孫長(zhǎng)海，粘凱昕，馬海峰，王中明，吳　彥

(1. 大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024；2. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗154101)

新型多針式垂直接地系統(tǒng)工程應(yīng)用

孫長(zhǎng)海1，粘凱昕1，馬海峰2，王中明2，吳彥1

(1. 大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024；2. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗154101)

摘要：以國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“新型多針式垂直接地系統(tǒng)研究及應(yīng)用”為背景，應(yīng)用土壤放電理論和尖端放電理論設(shè)計(jì)多針式垂直接地體；通過(guò)沖擊放電試驗(yàn)驗(yàn)證多針式垂直接地體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性；最終實(shí)現(xiàn)了鶴崗電業(yè)局日新110 kV變電所新型多針式垂直接地系統(tǒng)工程應(yīng)用。該系統(tǒng)接地電阻僅為0.336 Ω，且工程占地面積為25 m2，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)接地電阻小于0.5 Ω和接地系統(tǒng)小型化的工程目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：接地；接地系統(tǒng)；多針式垂直接地

中圖分類號(hào):TM862

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:??碼: A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.006

收稿日期：2015-09-24。

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGHLHGOOYJQT1500874)。

作者簡(jiǎn)介：孫長(zhǎng)海(1967-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)，E-mail：329454587@qq.com。

Abstract：State Grid Corporation of Power conducts a scientific and technological project “a new multi-needle vertical grounding system research and application” and the current research is one part of it. In this paper, soil discharge theory and multi-point discharge theory are employed to design the multi-needle vertical grounding electrode. And the structural design of the multi-needle vertical grounding electrode is justified by impulse discharge test. This method has been applied to the new multi-needle vertical grounding system of Hegang Power Bureau Ri Xin 110 kV substation ultimately. The system grounding resistance is only 0.336 Ω, and the project covers an area of 25 m2, which achieves the two engineering objectives: less than 0.5Ω of system grounding resistance and grounding system miniaturization.

Keywords：ground; grounding system; multi-needle vertical grounding

0引言

接地是電氣設(shè)備最重要的保護(hù)手段之一，在設(shè)備正常運(yùn)行或出現(xiàn)故障時(shí)用以泄放能量[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，土地資源日漸匱乏，接地系統(tǒng)小型化成為必然趨勢(shì)[2]。

新型多針式垂直接地系統(tǒng)研究及應(yīng)用是國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目，其主要研究成果有：在充分研究高壓放電理論的基礎(chǔ)上，提出多針式垂直接地體的設(shè)計(jì)新理念，實(shí)現(xiàn)增大電流泄放速度的目標(biāo)；運(yùn)用先進(jìn)制造工藝、材料設(shè)計(jì)、爆炸復(fù)合等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)CrNi基Cu合金復(fù)合材料，作為垂直接地體材料，解決地網(wǎng)腐蝕難題；在上述研究成果基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)新型多針式垂直接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、制造及工程應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)增大電流泄放速度、降低接地電阻、延長(zhǎng)接地系統(tǒng)服役壽命和接地系統(tǒng)小型化的工程目標(biāo)。

1多針式垂直接地體研究

將土壤放電理論和尖端放電理論應(yīng)用到接地體的設(shè)計(jì)理念中，設(shè)計(jì)出多針式垂直接地體，增強(qiáng)土壤局部放電能力，增大接地體等效體積，充分降低接地電阻，實(shí)現(xiàn)節(jié)省接地體金屬材料的目的。

1.1　土壤放電理論

接地體和土壤緊密接觸，土壤作為能量釋放的終端，其性能直接影響接地的效果[3,4]。土壤放電等效模型如圖1所示，共分4個(gè)區(qū)域：電弧區(qū)、火花區(qū)、電解質(zhì)傳導(dǎo)區(qū)和恒定電導(dǎo)區(qū)[5~7]。

(1)電弧區(qū)

圖1　土壤放電等效模型

該區(qū)域緊鄰接地體，電流密度極大且分布不均勻，會(huì)在幾個(gè)通道內(nèi)形成劇烈的電弧放電，因此稱作電弧區(qū)。

(2)火花區(qū)

隨著與接地棒的距離增加，土壤中電流密度逐漸減小且分布趨于均勻，但土壤電場(chǎng)強(qiáng)度仍大于臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，土壤中局部放電狀態(tài)從電弧放電轉(zhuǎn)化為火花放電。

(3)電解質(zhì)傳導(dǎo)區(qū)

