电气化铁路牵引变电所接地电阻分析处理

　2012年4月内蒙古科技与经济A pril2012　第7期总第257期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.7T o tal N o.257电气化铁路牵引变电所接地电阻分析处理

朱永忠

(中铁六局集团电务工程有限公司,北京　100070)

摘　要:从降低变电所接触网工频接地电阻的几种有效措施,分析了不同情况下采用的降阻手段。

关键词:牵引变电所;接地电阻;电气化铁路

中图分类号:U224.2+5 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)07—0095—02

牵引变电所的接地系统是电气设备正常运行、保障人身和设备的安全、防止雷电和静电危害的措施。接地电阻值是衡量接地系统好坏的主要标准之一,接地网形式、土壤结构、土壤电阻率对接地电阻有着显著的影响。短路电流大、土壤电阻率高是造成牵引变电所接地困难的主要原因,国内曾发生过多起由于接地系统未达到要求所导致的事故。在电气化铁道牵引变电所施工中,接地网敷设一般属前期隐蔽工程,一次处理不好会造成很大的经济损失和安全隐患。随着外部电力系统建设的快速发展,短路电流日益增大造成接地电阻要求值越来越小,解决问题的关键是合理确定接地电阻允许值,并在进行接地系统施工前,需对牵引变电所的接地系统进行合理、准确的设计,并切实采取措施,最大限度地减少施工量。

1　土壤参数对接地系统的影响

土壤电阻率是接地工程的一个常用参数,直接影响接地装置接地电阻的大小、接地电流的分布、地网地面电位分布、跨步电势和接触电势。土壤电阻率并不是一个恒定的值,当土壤类型与土壤结构不同,土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量不同,或者温度与湿度发生变化时,土壤的电阻率会发生较大的改变。土壤类型是可以根据主要矿物成分分类,土壤温度发生变化时,其电阻率也发生变化,冻土的电阻率远远高于未冻土;砂石土的电阻率远远高于普通土。土壤电阻率对于接地系统的接地电阻有着显著的影响,得到准确的土壤参数是进行接地系统科学设计的基础。目前,牵引变电所在进行接地系统设计时,多将土壤看成均匀半无限大介质,按照单层土壤结构考虑,利用简化公式进行计算。

2　接地电阻允许值分析

牵引变电所接地电阻应满足设备对电位、接触电势、跨步电势和暂态过电压的要求,其大小应取决于土壤电阻率、入地短路电流和牵引回流的数值。2.1　对地电位的要求

对地电位是电气设备发生接地故障时,接地设备的外壳、接地线、接地体等与零电位点之间的电位差。当运行中的电气设备发生接地故障时,接地电流将通过接地线和接地体,以半球面形状向地下流散。在距离接地体越近的地方,由于半球面较小故电阻较大,接地电流通过这里的电压降也较大,所以电位就高。在远离接地体的地方,由于半球面大而电阻就小,所以电位就低。

对地电位要求的接地电阻为R≤2000/I,规范规定当I≥4000A时,可采用R≤0.5 。同时设计规范也指出,在高土壤电阻率地区,当牵引变电所的接地装置要求做到规定的接地电阻值在技术上、经济上极不合理时,允许将接地电阻值提高,但不应超过5 ,并在采取绝缘和隔离措施后,满足暂态过电压、跨步电势及接触电势的要求。

2.2　接触电势的要求

当人站在电极附近的地面上用手去接触发生接地故障的电气设备时,手脚之间承受的电位差为接触电势。接地短路电流经接地装置流向大地时,由于不同形状和不同埋深的电极会有不同形式的地表电位分别,最大接触电势出现的位置也不同,但一般都出现在电极附近。

2.3　跨步电势的要求

当接地短路电流流过接地装置时,大地表面形成分布电位,在地面上水平距离为0.8m的两点间的电位差,称为跨步电势。接地短路电流经接地装置流向大地时,由于不同形状和不同埋深的电极会有不同形的地表电位分别,因此最大跨步电势出现的位置也不同,一般也出现在电极附近。

