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接地材料和连接方式的选择
点击次数:799次 发布时间:2014-10-24 09:53:27 返回列表
摘 要: 本文结合国内外电力相关规范,介绍变电站接地网常规做法上材料选择的差异,比较其性能和价格上的不同,并按规范通过计算说明不同的连接方式对材料截面的影响。  
关键词: 接地    接地网    接地线    腐蚀    连接    火泥熔接  
 
1.概述:
    在电力系统的各项工程建设中,接地可以说是基础工程。电厂、变电站接地网的品质直接关系到设备和人身的安全,以及电网正常稳定的运行。接地网的材料种类、截面以及导体连接方式的选择直接影响到接地系统的成本、品质和寿命。近几年因接地网引起的安全事故时有发生,究其原因无非是接地材料的选择不合理、接地网的老化和腐蚀以及接地体的连接不可靠等原因引起的。
 
2.接地材料和规范
    据了解,在美国和西欧国家,使用铜材作为接地网的材料,并有相关技术标准,如美国的IEEE Std80大纲,这项技术标准已成为国外电力行业普遍遵循的规范。而我国一直沿用前苏联等少数国家的做法,使用钢材作为接地网的材料。当然接地材料的选择是依照标准来的,作为我国电力行业的接地标准-DL/T621-1997 中已明确了钢材作接地材料及对其截面的要求。我国科学技术落后于世界发达国家,接地技术落后了,相应标准也落后。目前我国各行业正在做这方面的工作,大量引进适合中国国情的国际化标准以及发达国家的先进标准。即将颁布的《建筑物电子信息系统防雷技术规范》这项国家标准已和国际接轨,在接地材料中明确提到铜材。比起其它行业,电力系统电厂、变电站的接地要求应该是最严格的。完善现有的标准,吸收国外的先进设计理念,引进国外高科技产品是提高接地技术的根本。国家电力公司在2000年发布了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中的电阻率分别是17.24x10-6(Ω·m)和138x10-6 (Ω·m ),由此可见铜的导电率是钢的8倍。其二是铜的耐腐性强。铜的表面会产生附作力极强的氧化物-铜绿,它对内部的铜起了很好的保护作用,阻断了腐蚀的形成;而钢材是逐层被腐蚀,镀锌层有一定的防腐功能,但反而降低了导电性,由于趋肤效应对高频故障电流尤其明显。
4.2材料的最小截面
1)Sverak方程式
    做接地网的设计首先要选择接地材料的截面。 按照美国IEEE Std80大纲 ,接地线的最小截面应满足Sverak方程式:
               
式中:  I    -  最大故障电流(kA);
     A   -  铜导线截面积(mm2);
     Ta   -  周围温度(℃);
     Tm   -  连接头的最高容许温度(℃)
     Tr   -  材料导热温度常数(℃);
     αo   -  0度时导热参数;
     αr   -  Tr度时导热参数;
     ρr   -  Tr度时电阻率参数(μΩ/cm3);
     K0   -  1/αo或(1/αr) -Tr定数;
     tc   -  故障电流持续时间(秒);
     TCAP  -  热量参数(J/cm3/℃)
将Sverak 方程式代入相关参数,可进行简化。
2)DL/T621中的计算公式
    我国电力行业标准DL/T621-1997,根据热稳定条件,接地线的最小截面应符合下式要求: 
         
式中:  Ig   - 流过接地线的短路电流稳定值,A;
     te  - 短路的等效持续时间,s;
     c   - 接地线材料的热稳定系数;近似取铜为210,钢为70。
这公式和Sverak 方程式简化后一致,故仅以此式计算讨论。
3)最小截面的计算
    按DL/T621-1997中要求, 接地装置的最小截面不小于其接地线的75%, 故接地装置的最小截面略考虑余量可按上式计算,以上都未考虑腐蚀。
    以110kv为例,按常规最大短路电流取Ig=15000kA,短路持续时间te=0.5s:
选用接地铜材的最小截面为 ;
选用接地钢材的最小截面为 。
4.3材料的等效截面
   根据热稳定条件按上式计算可得出,选用钢材作接地材料时其截面是选用铜材的3倍。考虑到电阻、腐蚀和连接等因素的影响,关于铜材和钢材的截面关系由以上分析和计算可归纳如下:
1)根据热稳定条件,避免接地线、接地体熔化,铜材和钢材的截面比为1:3。
2)要使接地导体本身电阻相同则钢材,铜材和钢材的截面比为1:8。
3)考虑到腐蚀和连接头的影响,钢材截面还要增大;而铜材可以不考虑这问题。
由以上可得出,选用钢做接地材料其截面至少是铜材的6倍以上,因此铜和钢两种接地材料的等效截面可取1:6。
 
结论:铜材接地系统性能稳定、可靠、免维护、寿命长。
 
5.导体连接方式
    电厂和变电站的接地网,金属导体存在着大量的连接,铜导体之间以及铜和钢之间如何连接? 如果不能很好的解决这一问题,那将大大制约铜材接地的使用和发展。实际上,在IEEE Std80 中对接地铜导体的连接早已有明确规定,那就是应采用放能式连接。
    火泥熔接是一种全新的放热式连接方式,它是利用化学反应产生的超高热将需连接的导体熔化后重新连接。这样的连接点是真正的分子结构,没有接触面和机械压力,具有较大的散热面积;接头部位承受大电流的能力及熔点与导体本身相同,熔接质量远远优于传统的电焊和氧焊。火泥熔接操作非常简便,不需要特别的技术工人,作业中也无需外加的电源和热源,更不需复杂的设备。火泥熔接通过 UL标准严格认证,这种放热式熔接在国外早已被IEEE80大纲等规程指定为接地系统中埋地导体的连接方式。在国内,火泥熔接技术已通过了国家电力公司武汉高压�研究所、浙江电力试验研究所和铁道部产品质量监督检验中心的检验,并已广泛应用于电力、铁路等系统各重点工程。
使用了不可靠的连接方式,会使连接头的品质大为降低,接头最高允许温度大大低于导体本身,承受电流的能力也大大低于导体本身。下面表格是从 IEEE Std80中数据摘录得出,以接地线为例列出各种连接头最高允许温度,并按10000A的故障电流,最长持续时间为3秒(亦则相等于断路器的短时间额定的长度),计算出采用不同连接方式,所用铜线的最小截面积(避免熔化)。
 
连接方式
铜线本身
火泥熔接头
铜银焊接头
压缩接头
螺栓接头
最高允许温度(℃)
1083℃
1083℃
450℃
350℃ 
250℃
铜线截面积(mm2)
61.49
61.49
80.54
88.68
102.19
 
从表中可看出:要承受同样的故障电流,接头的连接越不可靠,接地线需要的截面就越大。选择接地线大小尺寸时必须同时考虑其连接方法在内,若采用火泥熔接法,单就接地铜线的使用量可节省很多,由表对照,比铜银焊接可节省31%,比压缩连接最少节省44%,比螺栓连接可节省66%�。接地体所能承受的故障电流,需要的材料和连接头品质同样有上述关系。
6.结束语
    综上所述,对于发电厂和变电站要有一个长期、可靠、稳定的接地系统,才能真正保证设备和人身的安全,在设计和施工时,合理的选择接地材料和连接方法,是提高接地系统品质的根本。
 
 
 
参考文献:
1.Guide for Safety in substation grounding   IEEE Std.80-2000.(U.S.A)
2.《交流电气装置的接地》                       电力行业标准    DL/T621-1997
3.《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》   国家电力公司    2000-9-28发布
4.《电力工程设计手册》                         西北电力设计院 1989年
 
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