CN104820144A - 应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施*** - Google Patents

Abstract

应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***属于变电站工程防雷接地技术领域，尤其涉及一种应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***。本发明提供一种可有效解决接地技术问题的应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***。本发明包括降阻数据库、降阻问题应用部分和接地电阻在线监测部分；所述降阻问题应用部分收集现场土壤环境数据，并提取降阻数据库，确定与接地电阻有关的分层排布结构和土质环境数据，计算接地***地质环境；在数据库中选择解决方式，完成接地***计算，确定变电站接地形式和结构；所述接地***计算流程为：采集土壤电阻率和接地面积数据，经过接地装置热稳定校验。

Description

应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***

技术领域

本发明属于变电站工程防雷接地技术领域，尤其涉及一种应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***。

背景技术

良好的接地***是电网设备、***安全稳定运行的可靠保障。

目前，变电站接地防雷工作存在如下问题和挑战：1、变电站接地的地理环境较为复杂，砂砾、岩石地，盐碱地较多，不同程度反映了高土壤电阻率、不平均土壤电阻率、腐蚀性突出等特性；2、季节性变化、温湿度变化等对土壤电阻率不定影响；3、接地技术人员水平经验限制，给变电站防雷接地、降阻工作带来极具严苛的考验；4、设计人员从技术角度过度满足接地防雷技术规范要求，而未从经济效益和社会效益来综合创造接地防雷工作价值。

综上，不管环境因素还是人为因素，给变电站接地防雷工作的技术和经济发展增进带来了限制，尤其可能为变电站带来安全隐患。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种可有效解决接地技术问题的应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括降阻数据库、降阻问题应用部分和接地电阻在线监测部分；

所述降阻问题应用部分收集现场土壤环境数据，并提取降阻数据库，确定与接地电阻有关的分层排布结构和土质环境数据，计算接地***地质环境；在数据库中选择解决方式，完成接地***计算，确定变电站接地形式和结构；

所述接地***计算流程为：采集土壤电阻率和接地面积数据，经过接地装置热稳定校验，选择接地材料及确定接地材料尺寸，计算变电站接地***的接地电阻值，效验接地电阻是否满足接地规程所要求的规定值；

若接地电阻值不满足规程规定值，校核接触电位差、跨步电位差值、网孔电压，若校核结果不满足要求，从降阻数据库选择降阻方式，重新根据土壤电阻率，经过接地装置的热稳定校验，确定接地材料的选择及尺寸，重新完成接地电阻计算和效验，直至满足接地规程规定为止，若校核结果满足要求，则接地降阻方式确定；

若满足规程规定值，对接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核后，若校核结果不满足要求，从降阻数据库选择降阻方式，直至满足接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核要求为止，若校核结果满足要求，则接地降阻方案确定；

接地电阻在线监测部分测试土壤电阻率；测试接地电阻值、跨步电位差、接触电位差并记录；定期监测已成功解决降阻问题变电站的接地电阻，跨步电位差和接触电位差并记录。

作为一种优选方案，本发明所述降阻数据库包括数据库Ⅰ、数据库Ⅱ和数据库Ⅲ；数据库Ⅰ针对各类型接地降阻问题进行模块化分类；数据库Ⅱ为地勘资料库，包括变电站土壤地质结构、降雨量、环境温湿度及地理环境地勘、接地环境数据，按照影响土壤电阻率对地勘、接地环境资料库内容进行分类；数据库Ⅲ为降阻成功处理数据库。

作为另一种优选方案，本发明所述选择接地材料及确定接地材料尺寸包括接地线最小截面的确定、接地网网格以及接地极个数的确定；接地线最小截面式中热稳定系数c＝70，变电站的单相短路电流I_g为变电站的单相短路电流，t_e为短路持续时间；接地极个数＝接地网网格横纵网格焦点个数，接地极之间距离大于5米；土壤电阻率越大接地网网格越密；土壤呈酸性时选用钢接地材料，呈中性或碱性时选用铜接地材料。

作为另一种优选方案，本发明所述接地电阻在线监测部分包括DSP控制器、隔离放大滤波模块、变频电源、USB数据通讯模块、显示器和键盘，DSP控制器的A/D模块的信号输入端口与隔离放大滤波模块的信号输出端口相连，DSP控制器的I/O模块的控制信号输出端口与变频电源的控制信号输入端口相连，DSP控制器的通信端口与USB数据通讯模块的通信端口相连，DSP控制器的显示信号输出端口与显示器的显示信号输入端口相连，DSP控制器的数据输入端口与键盘的数据输出端口相连；变频电源的输出端分别与第一输出端子、第二输出端子相连，隔离放大滤波模块的输入端分别与电压互感器输出端、第一电流信号输入端子、第二电流信号输入端子相连。

作为另一种优选方案，本发明所述DSP控制器通过DSP的I/O模块控制变频电源输出频率在47Hz到53Hz之间，正弦波测试电压，经过隔离后通过第一输出端子、第二输出端子输出；隔离放大滤波模块将从电压互感器取得的电压信号和从第一电流信号输入端子、第二电流信号输入端子获得的电流信号进行隔离放大滤波并经过DSP的A/D模块数字化处理后发送给DSP进行处理。

