论文部分内容阅读
[摘 要]从接地和变电所接地网概念和使用原理展开，通过对海勒斯壕牵引变电所接地系统设计方案的介绍，重点对接地装置材料选择、降低接地电阻措施等影响牵引供电系统接地安全的技术问题进行了分析。通过采用常规化接地网方式和采用离子接地极方法两种接地网设置实例进行了对比分析，总结得出采用电解离子接地极与水平地网结合的接地方案的降阻效果更为明显，能够在有限的环境内达到的接地电阻要求。
[关键词]牵引变电站 接地网 接地极
中图分类号：U27 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0395-02
引言
牵引变电所是电气化铁道供电的核心之一，接地系统是保证牵引变电所安全可靠运行、保证人身及设备安全的重要设施。由于接地装置埋设于地下，维护较困难，所以确保其设计满足技术参数要求，在其运行寿命周期内，始终能起到其应有的作用，是牵引变电所系统设计时必须重视的问题。根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2005）的规定，牵引变电所接地网的接地电阻值一般按不大于0.5Ω设计。位于高土壤电阻率地区的牵引变电所，在不采取任何降阻措施的情况下，要达到此要求非常困难。本文就以“牵引变电站防雷接地网应用探讨”为课题进行研究。
一、课题研究相关信息
（一）接地的概念
电气回路或设备与大地，或与可代替大地的导体之间的导电的连接，可以是有意的连接，也可以是无意的连接。在配电回路或分支回路里，所有的回路和设备都通过导电连接来互相连通，从而减少它们之间的电位差，或将电位差限制到最小值，称之为接地。
接地作用如下：
1.提供设备与近处金属物体间的低阻抗连接，以减少人身电击危险;
2.给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器得以动作;
3.给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路;
4.给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧。
（二）接地网介绍
牵引变电所接地网设计方案为敷设以水平接地体为主的人工接地网，辅以垂直接地极。水平接地体的外缘闭合，外缘各角煨制成圆弧形，圆弧的半径不小于均压带间距的一半。水平接地体的间距不宜小于5 m，而垂直接地极的间距应大于或等于其长度的2倍。
接地体是一个与大地电气接触的裸露导体或其它导电，或者埋入与大地有大面积接触的钢筋混凝土结构里的裸露导体或其它导电元件。
工频电流从接地体向周围的大地散流时土壤呈现的电阻称为接地电阻。接地体的特性表现为接地电阻，它被定义为接地体和参照物或远处大地之间的有效电阻。接地电阻的数值等于接地体的电位与通过接地体流入地中电流的比值。接地电阻取决于土壤电阻率ρ，也取决于接地体的几何尺寸及接地体的设计。
目前，国际国内防雷理论和工程界比较流行共用接地和等电位连接两种：
1.共用接地就是把同一建筑物内的许多不同性质的接地装置如防雷地、电气安全接地、交流电源工作地、通信及计算机直流地全部地连接在一起，使之成为一个等电位体;
2.等电位连接是把建筑物内及附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋，自来水管、煤气管及其它金属管道、电力系统的零线等用电气连接的方法连接起来（焊接或者可靠的电气连接），使整座建筑物成为一个良好的等电位体。当雷电来袭时，由于建筑物内部及其附近基本上做到等电位，从而不会发生建筑物内部的设备被高电位反击和人身雷击的事故。
由于采用了等电位连接，对建筑物接地电阻的要求可以放宽。这一点对干旱、沙漠等土壤电阻率高的地区尤为重要。所以，在地网设计时应遵循以下原则：
2.1 尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接来作为接地网;
2.2 尽量以自然接地物为基础，辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形;
2.3 应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。
三、牵引变电站防雷接地的应用
从目前我国变电站防雷接地技术的发展情况来看，随着科技的发展，防雷接地技术也得到了一定的进步，整体的发展逐步从不成熟到成熟，从成熟到方案的优化。就以巴准线牵引变电所接地的应用为例进行分析。
（一）工程概况
牵引变电所位于内蒙古鄂尔多斯境内，地貌被两川九湾十八沟切割得支离破碎，该站植被稀疏，岩石裸露，水土流失严重，实测土壤电阻率平均值为210Ω·m，变电站占地面积5297.5m2。地网建设面积小，土壤电阻率高，地网接地电阻按照以往的接地降阻方式很难满足接地要求，接地电阻的实施方案就是总体工程方案的重点之一。
为了保证该站整个接地网的电气性能的稳定性，抗腐蚀能力强，提高接地网的使用年限，选择铜质材料最为合适。因为铜质材料有良好的导流效果且电气性能稳定，抗腐蚀能力强，所以水平接地网选用150纯铜绞线，-50×5mm鍍锌扁钢为接地材料。垂直接地极主要采用Ф20×2.5m纯铜接地棒连接地极。所有焊接点采用放热工艺焊接，提高接地网的防腐性能和泄流性能，来满足该变电站接地电阻的要求。
