性对接地极接地电阻具有很大的影响。
一个由多根水平导体组成的接地网可以近似地当作一块孤立的金属平板，它的电容主要由面积大小决定。
如果在平板上装有较短的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，电容增加不多，接地电阻减小亦不多。
经大量的研究和分
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