作为另一种优选方案，本发明还包括GPRS模块，GPRS模块的通信端口与所述DSP控制器的通信端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述接地电阻在线监测部分进行接地阻抗测量时，变频电源在DSP控制器下输出一个稳定的频率(如48Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差,再进一步计算出阻抗Z⁴⁸、电阻分量R⁴⁸和电抗分量X⁴⁸；当变频电源在DSP控制器下输出另一个稳定的频率(如52Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差，计算出阻抗Z⁵²，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁴⁷，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁵³，电阻分量R⁵³和电抗分量X⁵³，将Z⁴⁸，Z⁵²，Z⁴⁷，Z⁵³平均后作为工频阻抗Z⁵⁰；通过显示器显示，通过USB数据通讯模块和GPRS模块与电脑相连。

作为另一种优选方案，本发明所述接地电阻在线监测部分跨步电压和跨步电位差测试包括以下步骤：

在离被测接地装置较远处打一个地桩作为电流极，该电流极离接地装置边缘的距离取为接地装置最大对角线长度D的4倍以上；第一电流信号输入端子C1与电流极连接，第二电流信号输入端子C2与设备的接地引下线相接，第一输出端子P1、第二输出端子P2分别接至模拟人脚的电极Pc、Pd,模拟人脚的电极采用包裹湿布的直径为20cm的金属圆盘，Pc、Pd中心距离为1米；P1与P2端子间并联等效人体电阻R，R＝1.6KΩ，利用公式U_s＝Z_s·I_S，式中Is为被测接地装置内***单相接地故障电流，Zs为计算跨步电压、跨步电位差时对应的阻抗值，计算出跨步电压Us；若不并联等效人体电阻R，则所得结果为跨步电位差。

其次，本发明所述接地电阻在线监测部分接触电压和接触电位差测试包括以下步骤：

在离被测接地装置较远处打一个地桩作为电流极，该电流极离接地装置边缘的距离取为接地装置最大对角线长度D的4倍以上；C1端子与电流极连接，C2端子接至被试设备的架构，P2端子接至设备架构上的A点，A点距地面高度为1.8米；P1端子接至模拟脚的电极Pb,电极Pb采用包裹湿布的直径为20cm的金属圆盘，并压上重物；电极Pb中心距设备边缘距离为1米；P1与P2端子间并联等效人体电阻R，R＝1.6KΩ，检测出阻抗值Z_t，根据公式U_t＝Z_t·I_S计算出接触电压，式中Is为被测接地装置内***单相接地故障电流；Z_t为计算接触电压、接触电位差时对应的阻抗值。若电压输入端不并联等效人体电阻R，则所得结果为接触电位差。

另外，本发明所述接地电阻在线监测部分土壤电阻率的测量包括以下步骤：

A为电流极C2与电位极P2的间距，B为两电位极P1、P2的间距，H为电极P1、P2埋设深度；设置A＝B，A、B>10H，测试电极采用直径不小于1.5cm的圆钢或25mm×25mm×4mm的角钢，测试电极长度不小于40cm；

变频电源在DSP控制器下输出一个稳定的频率(如48Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差,再进一步计算出阻抗Z⁴⁸、电阻分量R⁴⁸和电抗分量X⁴⁸；当变频电源在DSP控制器下输出另一个稳定的频率(如52Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差，计算出阻抗Z⁵²，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁴⁷，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁵³，电阻分量R⁵³和电抗分量X⁵³，将Z⁴⁸，Z⁵²，Z⁴⁷，Z⁵³平均后作为工频阻抗Z⁵⁰，土壤电阻率ρ为ρ＝2πA(A+B)Z/B，式中Z＝Z⁵⁰。

本发明有益效果。

本发明能建立变电站接地防雷接地降阻方案的参考系——接地降阻的地质环境信息数据库和降阻解决方案数据库，并根据变电站现场的土壤电阻率、现场勘测报告等技术参数，通过本***的定性定量分析、综合判断、经济效益优化、接地***在线监测***事前检测和事后监测完成符合接地规程规定的变电站降阻目标，并将经过变电站现场成功实践的降阻方案纳入本***成熟解决方案数据库中，以供作为接地技术问题解决的依据以及交流、教学之用。

本发明包括降阻数据库，为对应的案例和方法完成降阻分析，录入现场勘测的地勘、土壤分析报告等技术资料所提供有关降阻的技术参数，计算出接地规程所规定的土壤电阻率、接触电位差、跨步电位差、接地电阻、接地电流、网孔电压等特征值，通过解决降阻问题案例大数据库以及录入和计算出的有关降阻特征值，判断出属于何种类型的降阻类型和等级，在通过计算、验算确定降阻方案和措施，在现场实践中优化方案和措施，并跟踪实施效果，并将实践过良好的降阻方案和措施一并纳入到解决降阻问题案例数据库***，供出具将降阻方案的信息和数据支撑以及教学培训之用。