2.4　暂态过电压的要求

在发生短路时,由于接地电位升高使设备受到工频暂态电压反击,可能造成设备击穿或引起避雷器误动,所以应考虑短路电流非周期分量的影响,要求3kV～10kV避雷器不应动作。牵引变电所目前多选用无间隙金属氧化物避雷器,牵引变电所低压侧为27.5kV氧化锌避雷器,设计规范中没有对27.5kV避雷器作出规定。

3　高电阻土壤的接地敷设施工方案

由中铁六局电务工程公司施工的大准铁路点岱沟、窑沟牵引变电所地岩石山上,气候常年干燥干旱,土壤电阻率经常在2500 左右。根据施工调查和前期房建基础开挖发现,所址地下0.5m～1m为坚石地层,若按常规自然接地的施工方法,显然无法达到设计要求。针对具体情况,我们根据已往施工经验,首先高度重视。同时依据现场现状和初测土壤电阻率数据,结合经济节约的原则,及时制订了初步处理方案,主要内容:

收稿日期:2012-02-18

作者简介:朱永忠(1968-),2011年毕业于北方交通大学,中铁六局集团电务工程有限公司工程师。

3.1　接地网的开挖

接地网沟开挖以人工为主,加宽0.5m、加深1m。接地极改砸入为埋入。接地网均压带长度和接地极安装数量按设计要求数量实施。

3.2　接地体的敷设

在接地带和接地极敷设安装处增加适用有效的降阻剂,接地装置埋设周围换填电阻率较低的土壤,按此办法施工完成后,若仍达不到要求,再在牵引变电所围墙外周围敷设一周,加大地网面积,增大接地极坑的开挖、换土量和降阻剂,然后从四面与所内接地网双连接,直至达到要求为止。

3.3　施工方案实施

施工方案的实施须经建设单位批准。根据运营单位提议并经建设单位同意,点岱沟和窑沟牵引变电所为增强接地装置长久耐用,方案补充将水平接地带扁钢改为铜绞线,垂直接地极角钢改为铜棒。

4　降低牵引变电所接地电阻的措施

土壤电阻率较高将导致变电所接地电阻偏大,为满足变电所接地电阻设计要求及运行安全性考虑,提高变电所防雷水平,从经济最优化考虑,应采取切实可靠措施最大程度的降低变电所工频接地电阻值。按照接地网敷设方案,接地装置材质由钢改为铜后,由于接地均压带为多股铜绞线,接地极为铜棒,其与地接触面积,同角钢、扁钢与地接触面积相比减小了很多,加之客观上土壤电阻率高,这使得接地降阻施工困难更大。在实践中,经过反复摸索试验,依据已往的经验和处理方法,笔者介绍几种已在牵引变电所成功应用的几种降低接地电阻措施。4.1　接地网的要求

按照接地网敷设的一般要求,接地网外缘闭合,外缘各角为圆弧状,水平均压带间距为5m,以减弱电场。垂直接地极的间距不小于其长度的3倍,接地极一般为2.5m,以减小相邻接地体的屏蔽作用。水平均压带与接地极间相互连接为焊接。

4.2　降阻剂的选择

选择适宜的降阻剂。中铁六局电务工程公司因多年在西北地区施工,为解决砂石地质地区高电阻率土壤的降阻问题,经与生产厂家多次联合试验,发现采用电极、石墨、钙基膨润土、铜石矿石粉等为主要原材料的降阻剂,降阻效果十分有效。其优点主要是不受高低温、干湿度和环境介质的影响,导电稳定,降阻效果明显且有高效的防腐性能。

4.3　接地极的施工方法

根据土壤情况和周边环境,主要施工方法:外引接地网法、深井式接地法、深井管内爆破法和电解地极法。

4.3.1　外引接地网法。当牵引变电所2000m以内有较低电阻率土壤时,可敷设外引接地极。引外接地体的形式多种多样,根据变电所的具体情况考虑。如利用附近水源设置水下接地网,利用所外附近土壤电阻率较低的位置设置接地装置与主网连接等,以此来降低所内主接地网接地电阻值满足工程要求。

