新型多针式垂直接地系统工程应用

孙长海，粘凯昕，马海峰，王中明，吴　彦

(1. 大连理工大学 电气工程学院，辽宁大连116024；2. 国网黑龙江省电力有限公司 鹤岗供电公司，黑龙江鹤岗154101)

新型多针式垂直接地系统工程应用

孙长海1，粘凯昕1，马海峰2，王中明2，吴彦1

(1. 大连理工大学 电气工程学院，辽宁大连116024；2. 国网黑龙江省电力有限公司 鹤岗供电公司，黑龙江鹤岗154101)

摘要：以国家电网公司科技项目“新型多针式垂直接地系统研究及应用”为背景，应用土壤放电理论和尖端放电理论设计多针式垂直接地体；通过冲击放电试验验证多针式垂直接地体结构设计的正确性；最终实现了鹤岗电业局日新110 kV变电所新型多针式垂直接地系统工程应用。该系统接地电阻仅为0.336 Ω，且工程占地面积为25 m2，实现了系统接地电阻小于0.5 Ω和接地系统小型化的工程目标。

关键词：接地；接地系统；多针式垂直接地

中图分类号:TM862

文献标识码:��码: A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.006

收稿日期：2015-09-24。

基金项目：国家电网公司科技项目(SGHLHGOOYJQT1500874)。

作者简介：孙长海(1967-)，男，高级工程师，研究方向为高电压与绝缘技术，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

接地是电气设备最重要的保护手段之一，在设备正常运行或出现故障时用以泄放能量[1]。随着经济和社会的快速发展，土地资源日渐匮乏，接地系统小型化成为必然趋势[2]。

新型多针式垂直接地系统研究及应用是国家电网公司科技项目，其主要研究成果有：在充分研究高压放电理论的基础上，提出多针式垂直接地体的设计新理念，实现增大电流泄放速度的目标；运用先进制造工艺、材料设计、爆炸复合等关键技术，研发CrNi基Cu合金复合材料，作为垂直接地体材料，解决地网腐蚀难题；在上述研究成果基础上，实现新型多针式垂直接地系统设计、参数计算、制造及工程应用，最终实现增大电流泄放速度、降低接地电阻、延长接地系统服役寿命和接地系统小型化的工程目标。

1多针式垂直接地体研究

将土壤放电理论和尖端放电理论应用到接地体的设计理念中，设计出多针式垂直接地体，增强土壤局部放电能力，增大接地体等效体积，充分降低接地电阻，实现节省接地体金属材料的目的。

1.1　土壤放电理论

接地体和土壤紧密接触，土壤作为能量释放的终端，其性能直接影响接地的效果[3,4]。土壤放电等效模型如图1所示，共分4个区域：电弧区、火花区、电解质传导区和恒定电导区[5~7]。

(1)电弧区

图1　土壤放电等效模型

该区域紧邻接地体，电流密度极大且分布不均匀，会在几个通道内形成剧烈的电弧放电，因此称作电弧区。

(2)火花区

随着与接地棒的距离增加，土壤中电流密度逐渐减小且分布趋于均匀，但土壤电场强度仍大于临界击穿场强，土壤中局部放电状态从电弧放电转化为火花放电。

(3)电解质传导区

随着与接地体距离的逐步增加，土壤电场强度低于临界击穿场强，不发生击穿。但相对较强的电场依然会对土壤电阻率产生影响，使该区域土壤具有较强的导电能力。

(4)恒定电导区

该区域和无穷远处零电位等电势，场强基本保持恒定，土壤电阻率不受局部放电的影响。

土壤放电等效模型的四个区域为人为定义，实际中并没有明显界线。电弧区和火花区电场强度非常大，电压降可以忽略；电解质传导区电场强度较大，土壤电导率增大。在电弧区、火花区和电解质传导区的土壤电阻率相应减小，接地体等效体积增大。因此，增大土壤局部放电区域能显著改善接地体放电性能。

1.2　尖端放电理论

导体尖端的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，容易发生尖端放电。带尖端的针状导体可抽象成一个简单的尖端等效模型，如图2所示。针状导体的尖端等效成小半径的导体球，针状导体的非尖端等效成大半径的导体球，两导体球通过无限长导线相连接。

当针状导体施加一定电压激励时，可把两个导体球视为孤立的导体，将无穷远电势视为零电位，应用静电学理论，可得两个导体球的电势为：

图2　尖端等效模型

(1)

式中：φ1、φ2分别为大、小球的电势；R、r分别为大、小球的半径；θ1、θ2分别为大、小球面电荷密度；ξ为周围土壤的介电常数。由于两球通过导线连接，因此满足静电平衡，即φ1=φ2，由此可得：

(2)

大球和小球的面电荷密度与各自的半径成反比，即在针状导体尖端处，面电荷密度更大，周围电场强度更强，容易发生局部火花放电。

1.3　多针式垂直接地体结构设计

将土壤放电理论和尖端放电理论应用到接地体的设计理念中，按照国家标准GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范[8]，设计针状放电极和垂直接地体的结构尺寸[9~11]。

(1)针状放电极

针状放电极的长度为25 mm，直径为4 mm，尖端曲率半径为0.2 mm。针状放电极结构如图3所示。

(2)垂直接地体

图3　针状放电极结构图

垂直接地体直径为25 mm，其上每隔50 mm垂直分布一圈均匀的四支长25 mm、直径4 mm、尖端曲率0.2 mm的针状放电极。垂直接地体侧视图和俯视图如图4所示。