本发明应用于变电站防雷接地***降阻的分析和措施***为接地从业人员探寻变电站接地问题的解决提供可靠的技术支撑和经济效益控制手段支撑，同时为变电站接地问题技术交流和培训提供及时可靠的技术资料和宝贵经验，其工程价值和教学价值凸显，也为与接地***相关专业的发展提供协同支撑。填补了有关变电站接地***问题集现场方案出具、成熟方案资料培训的综合平台技术领域的空白。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1-1、1-2、1-3是本发明接地工作的流程图；

图2是本发明的降阻解决方案数据库建立流程图；

图3-1、3-2是本发明的接地计算流程图；

图4是本发明的接地***在线监测***位置说明图。

图5是本发明的接地***在线监测***内部结构图。

图6是本发明的接地***在线监测***土壤电阻率测试图。

图7是本发明的接地***在线监测***跨步电位差测试图。

图8是本发明的接地***在线监测***接触电位差测试图。

图9是本发明的接地***在线监测***接地阻抗测试图。

具体实施方式

如图所示，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

收集整编并建立变电站土壤地质结构、降雨量、环境温湿度及地理环境等地勘、接地环境资料库，按照影响土壤电阻率对地勘、接地环境资料库内容进行分类，收集整编传统成熟并具有的解决降阻问题案例和方法，并为对应的案例和方法完成经济财务效益分析，建立具有经济效益分析的解决变电站降阻问题案例和方法的数据库，录入现场勘测的地勘、土壤分析报告等技术资料所提供有关降阻的技术参数，计算出接地规程所规定的土壤电阻率、接触电位差、跨步电位差、接地电阻、接地电流、网孔电压等特征值，绘制相应曲线，通过解决降阻问题案例大数据库以及录入和计算出的有关降阻特征值，判断出属于何种类型的降阻类型和等级，在通过计算、验算确定具有经济效益和社会效益的综合降阻方案和措施，在现场实践中优化方案和措施，并跟踪实施效果，并将实践过良好的降阻方案和措施一并纳入到解决降阻问题案例数据库***，供出具将降阻方案的信息和数据支撑以及教学培训之用。

应用于变电站防雷接地降阻的因素分析和措施***，具体步骤如下：

收集整编并建立变电站土壤地质结构、降雨量、环境温湿度及地理环境等地勘、接地环境资料库，按照影响土壤电阻率对地勘、接地环境资料库内容进行“模块化”分类，收集整编并建立针对不同降阻类型的成熟案例、措施和方法(例如采用低电阻接地模块，添加降阻剂，全部或者局部换填土，扩展地网，外借引用接地，采用离子接地体，增加垂直接地极，增加斜接地极，深井接地和***接地)，为每个方案进行符合工程特性和运维特性要求的经济财务效益分析，同时为每种类型接地问题解决方案、措施或多种解决方案组合的综合方案进行“模块化”分类，由此建立具有经济效益分析的解决变电站降阻问题案例和方法的数据库，将现场实际接地电阻有关的接地环境数据、土壤电阻率、变电站接地形式和结构、接地电流等录入到本***中，依据以上数据，完成接地***计算，从技术可行性方面在解决变电站降阻问题案例和方法的数据库中选择精确适合解决现场接地问题的单个解决方案或综合解决方案，并从经济角度，对该解决方案进行技术经济方面的考量，考量其接地方案施工实施的成本，接地***运维成本，并为合理化优化，使其从方案的人工、物料、工期、环境方面达到最优值。若经过测算后无法从解决变电站降阻问题案例和方法的数据库中选出方案来满足从技术角度满足接地规范规程要求，则***提示需要相关接地专家和接地技术经济专家组织论证完成接地方案制定。另外，建立接地***在线监测***完成土壤电阻率、接地电阻值、跨步电位差、接触电位差测试，并录入本***中，为降阻方案出具提供有效地基本数据信息，同时效验反馈实施降阻方案的长期效果。

首先建立本***中的第一部分：即建立作为解决变电站现场防雷接地***降阻问题依据和手段的数据库***。该数据库按功能和来源分为三个数据分库，即：

收集整编针对不同降阻类型的成熟案例、措施和方法,并对其按照符合变电站工程特性和运维特性要求完成经济财务效益分析，每种类型接地降阻问题解决方案、措施或多种解决方案组合的综合方案按照功能类型进行“模块化”分类，建立具有经济效益分析的解决变电站降阻问题案例和方法的数据库，数据库Ⅰ；收集整编并建立变电站土壤地质结构、降雨量、环境温湿度及地理环境等地勘、接地环境资料，按照影响土壤电阻率对地勘、接地环境资料库内容进行分类，建立与变电站接地***有关的地勘资料库，数据库Ⅱ；从本***出具成功处理现场问题的解决方案或从接地专家论证中出具的并经现场实践检验成功的接地解决方案，由此形成的数据库，数据库Ⅲ。

