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1、220kV 安徽惠黎 变电站一次接地系统设计计算书XXXXXXX 公司公司1 概 述变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施，其最重要的功能就是将故障电流安全地引入地下，限制地电位上升，控制地表电位梯度以限制跨步电位差和接触电位差在安全值内。在现有的设计方案中，安徽惠黎 220kV 变电站（以下简称惠黎站）接地系统拟采用镀铜材料。作为国家电网公司基建推广新技术，铜覆钢（电镀镀铜材料包含在该类产品中）材料目前开始积极应用于国内工程。本项目一次接地系统设计、分析及计算如下：2 惠黎站站址水文地质条件（岩勘报告无，相关资料缺乏）2.1 地质条件2.2
2、 水文条件2.2.1 地下水腐蚀性评价一、地下水对混凝土结构的腐蚀性判定1、根据环境类型判别根据（GB50021-2001）(2009 年版)规范附录 G，工程场地的环境类型属于类，根据水中硫酸盐 SO42-、镁盐 Mg2+含量，按（GB50021-2001）表12.2.1 判定。表中数值按干湿交替考虑，地下水对混凝土结构的腐蚀性判定结果列于表 2.2-1 中。表 2.2-1 根据环境类型判定地下水对混凝土结构的腐蚀性GB50021-2001 规范指标本项判定结果腐蚀等级腐蚀介质 干湿交替试验指标值（mg/L）按干湿交替考虑300300150015003000硫酸盐含量SO42-（mg/L）3
3、00020002000300030004000镁盐含量Mg2+（mg/L）40002、根据地层渗透性判别拟建站址场地地下水为弱透水层中的地下水，根据地下水的 pH 值，按照（GB50021-2001）（2009 年版）规范表 12.2.2，判定地下水对混凝土结构的腐蚀性的结果列于表 2.2-2 中。表 2.2-2 根据地层渗透性判定地下水对混凝土结构的腐蚀性pH 值腐蚀等级GB50021-2001 规范值试验指标值(pH 值)判定结果微5.0弱5.04.0中4.03.5强3.5二、地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀性判定根据水中氯盐 Cl-含量，按（GB50021-2001）（2009 年版）表1
4、2.2.4，判定地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀性，判别结果列于表 2.2-3。表 2.2-3 根据水中 Cl-含量判定地下水对混凝土结构中钢筋的腐蚀性（GB50021-2001）规范指标本项判定结果腐蚀等级腐蚀介质 干湿交替试验指标值（mg/L）按干湿交替考虑1001005005005000氯盐含量Cl-（mg/L）5000根据上述水质腐蚀性判定结果，拟建场地的地下水对混凝土结构具弱腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性。3 入地故障电流计算3.1 惠黎站规模惠黎站建设规模规划如下：3.2 入地故障电流及持续时间3.2.1 入地故障电流的计算入地故障电流是分析接地系统安全指标的基础。电力系
5、统发生短路故障时，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。入地故障电流为：(3-1) fpffGICSDI式中：Sf 分流系数，需要根据系统的结构计算得到；Cp考虑到系统将来的发展的规划系数，惠黎站的短路电流已给出，暂按常规取 1；Df衰减系数，与故障时延有关；If接地故障对称电流，kA。下表提供了对于不同的故障时延和 X/R 比值的衰减系数典型值。表 3-1 典型的衰减系数值fD衰减系数fD 故障时延 tf(s)50Hz 对应的周期 X/R =10 X/R =20 X/R =30 X/R =400.050.100.200.3
6、00.402.551015201.26851.14791.07661.05171.03901.41721.26851.14791.10101.07661.49651.35551.21251.14791.11301.54451.41721.26851.19191.1479故障时延 tf(s)50Hz 对应的周期衰减系数fDX/R =10 X/R =20 X/R =30 X/R =400.500.751.002537.5501.03131.02101.01581.06181.04161.03131.09131.06181.04671.12011.08161.0618综合变电站实际情况，Df 取 1
7、.2 在大多数情况下已有足够裕度，因此取 1.2。变电站内、外发生接地短路时，经接地网入地的电流可分别按下二式计算：（3-1maxfngSIII2）(3-2fngSII3）式中：Imax发电厂和变电站内发生接地短路时的最大接地短路电流，kA；In 发电厂和变电站内发生接地短路时流经其设备中性点的电流，kA；Sf1、Sf2分别为厂站内、外发生接地短路时的分流系数。经计算，并结合国家电网公司十八项电网重大反事故措施第14.1.1.3 条的要求：“在新建工程设计中，校验接地引下线热稳定所用电流应不小于远期可能出现的最大值，有条件地区可按照断路器额定开断电流考核”，远景惠黎站站内最大入地故障电流按 2
8、9.53kA 考虑。3.2.2 入地故障电流的持续时间根据规范要求，变电站的继电保护装置配置有 2 套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，t 可按式（3-4）取值。(3-4）ofmtttt式中：tm主保护动作时间，s；tf断路器失灵保护动作时间，s；to断路器开断时间，s。根据本站设备容量配置，综合考虑远期扩建需求，经计算，接地设计中故障电流持续时间按 0.4s 考虑。3.3 热稳定校验按 GB50065-2011交流电气装置的接地，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求：g getcIS 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；t
