离子接地极的接地电阻计算方法.docx

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离子接地极的接地电阻计算方法

变电站接地设计-离子接地极的计算

一、概述：

接地的目的是保证人员安全和设备的安全以及设备的正常运行。

根据康定变电站站址地勘报告，地质条件较为恶劣，土壤电阻率值约为2041Ω.m（土壤电阻率报告推荐值），可供敷设的地网面积约为23500m2，要求按照土壤电阻率计算，在站内能达到的最安全的接地电阻值。

二、参照标准：

1.1GB50169-2006《接地装置施工验收规范》中国国家标准

1.2DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中国电力行业标准

1.3DL/T5161、6-2002《接地装置施工质量检验》中国电力行业标准

1.4ANSI/IEEEStd《交流变电站安全导则》美国国家标准

1.5BS7430-1991《接地装置设计规范》英国国家标准

三、技术要求：

根据DL/T621规范规定，通常情况下，有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻宜符合以下要求：

R≤2000/I

R-考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω；

I-计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。

在该变电站中，入地短路电流I=13.4KA。

因此可计算出接地电阻为R≤2000/I=2000/13400=0.1492Ω。

由于该站接地条件恶劣，接地电阻很难满足R=0.1492Ω。

一般情况下，220KV变电站设计时多要求接地电阻不大于0.5Ω，但是该变电站站址土壤电阻率很高，同样接地电阻很难满足R不大于0.5Ω。

根据设计规范：

当接地装置的接地电阻不符合式要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5Ω，同时跨步电势、接触电势都应满足相关规定。

1、全站接地电阻按接触电势和跨步电势要求反推接地电阻：

已知量：

表面土壤电阻率ρ=2000Ω.m；t=0.2s

接触电势不得大于：

跨步电势不得大于：

根据接触电势反推接地电阻：

已知量：

地网所用材料量L=5450m；地网周长LO=780；地网面积S=23500m2；

接地线等效直径d=0.01236m；

可得出：

根据接触电势反推接地电阻：

已知量：

接地网埋深h＝0.8m；跨步距离T＝0.8m；n=16

可得出：

2、在设备支架周围以设备支架为中心，敷设2m×2m的碎石加沥青，敷设的厚度大于20cm。

根据接触电势反推接地电阻：

取p=6000

；t=0.2s

根据跨步电势反推接地电阻：

根据计算，变电站接地电阻要求小于或等于0.1492欧姆；全站接地电阻按接触电势和跨步电势要求值取0.4759欧姆，采取提高表面接触电阻率的方式，场地地面设备支架和构架上有接地线引下处2米见方铺设厚20cm的碎石加沥青,在水泥地面外的其余场地敷设碎石。

经校核，采取上述措施后，能满足接触电势和跨步电势的要求的接地电阻值为1.1057欧姆。

接地体截面选择：

根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求

式中：

Sg——接地线的最小截面，mm2；

Ig——流过接地线的短路电流稳定值，A（根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定）；

te——短路的等效持续时间，s；

c——接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。

紫铜绞线的热稳定系数为210，此变电站的短路电流稳定值为27KA，等效持续时间为0.4s，代入上面公式得出

因此选用120mm2截面紫铜绞线符合要求！

四、设计参数

（1）根据岩土勘察报告，土壤电阻率推荐值为2041Ω.m。

（2）可使用地网面积23500（m）2

（3）年平均温度21.6℃，全年无结冰期；年降雨量1323.6mm，年平均相对湿度79%，其中，降雨量主要集中在4～9月，12～2月各月的降雨量＜50mm；相对湿度2～8月为80%～82%，其它月份为74%～79%，可见降雨量和湿度的季节变化基本一致，因此可以推断该变电站土壤电阻率基本稳定，一年之中无大变化。

五、方案设计：

在对变电站接地网的设计中，增大变电站接地网面积会导致投资过大，在有限的区域使用增设长的垂直接地体，并开机钻孔添加降阻剂是一个好的方法。

而在此类垂直接地体中，电解离子接地系统是一个好的的选择。

综合考虑变电站接地网的使用年限、地网材料、接地电阻、地质情况、湿度温度等自然因素的影响，采取铺设水平网，地网四周安装13组离子接地极，每组离子接地极都配合降阻剂使用的方法来设计本接地方案。