其次建立本***中的第二部分，即建立解决变电站现场防雷接地***降阻问题应用***。

提取数据库Ⅰ、数据库Ⅱ、数据库Ⅲ中相关数据和信息，同时收集现场土壤环境资料，从而确定与接地电阻有关的分层排布结构和土质环境数据，进而完成接地***地质环境计算，首选判断该现场接地降阻问题能否在数据库Ⅰ中解决。若能,则从技术可行性方面在数据库Ⅰ中选择精确适合解决现场接地问题的单个解决方案或综合方案，完成接地***计算(计算流程下面详细介绍)，从而确定变电站接地形式和结构，再以经济角度，对该解决方案进行技术经济方面的测算，测算其接地方案施工实施的成本，接地***运维成本，并为合理化优化，使其从方案的人工、物料、工期、环境方面达到最优值，经过现场实践修正后成熟的方案，整理收编到数据库Ⅲ；若无法从数据库I中选出方案来从技术角度满足接地规范规程要求，则***提示需要相关接地专家和接地技术经济专家组织论证完成接地方案制定，再经过现场实践修正后成熟的方案，“模块化”后整理收编到数据库Ⅲ。

接地***计算流程为：通过地勘报告以及相关资料提供信息获取土壤电阻率和接地面积等数据，经过接地装置的热稳定校验，完成地材料的选择及尺寸确定，计算变电站接地***的接地电阻值、效验接地电阻是否满足接地规程所要求的规定值，此时分为两种情况：第一种情况，接地电阻值不满足规程规定值时，则需要接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核，若校核结果不满足要求，则需要从本***的降阻解决方案数据库中选择或组织专家论证实施相应的降阻措施和方案，重新根据土壤电阻率，经过接地装置的热稳定校验，确定接地材料的选择及尺寸，进而重新完成接地电阻计算和效验，直至满足接地规程规定为止，若校核结果满足规程要求，则接地降阻方案确定；第二种情况，若满足规程规定值时，则需要对接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核后，若校核结果不满足要求，则需要从本***的降阻解决方案数据库中选择或组织专家论证实施相应的降阻措施和方案，直至满足接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核要求为止，若校核结果满足要求，则接地降阻方案确定。

建立本***中的变电站现场接地电阻在线监测***，即在利用本***解决接地降阻问题的变电站现场中，安装本***的接地电阻在线监测***和预留监测接地电阻的接地桩(在不使用时应成品保护)，按照《接地装置特性参数测量导则》(DL/T475一2006)要求完成两部分测试和一个监测，即：第一部分；土壤电阻率测试。为降阻方案出具提供有效地基本数据信息；第二部分，测试接地电阻值、跨步电位差、接触电位差并录入本***中，以便效验本***接地方案出具的效果，第三部分，定期监测已成功解决降阻问题变电站的接地电阻，跨步电位差和接触电位差，录入本***中，反馈实施降阻方案的长期效果。

DSP控制器[1]通过DSP的I/O模块[2]来控制变频电源[5]输出频率在47Hz到53Hz之间可调，正弦波测试电压，经过隔离后通过的P1、P2两个端子输出。隔离放大滤波模块[4]将从电压互感器[6]取得的电压信号和从C1，C2两端获得的电流信号进行隔离放大滤波并经过DSP的A/D模块[3]数字化处理后接受DSP处理。

进行接地阻抗测量时，变频电源[5]在DSP控制器[1]下输出一个稳定的频率(如48Hz)的电压，DSP控制器[1]通过A/D转换器取得的电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差,再进一步计算出阻抗Z⁴⁸、电阻分量R⁴⁸和电抗分量X⁴⁸。当变频电源[5]在DSP控制器[1]下输出另一个稳定的频率(如52Hz)的电压，经过同样的步骤后可计算出阻抗Z⁵²，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁴⁷，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁵³，电阻分量R⁵³和电抗分量X⁵³，将Z⁴⁸，Z⁵²，Z⁴⁷，Z⁵³平均后作为工频阻抗Z⁵⁰。通过显示器[8]显示，通过USB数据通讯模块[7]和[10]与电脑相连。

跨步电压和跨步电位差测试

在离被测接地装置[11]较远处打一个地桩作为电流极，该电流极离接地装置边缘的距离仍取为接地装置最大对角线长度D的4倍以上。C₁端子与电流极可靠连接。C₂端子与设备的接地引下线相接。P₁、P₂端子分别接至模拟人脚的电极P_c、P_d[12],该电极可采用包裹湿布的直径为20cm的金属圆盘。两电极中心距离为1米。P₁与P₂端子间并联等效人体电阻R，一般取R＝1.6KΩ.检测出阻抗值Z，利用公式U_s＝Z_s·I_S(式中Is为被测接地装置内***单相接地故障电流)计算出跨步电压U_s。若压输入端不并联等效人体电阻R，则所得结果为跨步电位差。

接触电压和接触电位差测试

在离被测接地装置[11]较远处打一个地桩作为电流极，该电流极离接地装置边缘的距离仍取为接地装置最大对角线长度D的4倍以上。C₁端子与电流极可靠连接。C₂端子接至被试设备的架构。P₂端子接至设备架构上的A点，A点距地面高度为1.8米。P1端子接至模拟脚的电极Pb,该电极可采用包裹湿布的直径为20cm的金属圆盘，并压上重物。电极中心距设备边缘距离为1米。P1与P2端子间并联等效人体电阻R，一般取R＝1.6KΩ，检测出阻抗值Z，最后根据下式计算出接触电压U_t＝Z_t·I_S(式中Is为被测接地装置内***单相接地故障电流)。若电压输入端不并联等效人体电阻R，则所得结果为接触电位差。

