接地保护是保证设备和人身安全的根本措施。建筑、楼宇、通信塔等需要构建简易接地网,发电厂、变电站等重要场所和设施需要建造高标准接地网。以电站接地网为例,一个高标准的接地网需要以主要设备为中心在厂区地下敷设纵横交错的篦子型金属网格,并在边缘等部位设置垂直接地体。在特殊重要场合,如核电站,不仅要求接地材料为紫铜,而且还要随建筑的深度,设多层立体接地网格,接地装置及工程十分庞大、昂贵。且电站大型接地网属于一次性工程,其设计寿命与电站主设备寿命一致,一般为30~50年,一旦完成,便不可维护。由于接地体存在着腐蚀问题,且不同地质条件土壤介质的流失和变化也有变化,因此,随着地网服役期的增长,接地网的接地效果逐渐变差,维持接地网的接地效果是一个重大技术难题。

 

井群接地网技术原理与优点

 

换流站调相机仪表与控制系统的接地拟采用与主接地网完全隔离的独立的井群接地网技术。

 

所谓井群接地网,简单来说就是将埋设于井中的接地极连成一个整体而构成的一种接地网。井群接地网不仅在结构上是一种完全不同于由于传统结构的新型地网,更为关键地是在接地理论、理念上的突破。所谓理论突破,井群接地网技术认为,接地体是电气设备接地过程中的一个中间环节,而不是最终环节,这个中间环节符合“软地”特性,从物理模型上来说是一个电阻和电容的并联,从数学模型上来说,是一个时域的指数衰减函数。因此,当有接地电发生时,其接地电压将按指数规律衰减,经过一个放电周期时,电压迅速衰减至理想的零电位。这个放电周期取决于物理模型中的电阻和电容。这个电阻不是所谓的接地电阻,而是对地电阻,这个电容是对地电容。接地网的这个特性已经经过实验验证,对地电阻和对地电容的测量方法已获得发明专利授权。

 

井群接地网设计的最终目的,就是在保证冲击电流的前提下如何最大程度地降低对地电阻和对地电容,使电荷以最快速度下泄到大地。而根据目前测量方法所得到的接地电阻实则是接地体与土壤之间的接触电阻,可看做是评地体与土壤结合程度的一个指标。因此,井群接地网不同于普通结构地网,必须遵循如下三个原则:

 

原则一,深井吸纳。

 

原则二,系统隔离。

 

原则三,一点接地。

 

井群接地网是接地网技术的一次突破,是接地网领域的理念上的突破,表现在如下几个方面:

 

第一,接地质量有了重大提高

 

由于接地体埋设于井中,所选择的接地点地质条件优越,导电效果更好,接地极周围环境稳定,不受春夏秋冬四季交替影响,可长期保持优良接地效果。

 

第二,接地安全性有了质的提高

 

埋设于地下深处的接地极引上线经绝缘处理后,只有深处的导电体向地下放电,不再有电荷泄漏到地表浅层土壤,彻底消除了传统的浅层纵横式接地网所存在的跨步电压问题。

 

第三,接地网将成为可维护设备

 

由众多接地极构成的接地网,在单个接地极更换时,不需要停用任何设备,也不影响任何设备,接地极可逐个维护和更换。因此,井群接地网从此可称为一种设备。

 

第四,便于接地网的标准化

 

换流站井群接地网理想设计方案

 

从目前换流站设备看,变电站的接地基本分为以下五种情形:

 

中性点接地

 

220kV以上的输电线路为直接接地系统。即主变高压侧中性点与低压侧中性点需要直接接地。

 

防雷(冲击)接地

 

避雷针、避雷器接地。

 

安全保护接地

 

站内所有设备的金属外壳、电缆外层等的接地。

 

干扰源接地

 

电抗器、电容器等高频干扰或工频干扰的接地。

 

二次设备接地

 

根据井群接地网的系统分类原则,这五种情形具体实现时可分为三类,并由三个独立的接地网各自承担性质不同的接地功能:

 

第一类,中性点接地网

 

三相主变的铜绕组中性点(铜接地),是主干电网的接地点,该接地网应该与其他设备的接地网分离,该方法是实现主网与站内设备电气隔离的关键,是实现大电网安全的非常重要的一环。该方法还有利于减轻分布电容对长距离输电线路带来的暂态振荡危害。

 

第二类, 站内安全保护接地网

 

在二次接地网设置为独立接地网的情形下,站内的防雷(冲击)接地、安全保护接地、以及干扰源接地等可连结为一个接地网。

 

第三类,二次设备接地接地网

 

二次系统是相对于一次系统而言,包括继电保护系统、仪表及控制系统、计算机网络系统等。二次系统接地的特点是接地电压低,单个设备接地电流小,但鉴于二次设备众多,需要对所有二次设备的接地进行梳理,按一点接地原则接入独立接地网。

 

但鉴于目前电气保护装置施行现有的标准,保护接地网接至全站公共地网,因此,目前可暂时将仪表和控制系统接至二次系统独立地网。

 

根据我们的研究设计,整个电站的接地网设计要点如下:

 

电站接地网设三个独立接地网;

 

中性点接地网可用四个井和接地极构成一个接地网。

 

安全保护接地网可采用环网加井群的方式构造,其中主井群最关键。

 

二次系统接地网用四个井和接地极构成一个接地网。

 

安全保护接地网的田字型骨干连接带为带绝缘层,在地沟内敷设时必须与用支架与土壤绝缘,以保证对地电流全部经过泄漏到井中,将跨步电压减小到最低程度。

 

上述方案要点可以用如下的示意图表示。

 

 

 井群接地网技术应用案例

 

针对2012年以来,特别是201378月间的费县电厂许家崖水库泵站频繁发生的雷击跳闸事故,2013年改造采用独立井群接地网的技术方案。将避雷器的接地网单独设置在站东侧墙外的水渠内。新的接地网用三个井式接地极并联,三个深井接地极按3米的间距沿水渠放置于水渠下方,很好地解决了雷电冲击站内地网的问题。自2013年改造实施以来,再未发生类似事故。

 

20146月,针对青岛电厂#3机组电焊施工影响DCS及火检系统的情况,对其接地网进行了改造,设计了一个由4个接地井构成的一个独立小接地网。改造后,该机组再未出现类似现象。随后该厂#4机组小修时也采用了这一方法,效果良好。

 

201462日,章丘电厂#4机组因雷击造成“非停”,根据研究成果,提出了DCS独立井群地网的方案,实施以来,未再发生任何接地异常。