1、变电站接地网安全状态评估方法变电站接地网安全状态评估方法 1 概述概述 1.1 接地网安全状态评估的意义接地网安全状态评估的意义 通过对接地网接地阻抗等参数的测量和理论通过对接地网接地阻抗等参数的测量和理论仿真的研究，探索接地网安全状态评估的方法，仿真的研究，探索接地网安全状态评估的方法，减轻测量劳动强度，提高工作效率，准确评估接减轻测量劳动强度，提高工作效率，准确评估接地网安全状态，确保电力系统的安全可靠运行和地网安全状态，确保电力系统的安全可靠运行和变电站工作人员的人身安全具有十分重要的意义。变电站工作人员的人身安全具有十分重要的意义。1 概述概述1.2 接地网安全的概念接地网安全的概念1
2、）确保地电位升小于允许值，以确保发变电站设备）确保地电位升小于允许值，以确保发变电站设备(主要指主要指二次电缆和二次设备二次电缆和二次设备)的安全。的安全。2）确保接触电位差和跨步电位差满足人身安全的要求。）确保接触电位差和跨步电位差满足人身安全的要求。3）由于设备外壳都与地网相联，高的地电位升加在设备外）由于设备外壳都与地网相联，高的地电位升加在设备外壳上，会产生反击事故，要确保不产生危及设备安全的反壳上，会产生反击事故，要确保不产生危及设备安全的反击过电压。击过电压。1 概述概述1.2 接地网安全的概念接地网安全的概念4）接地阻抗不是表征电网安全与否的唯一参数。）接地阻抗不是表征电网安全与
3、否的唯一参数。5）接地阻抗低并不意味着接地网安全，要进行全）接地阻抗低并不意味着接地网安全，要进行全面评估。面评估。2 接地网安全状态评估方法接地网安全状态评估方法2.1评估工作内容评估工作内容一是变电站接地阻抗、接触电位差和跨步电位差一是变电站接地阻抗、接触电位差和跨步电位差的测量；的测量；二是接地网安全状态的分析评估；二是接地网安全状态的分析评估；三是接地网腐蚀及断点的诊断。三是接地网腐蚀及断点的诊断。2 接地网安全状态评估方法接地网安全状态评估方法2.2 评估方法评估方法 表征变电站接地网安全状态的主要参表征变电站接地网安全状态的主要参数包括接地阻抗、接触电位差、跨步电位数包括接地阻抗、
4、接触电位差、跨步电位差、地网电位分布及地网的完整性等。差、地网电位分布及地网的完整性等。2 接地网安全状态评估方法接地网安全状态评估方法2.2 评估方法评估方法1）变电站接地网安全状态评估工作主要是）变电站接地网安全状态评估工作主要是结合现场测试和理论计算，准确给出接地网结合现场测试和理论计算，准确给出接地网入地故障电流、接地阻抗、接触电位差、跨入地故障电流、接地阻抗、接触电位差、跨步电位差、地网电位分布、地网完整性、等步电位差、地网电位分布、地网完整性、等现时状态。现时状态。2）地网金属导体腐蚀情况目前通过开挖来）地网金属导体腐蚀情况目前通过开挖来进行检查。进行检查。3）内容多，测量计算工作
5、量大，采用专业）内容多，测量计算工作量大，采用专业软件分析计算。软件分析计算。2 接地网安全状态评估方法接地网安全状态评估方法 2.3 评估程序评估程序1）收集分析计算所需要的基础资料，包括地）收集分析计算所需要的基础资料，包括地网结构、系统短路电流等；网结构、系统短路电流等；2）测量接地网接地阻抗，测量分流系数、确）测量接地网接地阻抗，测量分流系数、确定短路入地电流；定短路入地电流；3）对运行变电站接地阻抗测试结果以及分流）对运行变电站接地阻抗测试结果以及分流对运行变电站接地阻抗测试结果的影响进行对运行变电站接地阻抗测试结果的影响进行详细计算研究，通过软件计算和实测结果对详细计算研究，通过软
6、件计算和实测结果对照，给出变电站接地阻抗值。照，给出变电站接地阻抗值。4）测量土壤电阻率，分析得到土壤分层模型；）测量土壤电阻率，分析得到土壤分层模型；2 接地网安全状态评估方法接地网安全状态评估方法 2.3 评估程序评估程序5）以整个变电站场区为研究对象，计算实际）以整个变电站场区为研究对象，计算实际接地网在单相接地短路故障情况下，变电站接地网在单相接地短路故障情况下，变电站接地网接地导体的电位升高，是否满足二次接地网接地导体的电位升高，是否满足二次设备安全的要求。设备安全的要求。6）计算变电站跨步电位差）计算变电站跨步电位差US和接触电位差和接触电位差UT分布情况，对比测试结果以及跨步电位