土壤电阻率的测量

A为电流极与电位极的间距，B为两电位极的间距，H为电极埋设深度。A、B远大于埋设深度H,一般应满足A、B>10H。测试电极宜采用直径不小于1.5cm的圆钢或25mm×25mm×4mm的角钢，其长度均不小于40cm。埋设好电极并接好线后即可开始测量。用上述测量接地阻抗的方法测出阻抗Z，则土壤电阻率ρ为ρ＝2πA(A+B)Z/B。

以辽宁某220千伏变电站降阻案例为例：

该站的地勘情况如下：站址勘测揭露地层为第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，岩性主要为粉质粘土，局部相变为粘土，含碎石粉质粘土，砾石层；第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)，岩性主要为粘土；下伏寒武系(∈)石灰岩。

地基土承载力特征值fak及压缩模量Es建议采用：

①粉质粘土：fak＝150～170kPa；Es＝9.6MPa；

②粉质粘土混姜石：fak＝200～220kPa；

②-1砾石层：fak＝200～250kPa；

③粘土：fak＝180～200kPa；Es＝15.9MPa。

石灰岩(中等风化)：fak＝1500～2000kPa。

确定土壤电阻率

现场测试，拟选站址场地(0.0～15.0)米土壤电阻率实测值为(300.2～459.4)ΩM。因此，拟选站址场地(0.0～15.0)米的电阻率宜取500ΩM。

调取地质环境信息数据库(数据库Ⅰ)信息：

通过该站的勘测地层的地基土承载力特征值和压缩模量资料以及土壤电阻率等相关数据资料的调取和收集，确定本站站址地理各层的主要成分为粉质粘土，由此调取地质环境信息数据库中的粘土系“模块化”信息，供计算接地电阻之用，比如提供土壤对钢结构腐蚀度信息。

计算确定接地***中材料选择及其尺寸确定，接地装置的热稳定校验。

土对钢结构的腐蚀性评价PH值＝6.76，工程场地地下水对混凝土结构、对钢筋混凝土结构中钢筋均具微腐蚀性；在干湿交替条件下，工程场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性、对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性。

土壤呈弱酸性，接地网选用热镀锌扁钢，垂直接地体选用镀锌角钢。

变电站的单相短路电流为：23.1千安

接地线的最小截面应符合下式要求：

$S_g\≥\frac{I_g}{c}\sqrt{t_e}$

引下线材料是钢，热稳定系数c＝70，接地线最小截面 考虑30年腐蚀厚度：0.065×30＝1.95，主接地网选择60*8扁钢，则(60－1.95)×(8－1.95)＝351.2(mm²)≥208.7(mm²)，满足要求。

根据变电站的总平面布置图估计接地网的面积。

整个接地网面积(104)×(225)m²＝23400m²

垂直接地极共150个接地带L＝3740m，接地网网格为11x11；水平接地带长度：100x11+220x11＝3520m

确定站内主接地网设计要求的接地电阻值。

规定限值接地电阻计算

由公式规定电阻R≤2000/I(1)

R——考虑到秋季变化的最大接触电阻，Ω；

I——计算用的流经接地装置的入地短路电流，A

公式I＝(I_max-I_n)(1-K_e1)(2)

I——入地短路电流，A；

I_max——接地短路时最大接地短路电流，A；

I_n——发生最大接地短路电流时，流经发电厂，变电所接地中性点的最大接地短路电流，A；

K_e1——所内避雷线工频分流系数，取0.5

由公式(1)、(2)和提资In＝3.81千安Imax＝23.1千安

得出I＝(9500-3810)(1-0.5)＝4645安

R≤2000/2845＝0.43Ω

所以接地电阻要求不大于0.43欧姆

接地电阻计算及复核

公式 $R=0.5\mathrm{\ρ}/\sqrt{S}---\left(3\right)$

ρ——土壤电阻率，取500欧米,S——面积(接地网),R——接触电阻 $R=0.5\mathrm{\ρ}/\sqrt{23400}\mathrm{\ρ}=500\mathrm{\Ω}\·\mathrm{MR}=1.63\mathrm{\Ω}$

所以R与要求电阻率不符，偏大，故要计算接触电位差和跨步电位差，以确定接地网布置满足接触电阻的要求。

计算接触电位差和跨步电位差

110KV及以上有效接地***和6～35KV地电阻接地***发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值。

$U_t=(174+0.17\mathrm{\ρf})/\sqrt{t}{U}_s=(174+0.17\mathrm{\ρf})/\sqrt{t}$

U_t——接触电位差，V；U_s——跨步电位差，V；ρf——人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·M

T——接触短路(故障)电流持续时间，S(0.5秒)

