毕业论文-发变电站接地安全设计(5)

若避雷线分流系数为Ke1 ，则经避雷线分走的电流IB 1 为：

2、断路故障发生在站外

图 3.2 为短路发生在接地网外的情况。经大地自地网返回的短路电流将由电站本 身提供。同样，由于避雷线的存在，In 分量中将有一部分经避雷线直接返回电源中性点， 则经地网返回的电流：

但是由于短路电流的流通路径及其电流的分布受到短路故障的类型和位置、系统的

结 构与参数、变电站和杆塔接地电阻、相线和架空地线参数、系统将来(5~10 年)的发展等因素的影响。因此，要精确地计算Kf 1 与Kf 2 是十分困难的。在接地设计计算时，先分别计算 Ke1 、Ke2 ，然后取较大者作为计算用入地短路电流。

3.3.3 地网导体材料及截面的选择

在接地工程中，地网材料及截面的选择合理与否，直接影响到地网的经济技术指标。 特别是在系统容量和电压等级不断提高、入地故障电流和地网尺寸越来越大的情况下，合 理地选择导体材料和截面显得更加重要。下面分别讨论选择导体材料和截面时应考虑的因 素及选择原则。

1、导体材料的选择

选择导体材料时应当考虑导体的热稳定性、在土壤中的腐蚀速度、导电性、材料价格 及来源等。目前世界上普遍采用的接地材料是铜和钢两种，国外大多采用铜做接地材料， 而根据国情，我国绝大多数接地材料选用的是钢。下面简要分析和讨论这两种材料的性能。

(1) 热稳定性

在大接地短路电流系统中，入地故障电流一般在几千安到几十千安的范围内，这样强 大的电流经地网向地中流散时，将在导体中产生很高的热量，入地故障电流持续时间取决 于系统主保护动作时间和断路器的分闸时间，一般只有零点几秒，在这样短的时间内导体 产生的热量来不及向周围土壤中扩散，几乎全部热量都用来使导体温度升高。当温度超过 一定值以及经土壤自然冷却后，导体的机械强度会剧烈下降，特别是在导体之间的连接处， 如果再遇短路电流电动力作用，导体就会遭到破坏。当短路电流很大，导体温度升到很高， 达到金属材料的熔点时，导体将会熔化。这两种原因都可能使接地引线和地网导体断裂解 体，地网失去作用，而使系统故障扩大，造成巨大的经济损失。每一种导体材料都具有一 短时最高允许温度，如果导体温度超过它，就意味着其性能下降。同样每种导体材料都有 它自己的熔点。允许最高温度及熔点越高，其热稳定性能越好。铜的短时最高允许温度为 300℃，熔点为 1 083℃；钢的短时最高允许温度为 400℃，熔点为 1 550℃。因此，钢的 热稳定性比铜要好些。

(2) 土壤对金属导体的腐蚀性

埋在土壤中的金属将受到土壤的腐蚀。它属于电化学腐蚀的范畴。土壤中的水溶解有 盐和其他电解质而形成电解质溶液，但土壤的腐蚀性比电解质溶液的腐蚀性更为复杂、严 重。由于土壤的腐蚀作用，随着时间的推移，导体直径将不断减小，会造成地网导体的热 稳定性和导电性下降，严重时可能造成导体断裂使地网解体而引发事故，因此，在选择导 体材料时应考虑选用耐腐蚀的材料。

土壤对导体的腐蚀程度可以用腐蚀速度来表示。导体的平均腐蚀速度可以用导体单位 时间内单位面积上所失去的重量来表示，如 g/cm2·a；也可以用单位时间内金属表面的腐 蚀深度来表示，如 mm/a。通常用腐蚀深度来表示更为确切。据有关资料表明，未镀锌钢 在土壤中腐蚀速度约为铜的 4~5 倍，而镀锌钢在土壤中的腐蚀速度仅为铜的 1~2 倍，可见 铜的耐腐蚀性最强，镀锌钢比不镀锌钢强。但应当注意，金属在土壤中的腐蚀要受到许多 因素的影响(诸如土壤的孔隙度、土壤电阻率、水分中溶解的盐类、酸碱性和细菌等)，因 此在不同的土壤环境中，金属导体的腐蚀情况有很大的差别，建议在进行土壤电阻率测量 的同时，还应当测量站区内土壤对铜或钢的腐蚀速度，为导体材料和截面的选择提供可靠 的数据。通常采用的测量土壤对金属导体的腐蚀速度的方法有失重法和电化学法。

(3) 导体的导电性 在大型地网中，当强大的入地故障电流经地网流散时，因导体电阻的存在，会造成地网导体上各部分的电位不相等。地网尺寸越大，土壤电阻率越低，导体导电性越差，各部 分的电位差也越大，例如，面积为 50×50cm2，均压导体间距为 12.5cm 的等间距布置的正 方形地网，在电阻率为 30?·m 的自来水中，当自地网的一角注人电流时，其对角的电位 降低值为：5.3%(钢为接地材料)、4.3%(铜为接地材料)。在其他条件不变的情况下，水的 电阻率降为 1.8?·m 时，钢为接地材料的地网电位降低值增加到 35.6%。如果以地网各金 属导体电位相差 10%计算，取电流入地点电位(即地网电位升)为 4000V，则与地网不同点 相连的各设备外壳之间可能出现的最大电位差将达 400V，设计中必须考虑对这种局部电 位差的控制，否则将会引发事故。