隨著與接地體距離的逐步增加，土壤電場(chǎng)強(qiáng)度低于臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不發(fā)生擊穿。但相對(duì)較強(qiáng)的電場(chǎng)依然會(huì)對(duì)土壤電阻率產(chǎn)生影響，使該區(qū)域土壤具有較強(qiáng)的導(dǎo)電能力。

(4)恒定電導(dǎo)區(qū)

該區(qū)域和無(wú)窮遠(yuǎn)處零電位等電勢(shì)，場(chǎng)強(qiáng)基本保持恒定，土壤電阻率不受局部放電的影響。

土壤放電等效模型的四個(gè)區(qū)域?yàn)槿藶槎x，實(shí)際中并沒(méi)有明顯界線。電弧區(qū)和火花區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度非常大，電壓降可以忽略；電解質(zhì)傳導(dǎo)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度較大，土壤電導(dǎo)率增大。在電弧區(qū)、火花區(qū)和電解質(zhì)傳導(dǎo)區(qū)的土壤電阻率相應(yīng)減小，接地體等效體積增大。因此，增大土壤局部放電區(qū)域能顯著改善接地體放電性能。

1.2　尖端放電理論

導(dǎo)體尖端的電荷特別密集，尖端附近的電場(chǎng)特別強(qiáng)，容易發(fā)生尖端放電。帶尖端的針狀導(dǎo)體可抽象成一個(gè)簡(jiǎn)單的尖端等效模型，如圖2所示。針狀導(dǎo)體的尖端等效成小半徑的導(dǎo)體球，針狀導(dǎo)體的非尖端等效成大半徑的導(dǎo)體球，兩導(dǎo)體球通過(guò)無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線相連接。

當(dāng)針狀導(dǎo)體施加一定電壓激勵(lì)時(shí)，可把兩個(gè)導(dǎo)體球視為孤立的導(dǎo)體，將無(wú)窮遠(yuǎn)電勢(shì)視為零電位，應(yīng)用靜電學(xué)理論，可得兩個(gè)導(dǎo)體球的電勢(shì)為：

圖2　尖端等效模型

(1)

式中：φ1、φ2分別為大、小球的電勢(shì)；R、r分別為大、小球的半徑；θ1、θ2分別為大、小球面電荷密度；ξ為周圍土壤的介電常數(shù)。由于兩球通過(guò)導(dǎo)線連接，因此滿足靜電平衡，即φ1=φ2，由此可得：

(2)

大球和小球的面電荷密度與各自的半徑成反比，即在針狀導(dǎo)體尖端處，面電荷密度更大，周圍電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，容易發(fā)生局部火花放電。

1.3　多針式垂直接地體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將土壤放電理論和尖端放電理論應(yīng)用到接地體的設(shè)計(jì)理念中，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[8]，設(shè)計(jì)針狀放電極和垂直接地體的結(jié)構(gòu)尺寸[9~11]。

(1)針狀放電極

針狀放電極的長(zhǎng)度為25 mm，直徑為4 mm，尖端曲率半徑為0.2 mm。針狀放電極結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(2)垂直接地體

圖3　針狀放電極結(jié)構(gòu)圖

垂直接地體直徑為25 mm，其上每隔50 mm垂直分布一圈均勻的四支長(zhǎng)25 mm、直徑4 mm、尖端曲率0.2 mm的針狀放電極。垂直接地體側(cè)視圖和俯視圖如圖4所示。

圖4　多針式垂直接地體結(jié)構(gòu)示意圖

2沖擊放電試驗(yàn)

通過(guò)沖擊放電試驗(yàn)對(duì)比設(shè)計(jì)的多針式垂直接地體與普通垂直接地體的放電性能，驗(yàn)證多針式垂直接地體周圍有較強(qiáng)的局部放電產(chǎn)生。

2.1　試驗(yàn)原理

當(dāng)幅值較大的沖擊電流流過(guò)接地體時(shí)，由于接地體周圍土壤發(fā)生局部放電，其接地電阻發(fā)生變化，此時(shí)的接地電阻稱為沖擊接地電阻R，其值為作用于接地體上的電壓峰值與電流峰值的比值，即R=Um/Im。

試驗(yàn)用60 kV直流高壓電源對(duì)0.4 μF的電容充電，通過(guò)球隙擊穿模擬沖擊大電流，測(cè)量接地體上的電壓和電流信號(hào)，計(jì)算沖擊接地電阻。圖5為放電試驗(yàn)原理圖[12]。