图4　多针式垂直接地体结构示意图

2冲击放电试验

通过冲击放电试验对比设计的多针式垂直接地体与普通垂直接地体的放电性能，验证多针式垂直接地体周围有较强的局部放电产生。

2.1　试验原理

当幅值较大的冲击电流流过接地体时，由于接地体周围土壤发生局部放电，其接地电阻发生变化，此时的接地电阻称为冲击接地电阻R，其值为作用于接地体上的电压峰值与电流峰值的比值，即R=Um/Im。

试验用60 kV直流高压电源对0.4 μF的电容充电，通过球隙击穿模拟冲击大电流，测量接地体上的电压和电流信号，计算冲击接地电阻。图5为放电试验原理图[12]。

图5　放电实验原理图

2.2　试验过程

通过调整球隙间距，保证电容器的充电电压为5.5 kV和7.5 kV，用Tektronix P6015A电压探头和Tektronix P6021电流探头测量放电时的电压和电流信号，计算冲击接地电阻，完成多针式垂直接地体与普通垂直接地体的放电性能测试。

(1)接地体的制作

多针式垂直接地体与普通垂直接地体均选用黄铜作为材料，其中多针式垂直接地体长度0.5 m，直径25 mm，其上每隔50 mm垂直分布一圈均匀的四支长25 mm、直径4 mm、尖端曲率0.2 mm的针状放电极；普通垂直接地体长度0.5 m，直径25 mm。

(2)试验平台的构建

大连理工大学静电所楼前的花园土壤分布均匀，将其选作冲击放电试验场所。按照国家标准GB/T50065-2011[8]对垂直接地体的埋设要求，将多针式垂直接地体与普通垂直接地体垂直埋入土壤中，两接地体相距3 m，覆土高度达到0.8 m。

2.3　试验数据分析

多针式垂直接地体与普通垂直接地体放电波形如图6、7所示，图中通道1为作用在接地体上的电压，通道2为电容器上的电压，通道3为作用在接地体上的电流。

多针式垂直接地体与普通垂直接地体在5.5 kV和7.5 kV下的冲击接地电阻R如表1所示。在冲击高压作用下，多针式垂直接地体的冲击接地电阻远小于普通垂直接地体的冲击接地电阻，且随着冲击电压的升高，该现象越加明显，充分证明多针式垂直接地体结构设计的正确性。

图7　5.5kV普通垂直接地体放电波形

图6　5.5kV多针式垂直接地体放电波形

表1　冲击接地电阻值

3新型多针式垂直接地系统工程应用

3.1　方案设计

根据设计的多针式垂直接地体结构，日新变电所现场实际情况和土壤电阻率，以及接地电阻技术指标的要求，确定新型多针式垂直接地系统结构型式[13~15]。

多针式垂直接地体选用由大连理工大学研制的具有良好导电性、抗腐蚀性和抗氧化性的CrNi基Cu合金复合材料(简称FH-Cu型)，其单根长度2.5 m，9根两两相距2.5 m的多针式垂直接地体并联组成“田”字型的新型多针式垂直接地系统，相邻两根多针式垂直接地体由FH-Cu型复合材料制成的扁线相连接[16,17]。新型多针式垂直接地系统结构如图8所示。

图8　新型多针式垂直接地系统结构图

3.2　工程实施

项目施工地点为黑龙江省鹤岗电业局日新110 kV变电所，该工程占地面积为25 m2。新型多针式垂直接地系统与普通接地系统工程实施过程基本相似，主要分为以下几步[18,19]。

(1)现场实地勘测，确定新型多针式垂直接地系统敷设位置。

(2)按照接地系统方案，标注9根多针式垂直接地体埋设位置，用直径0.3m的旋挖钻机下钻3.1 m。

(3)将多针式垂直接地体垂直放入孔洞，并灌入2.4 m降阻剂浆液[20]。

(4)挖设0.7 m深的“田”字型坑道，敷设复合水平接地体，并和各根多针式垂直接地体通过热熔焊技术相连接[21]。

(5)在“田”字型坑道内灌入足量降阻剂浆液。

(6)测量新型多针式垂直接地系统的接地电阻，本项目测量结果为0.336 Ω，满足系统接地电阻值小于0.5 Ω的要求[8,22]。

(7)逐步回填和夯实土壤。

(8)用电阻率约为5 000 Ω·m的沥青混凝土进行封顶。

为此完成整个新型多针式垂直接地系统的工程应用。

4结论

本文通过对多针式垂直接地体和冲击放电试验的研究，实现鹤岗电业局日新110 kV变电所新型多针式垂直接地系统工程应用，主要研究成果如下：

(1)应用土壤放电理论和尖端放电理论设计出多针式垂直接地体，增强土壤局部放电能力，增大接地体等效体积，充分降低接地电阻。

(2)通过冲击放电试验充分验证多针式垂直接地体结构设计的正确性，随着冲击电压的升高，与普通垂直接地体相比，多针式垂直接地体的冲击接地电阻显著降低。

(3)完成日新变电所新型多针式垂直接地系统设计和工程应用，系统接地电阻仅为0.336 Ω，且工程占地面积为25 m2，实现系统接地电阻值小于0.5 Ω和接地系统小型化的工程目标。

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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)