7、差分布情况，对比测试结果以及跨步电位差US和接触电位差和接触电位差UT的限值，判断变电站的限值，判断变电站US、UT的分布情况，分析和评估在地表产生的接的分布情况，分析和评估在地表产生的接触电位差和跨步电位差是否满足人身安全要触电位差和跨步电位差是否满足人身安全要求。求。2 接地网安全状态评估方法接地网安全状态评估方法 2.3 评估程序评估程序采用温纳四极法测量得到的视在土壤电阻率随测量极间距变化的数据土壤分层结构参数分析模块方程组求解模块接地系统原始拓扑结构土壤分层结构参数 输出接地电阻 输出最大接触电压、最大跨步电压 输出电位分布、接触电压和跨步电压分 布图剖分接地系统及形成电阻系数矩阵泄
8、漏电流分布格林函数数值计算模块电位计算3 接地网安全状态评估标准接地网安全状态评估标准 变电站接地网安全状态评估标准就是接变电站接地网安全状态评估标准就是接地网安全限值，这些安全限值包括入地故障地网安全限值，这些安全限值包括入地故障电流、接地阻抗、接触电位差和跨步电位差。电流、接地阻抗、接触电位差和跨步电位差。3 接地网安全状态评估标准接地网安全状态评估标准3.1 入地故障电流入地故障电流 入地故障电流是分析接地网安全指标的入地故障电流是分析接地网安全指标的基础。电力系统发生短路时，只有一部分短基础。电力系统发生短路时，只有一部分短路电流经接地网流入大地，其余部分经变压路电流经接地网流入大地，
9、其余部分经变压器中性点、与地网相连的架空地线、电力电器中性点、与地网相连的架空地线、电力电缆的屏蔽层流回系统。缆的屏蔽层流回系统。3 接地网安全状态评估标准接地网安全状态评估标准3.2 接地阻抗限值接地阻抗限值 我国电力行业接地规程我国电力行业接地规程DL/T621-1997交交流电气装置的接地流电气装置的接地中既规定了对接地阻抗的中既规定了对接地阻抗的要求，也规定了对接触电位差和跨步电位差的要求，也规定了对接触电位差和跨步电位差的要求。要求。DL/T621-1997规定规定“有效接地和低电阻有效接地和低电阻接地网中发电厂、变电站的接地装置的接地阻接地网中发电厂、变电站的接地装置的接地阻抗抗R
10、一般情况下应满足一般情况下应满足R 2000/I”，即允许地电，即允许地电位升不大于位升不大于2000V，这里，这里I为入地短路电流。当为入地短路电流。当接地装置的接地阻抗不符合接地装置的接地阻抗不符合R 2000/I时，可通时，可通过技术经济的比较来增大接地阻抗，但接地阻过技术经济的比较来增大接地阻抗，但接地阻抗值不得大于抗值不得大于5，且要满足接触电位差和跨步，且要满足接触电位差和跨步电位差的要求。电位差的要求。3 接地网安全状态评估标准接地网安全状态评估标准3.3 接触电位差和跨步电位差限值接触电位差和跨步电位差限值 我国电力行业接地规程我国电力行业接地规程DL/T621-1997交流电
11、气装置的接地交流电气装置的接地中规定，中规定，110kV及以及以上有效接地网和上有效接地网和635kV低电阻接地网发生单低电阻接地网发生单相接地或同点两相接地时，发变电站接地装相接地或同点两相接地时，发变电站接地装置的接触电位差置的接触电位差UT和跨步电位差和跨步电位差US允许值不允许值不应超过式应超过式3.3.1和和3.3.2。3 接地网安全状态评估标准接地网安全状态评估标准3.3 接触电位差和跨步电位差限值接触电位差和跨步电位差限值tUST116.0)5.11500(tUSS116.0)0.61500(4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.1 测量适用标准测量适用标准 接地网电气参数
12、测量适用标准为国家标准接地网电气参数测量适用标准为国家标准GB/T 17949.1-2000接地系统的土壤电阻率、接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则第接地阻抗和地面电位测量导则第1部分：常部分：常规测量规测量或者中华人民共和国电力行业标准或者中华人民共和国电力行业标准DL/T 475-2006接地装置特性参数测量导则接地装置特性参数测量导则 4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.2 测量用仪器测量用仪器1）推荐采用异频电流法测试大型接地装置的工频）推荐采用异频电流法测试大型接地装置的工频特性参数，试验电流宜在特性参数，试验电流宜在3A20A，频率宜在，频率宜在40Hz60H