圖5　放電實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2　試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)調(diào)整球隙間距，保證電容器的充電電壓為5.5 kV和7.5 kV，用Tektronix P6015A電壓探頭和Tektronix P6021電流探頭測(cè)量放電時(shí)的電壓和電流信號(hào)，計(jì)算沖擊接地電阻，完成多針式垂直接地體與普通垂直接地體的放電性能測(cè)試。

(1)接地體的制作

多針式垂直接地體與普通垂直接地體均選用黃銅作為材料，其中多針式垂直接地體長(zhǎng)度0.5 m，直徑25 mm，其上每隔50 mm垂直分布一圈均勻的四支長(zhǎng)25 mm、直徑4 mm、尖端曲率0.2 mm的針狀放電極；普通垂直接地體長(zhǎng)度0.5 m，直徑25 mm。

(2)試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

大連理工大學(xué)靜電所樓前的花園土壤分布均勻，將其選作沖擊放電試驗(yàn)場(chǎng)所。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50065-2011[8]對(duì)垂直接地體的埋設(shè)要求，將多針式垂直接地體與普通垂直接地體垂直埋入土壤中，兩接地體相距3 m，覆土高度達(dá)到0.8 m。

2.3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

多針式垂直接地體與普通垂直接地體放電波形如圖6、7所示，圖中通道1為作用在接地體上的電壓，通道2為電容器上的電壓，通道3為作用在接地體上的電流。

多針式垂直接地體與普通垂直接地體在5.5 kV和7.5 kV下的沖擊接地電阻R如表1所示。在沖擊高壓作用下，多針式垂直接地體的沖擊接地電阻遠(yuǎn)小于普通垂直接地體的沖擊接地電阻，且隨著沖擊電壓的升高，該現(xiàn)象越加明顯，充分證明多針式垂直接地體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

圖7　5.5kV普通垂直接地體放電波形

圖6　5.5kV多針式垂直接地體放電波形

表1　沖擊接地電阻值

3新型多針式垂直接地系統(tǒng)工程應(yīng)用

3.1　方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的多針式垂直接地體結(jié)構(gòu)，日新變電所現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和土壤電阻率，以及接地電阻技術(shù)指標(biāo)的要求，確定新型多針式垂直接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式[13~15]。

多針式垂直接地體選用由大連理工大學(xué)研制的具有良好導(dǎo)電性、抗腐蝕性和抗氧化性的CrNi基Cu合金復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱FH-Cu型)，其單根長(zhǎng)度2.5 m，9根兩兩相距2.5 m的多針式垂直接地體并聯(lián)組成“田”字型的新型多針式垂直接地系統(tǒng)，相鄰兩根多針式垂直接地體由FH-Cu型復(fù)合材料制成的扁線相連接[16,17]。新型多針式垂直接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　新型多針式垂直接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2　工程實(shí)施

項(xiàng)目施工地點(diǎn)為黑龍江省鶴崗電業(yè)局日新110 kV變電所，該工程占地面積為25 m2。新型多針式垂直接地系統(tǒng)與普通接地系統(tǒng)工程實(shí)施過(guò)程基本相似，主要分為以下幾步[18,19]。

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)，確定新型多針式垂直接地系統(tǒng)敷設(shè)位置。

(2)按照接地系統(tǒng)方案，標(biāo)注9根多針式垂直接地體埋設(shè)位置，用直徑0.3m的旋挖鉆機(jī)下鉆3.1 m。

(3)將多針式垂直接地體垂直放入孔洞，并灌入2.4 m降阻劑漿液[20]。

(4)挖設(shè)0.7 m深的“田”字型坑道，敷設(shè)復(fù)合水平接地體，并和各根多針式垂直接地體通過(guò)熱熔焊技術(shù)相連接[21]。

(5)在“田”字型坑道內(nèi)灌入足量降阻劑漿液。

(6)測(cè)量新型多針式垂直接地系統(tǒng)的接地電阻，本項(xiàng)目測(cè)量結(jié)果為0.336 Ω，滿足系統(tǒng)接地電阻值小于0.5 Ω的要求[8,22]。

(7)逐步回填和夯實(shí)土壤。

(8)用電阻率約為5 000 Ω·m的瀝青混凝土進(jìn)行封頂。

為此完成整個(gè)新型多針式垂直接地系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)多針式垂直接地體和沖擊放電試驗(yàn)的研究，實(shí)現(xiàn)鶴崗電業(yè)局日新110 kV變電所新型多針式垂直接地系統(tǒng)工程應(yīng)用，主要研究成果如下：