大准线窑沟牵引变电所建在山坡上,土壤大部分为风化的泥岩。而山坡下多水田及河沟,实施中采用2根水平接地体将变电所地网和外引接地极连接起来,成功地降低了该变电所地网的工频接地电阻。需要注意的是,外引连接线埋深要达到1.2m以下,这样既不影响农田的耕作,也使接地体免遭破坏。

4.3.2　深井式接地法。当地下较深处有土壤电阻率较低的地质结构时,可用深井式接地极。把平面地网做成立体地网,利用下层低电阻率的地层来降低接地电阻。采用深井接地后降低接地电阻及改善电位和电压分布的作用主要是分流。土壤电阻率随着深度变化则应考虑非均质土壤模型,工程设计中一般用双层模型来简化实际的多层土壤模型,计算结果非常近似于实际的多层土壤,能够满足安全接地设计要求。采用深井式接地极法,应尽可能利用土壤电阻率低的地下水层,起到降阻作用;应将地网的垂直接地极加大到足以增加接地网电容的长度,从而达到降阻的目的;为减少屏蔽,最好将深井设置在牵引变电所接地网外,或连接在接地网的四周;应利用勘测队在牵引变电所钻探时留下的钻孔作为深井使用。

4.3.3　深井管内爆破法。深井爆破接地极是利用人工爆破使地下岩石产生一定数量的裂缝,贯通岩石中固有的裂隙,将所有与接地极连通的缝隙用低电阻率材料进行机械加压填充,从而改善接地极周围土壤的电阻率分布和散流性能。深井爆破接地极不但可以利用常规深井接地极降阻的有利因素,而且利用人工爆破使地下岩石产生的裂缝,通过填充低电阻率材料,在地下较大范围的岩石内形成一个网状、向外延伸的散流带。从整体看产生了一个低电阻率区域,并加强了接地极与土壤(岩石)的接触,从而大幅度增大接地极的等效直径,改善接地极周围土壤的电阻率分布,以及接地极和土壤的散流性能。深井管内爆破法应用在裂隙较多、土壤干燥或岩石地区,如固结坚硬的沉积岩、岩浆岩、变质岩地区,硬度稍差的各种砂岩、片岩地区。当土壤干燥时它们的电阻率极高,在进行深井爆破时容易形成较稳定的裂缝,所以这些裂缝网用低电阻率材料填充后,形成一个明显的低电阻率区域的散流通道,使接地极有很好的接地降阻作用。内昆线梅花山牵引变电所应用深井管内爆破法,在牵引变电所的4个角部各打15m 深井进行爆破并灌入降阻剂,使接地电阻达到了要求。

4.3.4　电解地极法。电解接地的原理是在地中水平敷设或垂直敷设金属管道,在管道中加入电解化学物质,利用空气或土壤的潮气,与管道中的化学物质反应产生电解溶液,电解溶液通过管道过滤孔向周围土壤渗透,提高土壤的电导率,降低电极与土壤的接触电阻,在金属管道外部采用降阻材料回填,增大电解地极,具有良好膨胀性、吸水性、渗透性和防腐性,可以深入岩土形成树根网状,增大泄流面积,降低散流电阻,同时保护电解地极免遭腐蚀,从而降低变电所的接地电阻。使用该方法降阻一般结合水平外延接地降阻法使用,即在牵引变电所的外延部分使用。如水柏线茅草坪牵引变电所采用6支电解地极埋设在变电所周围并与其地网连接,使接地电阻达到了要求。

5　施工及测量的注意事项

5.1　施工的注意事项

安全的接地网除接地电阻满足设计要求外、还应测试所内地网电位分布曲线和接触电位、跨步电位。在高土壤电阻率区施工时,尽量(下转第98页)