接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

$\mathrm{Ej}=\frac{174+0.17\mathrm{\ρb}}{\sqrt{t}}=1448V$

$\mathrm{Ek}=\frac{174+0.7\mathrm{\ρb}}{\sqrt{t}}=741V$

E_j--接触电位差允许值(V)

E_k—跨步电位差允许值(V)

ρb—人脚站立出地表的土壤电阻率(欧米)

t—接地短路故障的持续时间(S)

(1)接触电位差

U_g＝I_R(4)U_g——接地装置电位，V；I——计算用入地短路电流，A；R——接触电阻；

I＝9.645千安Ug＝4.645×1.63＝7.571kV

K_tmax＝K_tdK_thK_tlK'_tmaxK_tnK_ts

$K_{\mathrm{td}}=0.401+0.522/\sqrt[6]{d}=1.441$

$K_{\mathrm{th}}=0.257-0.0955\sqrt[5]{h}=0.166$

K_tl＝0.168-0.002(L₂/L₁)＝0.169

${K^{,}}_{t\max }=2.837+240.021/\sqrt[3]{h}=15.65$

$K_{\mathrm{tn}}=0.021+0.217\sqrt{n_2/n_1}-0.132(n_2/n_1)=0.106$

$K_{\mathrm{ts}}=0.054+0.410\sqrt[8]{s}=1.495$

K_tmax＝0.1004

U_tmax＝K_tmaxU_g＝760V

d—水平接地极的直径或等效直径，m；

h—水平接地极的埋设深度，m；一般取0.8-1米

L₁、L₂—接地网的长度和宽度；L₂＝104m；L₁＝225m

n₁—延长方向布置的均压带根数；此中，n₁取11，n₂取11符合要求。

n₂—延宽方向布置的均压带根数；

m—接地网孔数，其中m＝(n1-1)(n2-1)。

T_e>＝tm+tf+t0

T_m—主保护动作时间，取0.1s

T_f—断路器失灵保护动作时间，取0.1s

T₀—断路器开短时间t_e＝0.5s

因为ρ＝5000Ω·M所以 $\mathrm{Ut}=U_t=(174+0.17\mathrm{\ρf})/\sqrt{t}=1448\mathrm{VUt}\max =1578V$ 不符合要求。

(2)跨步电位差

K_smax＝K_sdK_shK_slK'_smaxK_snK_ss

$K_{\mathrm{sd}}=0.547-0.64\sqrt[3]{d}=0.252$

$K_{\mathrm{sh}}=383.964e^{-2.789}\sqrt[2]{h}=31.05$

K_sl＝0.741-0.011(L₂/L₁)＝0.736

K'_smax＝0.056+1.072/m＝0.069

$K_{\mathrm{sn}}=0.849+0.234\sqrt[12]{n_2/n_1}=1.08$

$K_{\mathrm{ss}}=0.07+1.08/\sqrt{s}=0.0770$

K_smax＝0.0334

U_smax＝252V

因为ρ＝500Ω·M所以 $\mathrm{Us}=U_s=(174+0.17\mathrm{\ρf})/\sqrt{t}=741\mathrm{VUs}\max =524V$

所以符合要求。

调取降阻成熟解决方案数据库(数据库Ⅱ)信息：

通过对该站的接地电阻、跨步电位差和接触电位差验算后，找出不满足规程要求的原因，从降阻成熟解决方案数据库(数据库Ⅱ)中调取有关粘土系且接电阻和接触电位差都不满足的“模块式”的方案类型，调取其解决方案和措施，进而解决本站降阻问题。其内容如下：

接触电位差不满足要求，需对场区接地电阻采取降阻措施，可选用得措施有：更换地网接地体、添加降阻剂、接地深井及增加外延接地网等措施。

经济性和实用性比较：根据调取降阻成熟解决方案数据库(数据库Ⅱ)中提供的各降阻措施的使用范围、经济成本、实用性表格、实施难易程度比较表如下：

表1各降阻措施的使用范围、经济成本、实用性表格、实施难易程度比较表

注：经济成本型比较分为五个等级及其对应的分数：成本非常高，1分；成本较高，2分；成本适中，3分；成本较低，4分；成本非常低，5分。实施效果分为五个等级：最优，5分；次优，4分；优，3分；良，2分；一般，1。实施难易：非常难，1分；较难，2分；难；3分；难度适中，4分；易，5分。综合评分的分数越高者则成本相对越低，实施效果相对越好，实施难度相对越低，越适宜解决现场降阻问题。

本站接触电位差虽不满足要求但超出不大，结合降阻成熟解决方案数据库(数据库Ⅱ)中提供的各降阻措施的使用范围、经济成本、实用性表格、实施难易程度比较表以及场区外部环境条件(外面有220一级铁塔独立接地)，选用外引接地网(利用现有的外引地网)实现降低接地电阻，其综合分数为15分。