13、z范围，异于工频又尽量接近工频。范围，异于工频又尽量接近工频。2）如果采用工频电流测试大型接地装置的工频特）如果采用工频电流测试大型接地装置的工频特性参数，则应采用独立电源或经隔离变压器供电，性参数，则应采用独立电源或经隔离变压器供电，并尽可能加大试验电流，试验电流不宜小于并尽可能加大试验电流，试验电流不宜小于50A。3)仪器的准确度不低于仪器的准确度不低于1.0级，测试场区地表电位级，测试场区地表电位梯度、跨步电位差、接触电位差的电压表分辨率不梯度、跨步电位差、接触电位差的电压表分辨率不低于低于1mV，采用异频电源时的测试仪表的选频性能，采用异频电源时的测试仪表的选频性能良好。良好。4 接地
14、网电气参数测量接地网电气参数测量4.3 接地阻抗测量接地阻抗测量 4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.3 接地阻抗测量接地阻抗测量 电流极和电压极同向布置（图电流极和电压极同向布置（图4.3.1中电中电极极P的位置）：电流极引线和电压极引线同方的位置）：电流极引线和电压极引线同方向布置，电流极引线长度取向布置，电流极引线长度取4D（D为接地网为接地网的等效直径），电流极引线和电压极引线之的等效直径），电流极引线和电压极引线之间的距离取间的距离取5m以消除引线间互感对测量结果以消除引线间互感对测量结果的影响。测量时电压极从靠近电流极开始，的影响。测量时电压极从靠近电流极开始，每隔每隔50
15、m或或100m测量一个视在接地阻抗。测量一个视在接地阻抗。4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.3 接地阻抗测量接地阻抗测量 也可以采用电流极和电压极反方向布置也可以采用电流极和电压极反方向布置（图（图4.3.1种电极种电极P1的位置）来测量接地阻抗，的位置）来测量接地阻抗，即电流极引线和电压极引线分别布置在接地网即电流极引线和电压极引线分别布置在接地网的反方向，二者成的反方向，二者成180o布置，电流极引线长度布置，电流极引线长度取取3D（D为接地网的等效直径），电压极长度为接地网的等效直径），电压极长度取取2D。4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.4 接触电位差和跨步电位差的
16、测量接触电位差和跨步电位差的测量4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.5 土壤电阻率测量土壤电阻率测量4.5.1测量方法测量方法 土壤电阻率的测量方法有土壤试样分析法、土壤电阻率的测量方法有土壤试样分析法、三极法和四极法。三极法和四极法。在实际中很少有均匀的土在实际中很少有均匀的土壤，我们一般测量得到的是土壤的等值电阻壤，我们一般测量得到的是土壤的等值电阻率或土壤的视在电阻率。率或土壤的视在电阻率。目前，我国接地阻抗测量国家标准推荐目前，我国接地阻抗测量国家标准推荐采用的土壤电阻率测量方法是四极法，一般采用的土壤电阻率测量方法是四极法，一般采用等测量间距的温纳采用等测量间距的温纳(Wen
17、ner)四极法，如四极法，如图图4.5.1所示所示4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.5 土壤电阻率测量土壤电阻率测量4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.5 土壤电阻率测量土壤电阻率测量视在土壤电阻率可以由测量得到的电阻值和视在土壤电阻率可以由测量得到的电阻值和极间距换算得到：极间距换算得到：22224214baabaaaRaaRa24 接地网电气参数测量接地网电气参数测量4.5 土壤电阻率测量土壤电阻率测量通过计算机分析计算得到土壤电组率分层模通过计算机分析计算得到土壤电组率分层模型。型。作为地网分析计算的基础。作为地网分析计算的基础。4 接地网电气参数测量接地网电气参数测量