(4) 材料的成本和来源

铜的价格约为钢的几倍到十几倍，且铜的矿藏量比铁少得多，当然选用钢比铜好。铜 和钢地网各有优缺点，钢的热稳定比铜更好，且经济。铜的导电性和耐腐蚀性比钢强，镀锌钢的耐腐蚀性又比不镀锌钢好，若采用一些防腐措施(如阴极保护)还能进一步提高耐腐 蚀性。此外，一般电气设备的外壳都是钢铁的，地网附近还可能有其他金属管道，若地网 导体选用铜，将会和与之相近的(或相连的)其他金属材料构成原电池，反而加速了对钢铁 构件的腐蚀。而采用镀锌钢就不会或很少出现这种情况，因此根据我国国情建议选择镀锌 钢作为接地材料是比较适宜的。

2、导体截面的选择

导休截面的选择一般可根据热稳定性要求来确定导体的最小截面，然后再根据对地网 运行寿命的要求以及实测得到的土镶对地网导体的腐蚀速度计算得到导体截面积，然后将 两者进行比较，取大者，再考虑一定的裕度，最后确定应该选择的导体截面积。考

虑裕度 的理由是，因为导体在土壤中的腐蚀并不是均匀腐蚀。一般来说，导体截面越大越不均匀， 但是在相同的土壤环境中表征散流特性的接地电阻主要取决于地网的面积，导体半径对它 影响很小，可以不考虑议一条件。

(1) 由热稳定性确定导体截面

假定导体短时发出的热量全部用来使导体温度升高，为了使导体满足热稳定要求，即 导体温度不超过其允许温度，则

由于电流大，导体温升快，所以导体电阻 R 和比热容 c 都是随温度变化的函数，即

ρ0

、C0 分别是 0℃时导体的电阻率(?·cm)和比热容(w·s/g·℃)，L 为导体长度

(cm)，S为导体截面积(cm2)，、分别为导体的电阻温度系数和比热容温度系数，为导体温度(℃)。地网导体一般为均匀导体，其质量为导体质量密度(g/cm3)。将式(3-10)和式(3-11)带入式(3-9)，经化简整理得

很方便地算出满足热稳定要求的导体最小截面积。对于一定的材料，k 为定值，如钢导体 k=70，铜导体 k=210，铝导体 k=120。

(2) 由土壤对导体的腐蚀速度来确定截面

根据实测得到的土壤对导体的年腐蚀速度(mm/a)以及预期的地网运行寿命，就能很容易地得出导体的最小截面，然后考虑一定的裕度系数就能得到按腐蚀速度确定的导体截面积。

3.3.4 选择地网的布置方式

发电厂、变电站接地装置大多数都是以水平接地极为主，外缘闭合，内部敷设若干均 压导体的接地网。在过去的设计中，均压导体一般按 3m、5m、7m、10m 等间距布置。由于端部效应和邻近效应，各均压导体流散电流很不均匀，地网中部导体流散的电流较小， 而在边角处导体的流散电流急剧增加，这就使地网内部的地表面电位分布很不均匀，造成 地网边角处的接触电位差和中心处的接触电位差相差根大，且这种不均匀随地网面积的增 大和网孔数的增多而越来越严重。为了保证发电厂、变电站人身和没备安全，又不过多地 耗费铜材，设计是以比边角网孔低 20%~30%的次边角网孔电势不超过允许接触电位差为 原则。但这样做并没有根除因地面电位分布不均匀而引起事故的危险，还需要在地网边角 处采取辅助安全措施，面中部导体得不到合理利用。这样，大型地网均压导体如果仍按传 统的等间距布置，在技术经济上都是不够合理的。为了改变这种情况，最好的方法是采用 不等间距布置均压导体，有关用不等间距布置均压导体的合理性及其布里的规律请参看其他文献。

经分析研究表明，在大中型地网周边埋设 2~3m 或远小于地网等值半径的垂直接地体 对降低整个接地装置的接地电阻的效果不大。所以，除在避雷针(线)和避雷器附近埋设集 中的垂直接地体以流散雷电流以外，在地网的周边一般不敷设垂直接地体。但是，如果在 埋设地网的地方土壤上层的电阻率远比下层的电阻率高，或者地网处于容易干燥或冰冻的 土壤地区的情况下，可以在地网周边埋设若干垂直接地体，并与水平接地网相连。这样既 可以进一步减小接地电阻，也可以维持地网的性能，使之不随气候的变化而发生显著变化。 垂直接地体的长度在 10~50m 的范围内，它们之间的距离以大于相邻两

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