(1)應(yīng)用土壤放電理論和尖端放電理論設(shè)計(jì)出多針式垂直接地體，增強(qiáng)土壤局部放電能力，增大接地體等效體積，充分降低接地電阻。

(2)通過(guò)沖擊放電試驗(yàn)充分驗(yàn)證多針式垂直接地體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，隨著沖擊電壓的升高，與普通垂直接地體相比，多針式垂直接地體的沖擊接地電阻顯著降低。

(3)完成日新變電所新型多針式垂直接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用，系統(tǒng)接地電阻僅為0.336 Ω，且工程占地面積為25 m2，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接地電阻值小于0.5 Ω和接地系統(tǒng)小型化的工程目標(biāo)。

參考文獻(xiàn):

[1]解廣潤(rùn). 電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M]. 北京: 水利電力出版社, 1991.

[2]濮方正. 小面積高要求接地案例[C]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)能源與信息專委會(huì)電磁脈沖與信息系統(tǒng)防護(hù)學(xué)會(huì)委員會(huì)2006年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2006: 217-221.

[3]文建. 多針式垂直接地系統(tǒng)研究及其高頻應(yīng)用[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2014.

[4]曾嶸, 周佩朋, 王森, 等. 接地系統(tǒng)中接觸電阻的仿真模型及其影響因素分析[J]. 高電壓技術(shù), 2010, (10): 2393-2397.

[5]張敏, 曹曉斌, 李瑞芳, 等. 輸電線路桿塔接地極沖擊接地電阻特性分析[J]. 電瓷避雷器, 2012, (4): 5-9.

[6]趙智大. 高電壓技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006.

[7]鄧長(zhǎng)征, 楊迎建, 董曉輝, 等. 接地裝置沖擊大電流試驗(yàn)系統(tǒng)研制及桿塔接地沖擊特性測(cè)試[J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(6): 1527-1535.

[8]GB 50065-2011. 交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2011.

[9]楊小光. 變電站接地系統(tǒng)降阻方案及接地材料選擇[D]. 北京:華北電力大學(xué), 2011.

[10]張波, 蔣愉寬, 楊建軍, 等. 接地材料對(duì)大型水電站接地阻抗的影響 [J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(4): 964-969.

[11]鄭麗, 李偉. 黃花寨水電站接地優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 電工技術(shù), 2013, (3): 1-2.

[12]楊琳, 張敏, 吳昊, 等. 垂直電極火花放電現(xiàn)象分析[J]. 電瓷避雷器, 2013,(2): 49-52.

[13]黃瑋, 梁偉, 文習(xí)山, 等. 降低陽(yáng)江核電廠接地阻抗的方法[J]. 高電壓技術(shù), 2010, (2): 365-370.

[14]李景祿, 鄭瑞臣. 關(guān)于接地工程中若干問(wèn)題的分析和探討[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(6): 122-124.

[15]李景麗, 蔣建東, 李麗麗. 針刺式接地裝置降阻機(jī)制的仿真和試驗(yàn)研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(1): 211-217.

[16]Motoyama H. Experimental and analytical studies on lightning surge characteristics of ground mesh[J]. IEEJ Transactions on Power and Energy, 2006, 126(7): 687-693.

[17]Greenwood J A. Constriction resistance and the real area of contact[J]. British Journal of Applied Physics, 1966, 17(12): 1621.

[18]陳錦麟, 周易龍, 潘歡,等. 福建沙溪口水電站110kV開(kāi)關(guān)站接地改造分析[J]. 電力科學(xué)與工程, 2013, 29(12): 47-52.

[19]姜輝, 鄭京禾, 張興,等. 放射型接地極對(duì)方形地網(wǎng)降阻效果研究[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2015, 42(2): 61-65.

[20]Huai L Y. Research on the mechanism of grounding resistance-reducing agent and the used quantity[C]//Properties and Applications of Dielectric Materials, 1991., Proceedings of the 3rd International Conference on. IEEE, 1991: 1230-1233.

[21]戈祥林, 唐際宇, 陸彪. 銅包鋼放熱熱熔焊接技術(shù)在建筑防雷接地中的應(yīng)用[J]. 建筑施工, 2011, 33(10): 929-930.

[22]孫輝. 核電廠接地設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 電力科學(xué)與工程, 2014, 30(7): 12-17.

Engineering Application of a New Multi-needle Vertical Grounding System

Sun Changhai1, Nian Kaixin1, Ma Haifeng2, Wang Zhongming2, Wu Yan1(1. School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Hegang Power Supply Company, State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd, Hegang 154101, China)