6.1在变电站围墙内敷设水平接地网，接地网的外缘应闭合。

水平地网材料采用120mm2紫铜绞线，平均间隔宽度约为9米左右。

6.2在水平网四周安装20组离子接地极，每组离子接地极均由两根离子接地棒通过连接导体组成（安装方法详见接地平面图）。

离子接地极安装于口径12cm深15米深井内，深井内同时敷设GEM降阻剂，用于降低接地电阻及消散故障电流。

6.3在水平网交点处及地网四周埋设5/8inch,2.5米长镀铜钢棒作为垂直接地极,用于泄流用与降低接地电阻，同时防止跨步电压与接触电势。

6.4铜绞线与铜绞线、铜绞线与镀铜钢接地极、铜绞线与离子接地极之间的连接均采用放热焊接。

六、接地电阻计算：

1、水平网接地电阻计算：

：

水平接地网的接地电阻，Ω

:

土壤电阻率，Ω·m

S：

地网面积，m2；

已知量：

ρ=2041Ω·m；S=23500m2

代入公式可计算得出：

2、垂直网接地电阻计算

R＝

关于离子接地系统在工程设计中的工频接地电阻计算问题一直存在争议，许多国外和国内的制造商一直使用以上公式的计算方式对电解离子接地系统的工频接地电阻进行计算，其等于假设整个电解离子接地系统为一个垂直埋设的金属接地体，按垂直接地体的工频接地电阻计算公式来计算，然后再给出一个修正的系数，这样的计算和设计是不科学的。

2004年美国电气与电子工程师学会（IEEE）在IEL数据库收录了一篇基于电解离子接地系统工作原理模拟的电解离子接地系统的工频接地电阻计算公式，其充分考虑了电解离子接地系统的接地体长度、初始离子扩散半径、回填料降阻率和电解离子接地系统利用率等参数对电解离子接地系统的工频接地电阻的影响，依据实验的方法给出了近似的模拟计算公式，该计算公式如下：

：

离子接地系统的工频接地电阻；

H：

离子接地系统的长度；

δ：

离子接地系统的初始离子扩散半径；

γ：

降阻剂回填料降阻率;

k：

离子接地系统效率；

在本设计中，以上参数取值分别为（如何取值详见附录）：

H=30m；δ=0.5；γ=0.55；k=0.75

代入公式得：

电解离子接地系统并联的工频接地电阻近似计算如下：

：

1组离子接地系统的使用效果

R2：

n组离子接地系统使用后的效果

n：

使用离子接地系统的组数

：

利用系数

在本设计中参数的取值分别为（如何取值详见附录）：

n=20；

=0.75

代入公式得：

3、地网接地电阻

R1:

水平接地极的接地电阻,6.6537Ω

R2：

垂直接地系统的接地电阻，1.01Ω

代入公式得：

取水平网接地电阻与垂直网接地电阻的并联系数0.9，R=0.88/0.9=0.978Ω。

因为R=0.978Ω<1.1057

，所以能满足该变电站接触电势和跨步电势的要求！

七、材料选型:

1降阻剂

选用生产的物理降阻剂。

该降阻剂主要成分为炭灰电石，导电率为0.21Ω.m，不腐蚀接地材料。

由于含有水泥成分，一旦安装完毕就是永久性的，不会溶解和冲走，符合美国环保局要求。

3-1GEM降阻剂

材料具体说明及安装方法详见说明书《接地产品和系统》

2垂直接地极

选用公司生产的铜镀钢接地棒，铜以分子的形式电镀在高强度钢芯上，厚度可达0.254mm，任意弯折铜层不脱落，不起皮，拥有国际UL认证证书。

接地棒直径1.42cm，单根长度1.22m，可通过连接器组合成任意长度。

3-2铜镀钢接地棒

3焊接工艺

选用放热焊接工艺进行接头的连接。

该工艺焊接的接头电阻小于导体本身，强度优于导体，接头被铜层覆盖因此抗腐蚀性和导电性均非常出色，接头内部无空隙，是真正的分子结合。

该工艺操作简单，省时省力，对操作者无资格证书要求，接头仅凭外观即可判定是否合格。

焊接工具拥有国际UL证书，接头拥有加拿大安达略水利试验室出示的检测证书，保证了接头良好的导电性和抗腐蚀性。

模具实体图

焊接完成接头（十字型）

接头剖面

简单四步即完成放热焊接

八、材料报价表:

