毕业论文-发变电站接地安全设计(3)

2019-04-13 17:37

称 为接地电阻。

接地电阻的定量定义是:假设在某个电极上流入接地电流 I,而接地极的电位比周围大地无穷远处高出U 时,则接地极电位U 对接地电流 I 的比值 U/I 称为接地电阻。这个定 义必须附加下述两个条件:

要使接地电流流向接地极,必须作出闭合回路,当然必须向大地打人另一个接地 极,然后将电源接入两个电极之间即可产生接地电流。这另外一个电极叫做辅助电极,要设置在离主接地极足够远的地方(理论上在无穷远处)。这样做可以忽略给主电极带来的影响。

接地极的电位上升必须以大地的无穷远点为基准(零电位)。这里所说的无限远点是 指即使有接地电流,电位也不变动的地点,即意味着与通电前的状态没有变化的地点。将这个地点作为电位的基准点(零电位),因此,可以从电位上升值及其接地电流求出真正的接地电阻。

关于金属接地极自身的电阻:一般金属,例如纯铜的电阻率为ρ=1.7*106 ?·cm,而一般土壤(无岩石)的平均电阻率为ρ=1*104 ?·cm,它是纯铜电阻率的 57 亿倍。由于金属接地极自身的有效电阻极小,所以计算接地极接地电阻时常常忽略金属接地极自身的电阻。

关于接地极与土壤的接触电阻:金属接地极的表面通常都是很光滑的,而土壤是由微 小的固体颗粒组成的。两种物体接触实际是“点”接触,而不是“线”或“面”接触,所 以在接触界面处有接触电阻。一般说来,对同一类型土壤,打入的垂直接地极(角钢等)比 埋入式的水平接地极的接触电阻更小。但即使是水平埋设的接地极,由于埋设后要对回填 土层层夯实,再加上水平导体上面通常有 0. 6~0. 8m 土体的压力,所以也会逐渐接触良好。 就算有一些微小空隙,经雨水后,其空隙也会因土壤膨胀而接触良好,或被地下水填满小 空隙,形成良好接触,所以在接地极的接地电阻计算中也忽略接触电阻。

关于接地极周围土壤的电阻:电流在电极周围土壤散流时所引起的土体电阻是很大 的,土壤电阻率越高,阻力越大。这是接地电阻的主要部分。

由此可知,在接地技术中所定义的接地极的接地电阻,一般都忽略接地极的有效电阻 和接触电阻,实际上就只考虑接地极周围大地土壤的电阻。

2.5.1 直接计算法

接地电阻的大小等于接地极的点位升高与通过接地极流入地中的电流的比值,它与土 壤特性以及接地极的几何尺寸等因素有关。接地极的接地电阻可以通过电流场的求解得 到,电气设备大多在工频电源下进行,由求解恒定电流场计算得到的接地电阻,

在工频下 仍然适用。下面以半球形接地极为例进行讨论。

设金属半球的半径为r0 ,经它向地中流散的电流为 I,假定大地是电阻率为ρ(?·m)的均匀半无限大介质。

在距球心 O 的距离为r ( r r0 )处的电流密度为:

式中,当r=10r0 时,将有R=0.9R。可见离开接地极距离为接地极尺寸 10 倍以内的土壤电阻R’占接地极接地电阻的 90%,所以该部分土壤的特性对接地极接地电阻具有很大的影响。

由恒定电流场和静电场的相似性,可以很方便地利用静电场中已知的电容公式来写出 接地电阻的计算公式:

式中ε和ρ分别为土壤的介电系数和电阻率,C 为接地极对无穷远处的电容。由上式可以看出接地极的接地电阻和其电容成反比,在ε和ρ一定的情况下,接地极的电容与其几何尺寸成正比,因此,接地极尺寸越大,电容也越大,则接地电阻越小。在接地工程中, 接地网的尺寸一经确定,其接地电阻就基本确定,在接地网内增加导体对减小接地电阻的 作用不大,这就是由于内部导体被四周的导体所屏蔽,电流绝大部分都是由地网边缘导体流出的缘故。