9、e短路的等效持续时间，s；c接地线材料的热稳定系数，钢取 70，镀铜圆钢钢取 128，铜取210。注：关于热稳定系数注：关于热稳定系数 C C 的取值，技术说明如下的取值，技术说明如下：材料的 C 值取决于材料的导电率和最大允许温度。铜覆钢材料随着铜层的腐蚀导电率有所下降，材料的 C 值也相应减小，但随着系统规模及传输功率的增加，变电站短路电流水平却会增加。因此，结合近远期，确定合理的C 值成为铜覆钢材料截面选择中的重要问题。1）IEEE 规定的 C 值IEEE std80-2000 列出了多种材料的热稳定系数值，其中镀铜钢材料（新国标 GB50065-2011 中定义为铜覆钢材料，以下统一为
10、铜覆钢）的最大允许温度为 1084，其热稳定系数参照值为 135 mm2/(As1/2)；钢的最大允许温度 1510，其热稳定系数参照值为 123 mm2/(As1/2)。经计算，C 值如下表所示：表 3.3-1 IEEE 规定的铜覆钢 C 值材料材料导电率（%）Tm（）fK( Cmm2/As1/2)铜镀钢绞线40108410.45189铜镀钢绞线30108412.06164铜镀圆钢20108414.64135镀锌钢8.641928.96682）国标要求的 C 值GB 50065-2011 充分考虑到我国土壤类型的多样性和腐蚀成因的复杂性，为保证铜覆钢材料的适用性，采取设计冗余量前置的方式，通
11、过降低导体最大允许温度，减小热稳定系数取值，为导体截面积计算留出安全有效的设计冗余量，并最终确定了 700、800、900的分档对应要求，如表 3.3-2所示。对照表 3.3-1 和表 3.3-2 可见：GB50065-2011 规定的 C 值与 IEEE 相比已留有一定的裕度。表 3.3-2 GB 50065-2011 规定的铜覆钢 C 值最大允许温度导电率 40%铜镀钢绞线导电率 30%铜镀钢绞线导电率 20%铜镀钢棒7001671441198001731501249001791551283）设计取值综合考虑惠黎站土壤地质条件情况及地下水对金属导体的腐蚀情况，建议按照 GB50065-20
12、11 的列表取值，即导电率 20%铜镀圆钢的 C 值取 128 。3.4 土壤腐蚀性及镀铜层厚度要求3.4.1 按 GB50065-2011交流电气装置的接地，接地装置的防腐蚀设计，应符合下列要求：（1）计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程的设计使用年限相当；（2）接地装置的防腐蚀设计，宜按当地的腐蚀数据进行；（3）在腐蚀严重地区，敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或地面上的接地线宜采用热镀锌，对埋入地下的接地体宜采取适合当地条件的防腐蚀措施。接地线与接地极或接地极之间的焊接点，应涂防腐材料。根据我国在 20 世纪 5060 年代提出“以钢代铜，以铝代铜”的技术原则，与其他地区
13、相同，西北电网系统 330kV 变电站接地网同样采用镀锌扁钢，因运行日久，产生不同严重程度的锈蚀，随着电网规模快速扩大，短路电流不断升高，原有接地网逐渐不满足运行要求，特别是在雷电或变电站近区短路电流的冲击下，电位抬升对二次系统干扰严重，影响电网的安全可靠运行。西北地区某站镀锌扁钢地网腐蚀图根据场站所处区域，综合考虑变电站不低于 40 年使用寿命因素，因此有必要考虑金属在土壤中的腐蚀问题。3.4.2 镀铜层厚度的选择GB 50065-2011 第 4.3.6 条规定：计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程的设计使用年限相当。本项目变电站接地装置的设计使用年限暂按 40 年考虑。因
14、此，需根据防腐蚀要求，确定铜覆钢的铜层厚度。（1）相关标准及规定要求的镀铜层厚度GB 50065-2011 第 4.3.4 条规定：铜层厚度不应小于 0.25mm。（2）根据土壤条件确定的镀铜层厚度如 6.1 节所述，参考国内外研究成果，结合黄河站站址水文地质条件，铜层腐蚀率可取为 0.002mm/a。按国标要求的最小镀铜层厚度 0.25mm 校验，即经过 40 年的全寿命使用期腐蚀，镀铜层厚度剩余量为：0.250.002*40 = 0.13mm，满足使用要求。3.5 接地体截面选择接地导体应具有良好的防腐能力并能重复通过大的故障电流，接地系统的寿命应不小于地面主要设备的寿命。一般至少要求 3
15、0 年以上使用寿命，惠黎变电站接地系统的使用寿命按 40 年考虑。电气设备接地线的截面，应按接地短路电流进行热稳定校验。钢接地线的短时温度不应超过 400，铜接地线不应超过 450。根据热稳定条件，在没有考虑腐蚀时，接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接地装置的接地引下线截面的 75%。接地材料采用镀铜圆钢，其接地引下线的最小截面为：g getcIS 其中：Ig 取值 29.53 KAte 取值 0.4sC 取值 128计算可知，引下线最小截面积为 145.91mm2，计及 40 年全寿命周期的腐蚀损耗，选直径 16、截面积 201mm2镀铜圆钢。由于接地装置接地导体的截面不宜小于连接至该接
16、地装置的接地引下线截面的 75%。因此，主地网水平接地体的最小截面为：S =145.91mm20.75=109.43mm2主地网水平接地体选直径 13.2、截面积 136.84mm2镀铜圆钢。3.6 接地体连接方式变电站的接地网金属导体存在着大量的连接，只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠性。（1）传统的钢接地体连接钢接地体之间的连接均为传统的电弧焊接方式，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，有可能导致点腐蚀的出现，严重影响接地体的寿命。此外，电弧焊接连接不是真正的分子性连接，焊接点对于接地体的导电性能也有影响。并且焊接都只是表面搭接，内部并没有熔合，接头不致密，性能只比压接和螺栓连接略好，焊接接头的性能还要取决于操作技术工的熟练程度，（2）铜接地体连接铜接地体主要有以下两种种连接方式：方式一：铜银焊接法扁铜条与扁铜条之间、扁铜条与裸铜绞线之间、裸