18、4.5 土壤电阻率测量土壤电阻率测量注意事项：注意事项：土壤电阻率测量时，测量电流极应打入地土壤电阻率测量时，测量电流极应打入地中中20cm深，有时为了增大测量电流可能要将深，有时为了增大测量电流可能要将电流极打入地中更深，或增加电流极的数量。电流极打入地中更深，或增加电流极的数量。测量电压极应打入地中测量电压极应打入地中10cm。为了得到比较准确的土壤电阻率分层模型，为了得到比较准确的土壤电阻率分层模型，一般每个地网土壤电阻率测试样本一般每个地网土壤电阻率测试样本10-20个值，个值，极间距离从极间距离从10米到地网对角线长度，均匀选米到地网对角线长度，均匀选取。取。5 接地网腐蚀诊断接地网
19、腐蚀诊断5.1 接地网导体材料的选择接地网导体材料的选择 由于土壤条件的差别，金属在土壤中的由于土壤条件的差别，金属在土壤中的腐蚀数据带有一定的近似性。我国接地网一腐蚀数据带有一定的近似性。我国接地网一般都采用镀锌钢。锌的平均腐蚀率比钢铁略般都采用镀锌钢。锌的平均腐蚀率比钢铁略小。钢铁上的镀锌层在土壤中对内部的钢能小。钢铁上的镀锌层在土壤中对内部的钢能起到保护效果，镀锌层起了阴极保护作用。起到保护效果，镀锌层起了阴极保护作用。5 接地网腐蚀诊断接地网腐蚀诊断5.2 接地网导体连通性测试接地网导体连通性测试 接地网连通性测试比较简单，按照规程接地网连通性测试比较简单，按照规程要求，首先选定一个很
20、可能与主地网连接良要求，首先选定一个很可能与主地网连接良好的设备的接地引下线为参考点，再测试周好的设备的接地引下线为参考点，再测试周围电气设备接地部分与参考点之间的直流电围电气设备接地部分与参考点之间的直流电阻。根据两个测量点的直流电阻大小来判断阻。根据两个测量点的直流电阻大小来判断连通情况。连通情况。5 接地网腐蚀诊断接地网腐蚀诊断5.3 接地网腐蚀及断点的诊断方法接地网腐蚀及断点的诊断方法1、开挖检查、开挖检查2、网络拓扑分析计算法、网络拓扑分析计算法 拓扑分析计算法基本原理就是通过接地拓扑分析计算法基本原理就是通过接地网拓扑结构，应用适当的计算方法，计算出网拓扑结构，应用适当的计算方法，
21、计算出接地网每一段导体的理论电阻值。通过测量接地网每一段导体的理论电阻值。通过测量接地网可及端点之间的电阻得到接地网实际接地网可及端点之间的电阻得到接地网实际电阻。接地网导体实测电阻值与理论值的比电阻。接地网导体实测电阻值与理论值的比值大小就可以判断导体腐蚀或者断裂的情况，值大小就可以判断导体腐蚀或者断裂的情况，从而实现对接地网故障的诊断。从而实现对接地网故障的诊断。6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.1 地网概况地网概况 220kV挡村变电站的接地网平面结构如图挡村变电站的接地网平面结构如图6.1.1所示，主接地网为所示，主接地网为182
22、157.6m2，另有，另有150161m2和和4556m2的两个外引网，同的两个外引网，同时还辅以垂直接地极。时还辅以垂直接地极。6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.2 参数测量参数测量 2005年年11月，对月，对220kV挡村变电站接地网挡村变电站接地网进行了测试评估，内容包括不同电流极长度下的进行了测试评估，内容包括不同电流极长度下的接地阻抗正、反向法的测量。使用接地网安全状接地阻抗正、反向法的测量。使用接地网安全状态数值评估系统，对变电站接地网安全状态进行态数值评估系统，对变电站接地网安全状态进行了分析评估。了分析评估。6 220k
23、V挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.2 参数测量参数测量1）接地阻抗测量）接地阻抗测量 使用红相接地仪和使用红相接地仪和AVO接地仪，当电压引接地仪，当电压引线和电流引线同向和反向放置时，使用不同电线和电流引线同向和反向放置时，使用不同电流引线长度分别对挡村流引线长度分别对挡村220kV变电站接地网进变电站接地网进行了测量，以确定变电站的接地阻抗。同时，行了测量，以确定变电站的接地阻抗。同时，使用变电站接地网安全状态数值评估系统，对使用变电站接地网安全状态数值评估系统，对测量结果进行分析，以验证变电站接地网安全测量结果进行分析，以验证变电站接地网安全状