一个由多根水平导体组成的接地网可以近似地当作一块孤立的金属平板,它的电容主 要由面积大小决定。如果在平板上装有较短的垂直接地体,不足以改变决定电容大小的几 何尺寸,电容增加不多,接地电阻减小亦不多。经大量的研究和分析,只有垂直接地极长 度可以和地网等值半径相比拟时,接地电阻才有明显的减小,例如在均匀土壤中,半径为 r 的金属圆盘在地表面时的接地电阻为

若在圆盘内密密麻麻打入无数根长短不同的垂直接地极,使之构成为半径为 r 的半球 形接地极,其接地电阻如式,在比较圆盘和半球接地极的接地电阻计算式可以发现,在同 样的土壤中,相同半径的圆盘和半球形接地电阻相比,半球形接地极只比圆盘接地极减小了36.3%。这个例子说明,众多的垂直接地极因相互屏蔽没有起到应有的散流作用,而白白地浪费掉了。

2.5.2 发变电站地网的接地电阻

为了均衡发变电站地面的电位分布,降低接触电位差和跨步电压以及便于设备和构架 的就近接地,发变电站的接地极必须做成由水平导体组成的网状结构,即地网。地网深埋h 一般在 0.6-0.8m,面积一般为发变电站的占地面积。

设发变电站的占地面积为 A,当该面积埋一块面积为 A 的金属板时,其接地电阻R1 可达最小值;若该面积的金属板更换成与金属板外轮廓相同的水平接地导体时,其接地电阻R2 将达最大值。如果把发变电站的占地面积用一等值的面积近似取代,则地网接地电阻的最小值R1 和最大值R2 可分别用圆盘电极和圆环电极的接地电阻计算公式估算,即:

到实际地网不是金属板而引入的修正项。它比前一项要小得多。R1 =0.435?,最大值R2 =0.734?。也就是说,即使我们把地网内全部铺满钢材,接地电阻也仅降低了

41%。这是由于内部导体被四周的轮廓所屏蔽,电流绝大部分由四周的轮廓流出 的缘故。可见,在地网内铺设很多钢材,对降低接地电阻的效果是不大的。由于R1 ,R2 相差不大,在估算实际地网接地电阻时,可以在R1 的基础上加修正项 R的方法略去埋深 h 的影响,把式(2-11)简化为

也就是说,当 =100?·m 时,为得到时 0.5? 的接地电阻,地网的面积不能小于 100×100m2

2.6.2 跨步电位差与跨步电压

跨步电位差:接地短路电流流过接地装置时,地面上水平距离为 0.8m 的两点间的电 位差,称为跨步电位差Ekb 。接地网外的地面上水平距离为 0.8m 处对接地网边缘接地极的电位差,称为最大跨步电位差Ekbm 。人的两脚接触该点时所承受的电压叫做跨步电压U kb 。

若人的两脚离半球中心的距离分别为rc 和rD ,则跨步电压为

显然,当接触电位差或跨步电位差超过某一安全数值时就会使人遭受触电事故。在接地安全计算中,最重视的是最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 出现的位置。由于不同形状和不同埋深的接地极会有不同形状的地面分布曲线,因此。最大接触电位差

Ejcm和最大跨步电位差Ekbm 出现的位置与接地极的形式、尺寸以及埋深等因素有关,但可以肯定的是离接地极越近,其接触电位差和电势就越大。因此,最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 一般都在接地极的附近。

对于给定的接地极,其直流接地电阻或工频接地电阻 R 总是一个给定的值(当土壤电 阻率给定时),因此,最大接触电位差Ejcm 和最大跨步电位差Ekbm 的大小将随流入接地极的电流 I 或接地极的地电位 U=IR 变化而变化。但Ejcm 和Ekbm 总是小于接地极的地电


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