具体方法：将站内接地网与站外终端塔相连，并在进站道路两侧敷设复合接地网。增加接地网面积约1000m²,接地网长度500m。

接地电阻重新验算接触电位差。

(1)接触电位差U_g＝I_R(4)U_g——接地装置电位，V；I——计算用入地短路电流，A；

R——接触电阻；

I＝9.645千安U_g＝4.645×1.63＝13.81kV

K_tmax＝K_tdK_thK_tlK'_tmaxK_tnK_ts

$K_{\mathrm{td}}=0.401+0.522/\sqrt[6]{d}=1.441$

$K_{\mathrm{th}}=0.257-0.095\sqrt[5]{d}=0.166$

K_tl＝0.168+0.002(L₂/L₁)＝0.169

${K^{,}}_{t\max }=2.837+240.021/\sqrt[3]{h}=15.65$

$K_{\mathrm{tn}}=0.021+0.217\sqrt[5]{n_2/n_1}-0.132(n_2/n_1)=0.106$

$K_{\mathrm{ts}}=0.054+0.410\sqrt[8]{S}=1.495$

K_tmax＝0.1004

U_tmax＝K_tmaxU_g＝760V

d—水平接地极的直径或等效直径，m；

h—水平接地极的埋设深度，m；一般取0.8-1米

L₁、L₂—接地网的长度和宽度；L₂＝104m；L₁＝225m

n₁—延长方向布置的均压带根数；此中，n₁取11，n₂取11符合要求。

n₂—延宽方向布置的均压带根数；

m—接地网孔数，其中m＝(n₁-1)(n₂-1)。

T_e>＝tm+tf+t0

T_m—主保护动作时间，取0.1s

T_f—断路器失灵保护动作时间，取0.1s

T₀—断路器开短时间t_e＝0.5s

因为ρ＝500Ω·M所以 $U_t=(174+0.17\mathrm{\ρf})/\sqrt{t}=1448\mathrm{VUt}\max =1394V$ 符合要求。

通过以上查询地勘报告，定性、定量计算分析，调取地质环境信息数据库(数据库Ⅰ)和降阻成熟解决方案数据库(数据库Ⅱ)，同时注意到本站接触电位差虽不满足要求但超出不大，且考虑投资和场区外部环境条件，最终选用增加外延接地网实现降低接地电阻，即将站内接地网与站外终端塔相连，并在进站道路两侧敷设复合接地网。增加接地网面积约1000m²,接地网长度500m，这样既经济实效，又具有较高的可移植性和借鉴性，对本案例完成功能化完善后形成一个完成的“案例模块”纳入到本***成功处理现场问题的解决方案数据库(数据库Ⅲ)，进而纳入到解决变电站现场防雷接地***降阻问题依据和手段的降阻问题解决方案数据库(总库)，为下次降阻方案出提供有效的支撑以及案例教学培训之用。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于包括降阻数据库、降阻问题应用部分和接地电阻在线监测部分；

所述降阻问题应用部分收集现场土壤环境数据，并提取降阻数据库，确定与接地电阻有关的分层排布结构和土质环境数据，计算接地***地质环境；在数据库中选择解决方式，完成接地***计算，确定变电站接地形式和结构；

所述接地***计算流程为：采集土壤电阻率和接地面积数据，经过接地装置热稳定校验，选择接地材料及确定接地材料尺寸，计算变电站接地***的接地电阻值，效验接地电阻是否满足接地规程所要求的规定值；

若接地电阻值不满足规程规定值，校核接触电位差、跨步电位差值、网孔电压，若校核结果不满足要求，从降阻数据库选择降阻方式，重新根据土壤电阻率，经过接地装置的热稳定校验，确定接地材料的选择及尺寸，重新完成接地电阻计算和效验，直至满足接地规程规定为止，若校核结果满足要求，则接地降阻方式确定；

若满足规程规定值，对接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核后，若校核结果不满足要求，从降阻数据库选择降阻方式，直至满足接触电位差、跨步电位差值、网孔电压的校核要求为止，若校核结果满足要求，则接地降阻方案确定；

接地电阻在线监测部分测试土壤电阻率；测试接地电阻值、跨步电位差、接触电位差并记录；定期监测已成功解决降阻问题变电站的接地电阻，跨步电位差和接触电位差并记录。

2.根据权利要求1所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述降阻数据库包括数据库Ⅰ、数据库Ⅱ和数据库Ⅲ；数据库Ⅰ针对各类型接地降阻问题进行模块化分类；数据库Ⅱ为地勘资料库，包括变电站土壤地质结构、降雨量、环境温湿度及地理环境地勘、接地环境数据，按照影响土壤电阻率对地勘、接地环境资料库内容进行分类；数据库Ⅲ为降阻成功处理数据库。

3.根据权利要求1所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述选择接地材料及确定接地材料尺寸包括接地线最小截面的确定、接地网网格以及接地极个数的确定；接地线最小截面式中热稳定系数c＝70，变电站的单相短路电流I_g为变电站的单相短路电流，t_e为短路持续时间；接地极个数＝接地网网格横纵网格焦点个数，接地极之间距离大于5米；土壤电阻率越大接地网网格越密；土壤呈酸性时选用钢接地材料，呈中性或碱性时选用铜接地材料。