24、态评估系统的有效性。状态评估系统的有效性。6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.2 参数测量参数测量1）接地阻抗测量）接地阻抗测量 测量和分析结果如图测量和分析结果如图6.2.1-图图6.2.10所示。所示。电压引线和电流引线同向放置时，由图电压引线和电流引线同向放置时，由图6.2.1-图图6.2.7结合变电站接地阻抗理论分析值结合变电站接地阻抗理论分析值1.47，可得不同电流引线长度时电压极的正，可得不同电流引线长度时电压极的正确位置，结果如表确位置，结果如表6.2.1所示。所示。6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站
25、接地网安全状态评估应用实例6.2 参数测量参数测量2）土壤电阻率测量及分层分析）土壤电阻率测量及分层分析 在评估接地网安全状态之前，先对站址在评估接地网安全状态之前，先对站址处的土壤电阻率进行了测试，结果如表处的土壤电阻率进行了测试，结果如表6.2.2所示，基于测量结果，使用接地网安全状态所示，基于测量结果，使用接地网安全状态评估系统，经过分析，档村变电站站址土壤评估系统，经过分析，档村变电站站址土壤的分层模型如表的分层模型如表6.2.3所示，使用该土壤分层所示，使用该土壤分层模型模拟测量得到的视在土壤电阻率分布如模型模拟测量得到的视在土壤电阻率分布如图图6.2.11所示，可以看到，表所示，可
26、以看到，表6.2.3所示的土所示的土壤分层模型是比较有效的。壤分层模型是比较有效的。6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.3 安全状态分析评估安全状态分析评估 使用接地网安全状态数值评估系统对图使用接地网安全状态数值评估系统对图6.1.1所示挡村所示挡村220kV变电站接地网进行了分变电站接地网进行了分析，分析所用土壤结构如表析，分析所用土壤结构如表6.2.2所示，入地所示，入地电流为电流为14kA。经过计算，变电站接地阻抗为。经过计算，变电站接地阻抗为1.47，地表电位、跨步电位差和接触电位差，地表电位、跨步电位差和接触电位差分布如图分布如
27、图6.3.1所示。所示。6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.3 安全状态分析评估安全状态分析评估6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.3 安全状态分析评估安全状态分析评估6 220kV挡村变电站接地网安全状态评估应用实例挡村变电站接地网安全状态评估应用实例6.3 安全状态分析评估安全状态分析评估 7 结论结论1）地网评估是一项目重要工作，）地网评估是一项目重要工作，涉及到人身、电涉及到人身、电网及设备安全，开展有非常必要。网及设备安全，开展有非常必要。2）地网评估是一项目技术难度大，工作内
28、容多的一）地网评估是一项目技术难度大，工作内容多的一项系统性工作，准确分析评估的前提条件是资料项系统性工作，准确分析评估的前提条件是资料完整、模型准确、分析计算全面。完整、模型准确、分析计算全面。3）表征接地网安全状态的几大要素：接地阻抗，接）表征接地网安全状态的几大要素：接地阻抗，接触电位差、跨步电位差及地网完整性（损坏、腐触电位差、跨步电位差及地网完整性（损坏、腐蚀情况）。只有综合分析以上的各个参量，才能蚀情况）。只有综合分析以上的各个参量，才能对接地网安全状态进行全面分析和评估。对接地网安全状态进行全面分析和评估。7 结论结论4）鉴于变电站安全状态评估的技术难度和工作量，）鉴于变电站安全状态评估的技术难度和工作量，必须借助于计算机，应用专业数值评估系统，并必须借助于计算机，应用专业数值评估系统，并与测量相结合，互相印证，从而达到准确评估接与测量相结合，互相印证，从而达到准确评估接地网安全状态的目的。地网安全状态的目的。5）接地网安全状态评估要实现程序化、规范化。）接地网安全状态评估要实现程序化、规范化。谢谢 谢！谢！广西电科院广西电科院 设备监测评估中心设备监测评估中心 邓雨荣邓雨荣 13197714822