序号

品名

型号规格

数量

单位

1

水平接地体

120截面紫铜绞线

5800

米

2

垂直接地体

215

根

3

离子接地极

40

根

4

模具

2

个

5

模具

1

个

6

模具

2

个

7

模具

5

个

8

模具

5

个

9

焊药

100

盒

10

焊药

370

盒

11

焊药

220

盒

12

降阻剂

600

包

13

夹具

2

个

14

模具清洁刷

2

个

15

抗冲击螺栓

20

个

16

去氧化钢刷

2

个

17

电子点火器

2

个

18

模具密封胶泥

3

盒

19

陶瓷隔热毯

1

块

20

喷灯

1

个

九、镀铜钢棒接地极与传统接地系统的性能价格比：

比较项目

传统接地系统

镀铜钢棒接地系统

工程费用

材料费低

施工费高（占地面积大）

其他费用高（打深井等）

适中

低

无

接地材料

钢材（镀锌扁钢或角铁）

铜钢或铜材合金

连接方式

电焊

电气性能不稳定,接触电阻大

放热焊接

电气性能稳定,没有接触电阻

导电性能

导电性良好

导电性好,是钢材的八倍

防腐性能

钢材差

镀锌钢一般

铜材的耐腐性是钢材的十倍

是镀锌钢的三倍

接地效果

不稳定,接地电阻会持续上升

很稳定,接地电阻会保持在一个较稳定的水准

使用年限

不到十年,须定期维护

完全免维护

综合比较

通过上述比较,铜镀钢棒接地系统虽然一次性投入比传统接地系统多些,但它的寿命长,性能稳,免维护的独特性能和优势是传统接地方式无法比拟的.目前在我国的华北,华东电力集团以及各主要城市电厂和变电站已普遍采用。

十、总结：

1、计算得出接地网接地电阻R=0.978Ω<1.1057

，所以能满足该变电站接触电势和跨步电势的要求！

2、该地网水平网采用纯紫铜绞线，垂直接地极采用镀铜钢绞线，连接工艺采用放热焊接。

因此，该地网能在保证在变电站安全运行的条件下，免维护使用40年以上！

附录：

a、电解离子接地系统效率k值的选取

一套离子接地体的长度是3米；那么，一套3～12米的电解离子接地系统的效率是0.85；一套12～30米的电解离子接地系统的效率是0.75；一套30～60米的电解离子接地系统的效率是0.65。

即：

随着电解离子接地系统长度的增加，其工频接地电阻值减小。

b、与土壤电阻率ρ有关的回填剂系数

值的选取

ρ≤500Ω·m，

=0.8；

500Ω·m∠ρ≤1000Ω·m，

=0.7；

1000Ω·m∠ρ≤2000Ω·m，

=0.6；

ρ>2000Ω·m，

=0.55

当土壤电阻率ρ较低的时候，其降阻剂回填料的降阻率也较低，随着土壤电阻率ρ的升高，其降阻剂回填料的降阻作用才逐渐表现出来。

即：

土壤电阻率ρ越高，降阻剂回填料的降阻作用越好，电解离子接地系统的工频接地电阻值越小。

c、与电解离子接地体长度H有关的初始扩散半径δ值的选取

H≤3m，δ=0.8；

3m∠H≤6m，δ=0.7；

6m∠H≤12m，δ=0.6；

12m∠H，δ=0.5；

可以看出，随着电解离子接地体长度的加深，土壤结构越来越致密，其活性离子的初始扩散半径δ逐渐减小，随时间变化的扩散潜力增大。

。

d、利用系数

的取值范围如下：

n≤4；

=0.85；

4∠n≤10；

=0.80；

10∠n≤20；

=0.75；

20∠n；

=0.65；