4.根据权利要求1所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述接地电阻在线监测部分包括DSP控制器、隔离放大滤波模块、变频电源、USB数据通讯模块、显示器和键盘，DSP控制器的A/D模块的信号输入端口与隔离放大滤波模块的信号输出端口相连，DSP控制器的I/O模块的控制信号输出端口与变频电源的控制信号输入端口相连，DSP控制器的通信端口与USB数据通讯模块的通信端口相连，DSP控制器的显示信号输出端口与显示器的显示信号输入端口相连，DSP控制器的数据输入端口与键盘的数据输出端口相连；变频电源的输出端分别与第一输出端子、第二输出端子相连，隔离放大滤波模块的输入端分别与电压互感器输出端、第一电流信号输入端子、第二电流信号输入端子相连。

5.根据权利要求4所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述DSP控制器通过DSP的I/O模块控制变频电源输出频率在47Hz到53Hz之间，正弦波测试电压，经过隔离后通过第一输出端子、第二输出端子输出；隔离放大滤波模块将从电压互感器取得的电压信号和从第一电流信号输入端子、第二电流信号输入端子获得的电流信号进行隔离放大滤波并经过DSP的A/D模块数字化处理后发送给DSP进行处理。

6.根据权利要求4所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于还包括GPRS模块，GPRS模块的通信端口与所述DSP控制器的通信端口相连。

7.根据权利要求4所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述接地电阻在线监测部分进行接地阻抗测量时，变频电源在DSP控制器下输出一个稳定的频率(如48Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差,再进一步计算出阻抗Z⁴⁸、电阻分量R⁴⁸和电抗分量X⁴⁸；当变频电源在DSP控制器下输出另一个稳定的频率(如52Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差，计算出阻抗Z⁵²，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁴⁷，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁵³，电阻分量R⁵³和电抗分量X⁵³，将Z⁴⁸，Z⁵²，Z⁴⁷，Z⁵³平均后作为工频阻抗Z⁵⁰；通过显示器显示，通过USB数据通讯模块和GPRS模块与电脑相连。

8.根据权利要求4所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述接地电阻在线监测部分跨步电压和跨步电位差测试包括以下步骤：

在离被测接地装置较远处打一个地桩作为电流极，该电流极离接地装置边缘的距离取为接地装置最大对角线长度D的4倍以上；第一电流信号输入端子C1与电流极连接，第二电流信号输入端子C2与设备的接地引下线相接，第一输出端子P1、第二输出端子P2分别接至模拟人脚的电极Pc、Pd,模拟人脚的电极采用包裹湿布的直径为20cm的金属圆盘，Pc、Pd中心距离为1米；P1与P2端子间并联等效人体电阻R，R＝1.6KΩ，利用公式U_s＝Z_s·I_S，式中Is为被测接地装置内***单相接地故障电流，Zs为计算跨步电压、跨步电位差时对应的阻抗值，计算出跨步电压Us；若不并联等效人体电阻R，则所得结果为跨步电位差。

9.根据权利要求4所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述接地电阻在线监测部分接触电压和接触电位差测试包括以下步骤：

在离被测接地装置较远处打一个地桩作为电流极，该电流极离接地装置边缘的距离取为接地装置最大对角线长度D的4倍以上；C1端子与电流极连接，C2端子接至被试设备的架构，P2端子接至设备架构上的A点，A点距地面高度为1.8米；P1端子接至模拟脚的电极Pb,电极Pb采用包裹湿布的直径为20cm的金属圆盘，并压上重物；电极Pb中心距设备边缘距离为1米；P1与P2端子间并联等效人体电阻R，R＝1.6KΩ，检测出阻抗值Z_t，根据公式U_t＝Z_t·I_S计算出接触电压，式中Is为被测接地装置内***单相接地故障电流；Z_t为计算接触电压、接触电位差时对应的阻抗值。若电压输入端不并联等效人体电阻R，则所得结果为接触电位差。

10.根据权利要求4所述应用于变电站防雷接地***的降阻分析和措施***，其特征在于所述接地电阻在线监测部分土壤电阻率的测量包括以下步骤：

A为电流极C2与电位极P2的间距，B为两电位极P1、P2的间距，H为电极P1、P2埋设深度；设置A＝B，A、B>10H，测试电极采用直径不小于1.5cm的圆钢或25mm×25mm×4mm的角钢，测试电极长度不小于40cm；

变频电源在DSP控制器下输出一个稳定的频率(如48Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差,再进一步计算出阻抗Z⁴⁸、电阻分量R⁴⁸和电抗分量X⁴⁸；当变频电源在DSP控制器下输出另一个稳定的频率(如52Hz)的电压，DSP控制器通过DSP的A/D模块取得电压和电流数据，进行滤波后计算出数字化后的电压U和电流I及其相位差，计算出阻抗Z⁵²，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁴⁷，电阻分量R⁵²和电抗分量X⁵²，Z⁵³，电阻分量R⁵³和电抗分量X⁵³，将Z⁴⁸，Z⁵²，Z⁴⁷，Z⁵³平均后作为工频阻抗Z⁵⁰，土壤电阻率ρ为ρ＝2πA(A+B)Z/B，式中Z＝Z⁵⁰。