合理布置接地网格，充分考虑接触电压和跨步电压从而达到安全标准，保证工作人员和设备安全。避雷针的接地网距离主接地网应大于3m。
（二）接地要求
1.接地电阻≤0.5。
2.安全电压。为了提高地网的安全性，保证工作人员和设备的安全。则在全站敷设均压网格，使接触电压和跨步电压达到安全标准，保证工作人员安全。
（三）接地网方案比较
地网接地电阻的推算。地网接地电阻受土质、天气条件、地网水平接地体长度、深度、材质、接地体形状、地网结构等多个因素影响。准确地计算其数值非常困难。但可以尽量客观地进行测算，避免地网的盲目性实施，进行必要的调整。 1.方案一：
海勒斯壕南站牵引变电所采用78根垂直接地极主要采用Ф20×2.5m纯铜接地棒来接地极，其他条件，土壤电阻率参考值ρ按210Ω·m;接地网面积5297.5m2，周长约293m;地网埋深0.8m;150纯铜绞线为水平接地极;-50×5mm镀锌扁钢为接地线;垂直接地极主要采用Ф20×2.5m纯铜接地棒来接地极。
1.1 水平接地极的接地电阻：
R：任意形状闭合接地网电阻值，Ω;S地网的总面积，5297.5m2;ρ：土壤电阻率210Ω·m;：等值（等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻Ω;d：水平接地极的直径或等效直径，;h：水平接地体的埋设深度0.8m;：接地网的外缘边线长度，293m;L：水平接地极的总长度，1860m。
水平接地极的接地电阻Ω。
1.2共使用78根纯铜实体接地棒并联后的接地电阻：
78根;
L：单根纯铜实体接地棒的长度2.5m;d：单根纯铜实体接地棒的等效直接0.02m;单根纯铜实体接地棒的接地电阻;：78根純铜实体接地棒并联后的接地电阻;n：接地棒数量78根;：接地棒间的屏蔽系数0.65。
78根垂直接地极接地电阻Ω
1.3 水平接地网和垂直接地极组合总的接地电阻：
Ω;Ω;水平和垂直接地网间屏蔽系数 0.85。Ω
经计算：要求的接地电阻≤0.5，全站接地电阻在土壤电阻率210Ω·m时的接地电阻Ω。不满足接地电阻的要求，需要加强接地措施。
2.方案二
电解离子接地极降阻。电解离子接地极是通过电极自身的释放孔吸收空气中的水分，然后与自然的电解盐等晶体物发生化学反应形成电解离子，通过小孔释放到周围的土壤中去。这样一来可以不断的改善周围土壤电阻率，并增加周围土壤的导电性，从而降低接地电阻;另一方面，通过向周围像毛细血管状的电解质网络不断渗透得可大大增加离子接地极的等效直径和等效长度，而降低接地电阻。
电解质离子接地极理论计算：
在不改变水平接地网前提下，在水平接地网周边设置38根SGR-DLФ54的电解质离子接地极，原接地网内部的40根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒不变。
2.1使用38根SGR-DL2Ф54的电解质离子接地极并联后的接地电阻：
a：电解质离子接地极的等效直径0.2m;L：电解质离子接地极的长度3m;：38根电解质离子接地极并联后的接地电阻;：单根电解质离子接地极的接地电阻。Ω
2.2 使用40根纯铜实体接地棒并联后的接地电阻：
：40根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒并联后的接地电阻;
：单根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒的接地电阻。
Ω
2.3 38根SGR-DLФ54的电解质离子接地极，原接地网内部的40根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒及水平接地网构成的接地装置的接地电阻：
：水平接地网接地电阻1.05Ω。
R：采用电解质离子接地极后接地电阻。
R=0.32Ω
2.4 在水平接地极每边包裹上5cm的SGR-M2降阻剂，添加降阻剂后可提高降阻效果。填充降阻剂前测量接地电阻为0.32Ω，填充后可降阻15%，整个接地网接地电阻为：0.32×85%=0.28Ω<0.5Ω满足要求。
3.方案比较分析
以往接地降阻方法有打深井、加降阻剂和增设外引地网3种。采用深井接地的方式，工程费用较高，而且由于本牵引变电所的深层地质结构基本是岩石，电阻率大大超过表层，打深井接地的降阻效果差。降阻剂的降阻幅度也非常有限，况且大多数降阻剂对接地体有较大的腐蚀作用，从长期运行来看，得不偿失。采用增设外引地网则存在征地困难，以及周边地质条件与本所相近，降阻效果有限。
海勒斯壕南牵引变电所因地形及其他地质条件限制，在不改变水平接地网前提下，只能采用增加接地极、填充电阻率较低的物质和高效低阻防腐接地材料联合实现降阻措施。
通过本次牵引变电所地网实例表明，相对于传统的接地降阻措施，在土壤电阻率比较高或者接地面积比较小的地方，采用电解离子接地极与水平地网结合的接地方案的降阻效果更为明显。
五、结束语
变电所的接地网设计及实施在提高接地网的使用寿命、降低接地工程造价的同时，应保证接地系统的可靠性、导电性、稳定性、耐腐性。在部分牵引变电所建设时，由于当地的地质条件较差，土壤电阻率较高，而征地面积受限的条件下，常规化的地网设计已不可行，本文通过牵引变电所防雷接地网应用常规化接地网方式和采用离子接地极方法进行了对比分析。通过这样一个课题的研究，采用电解质离子接地极系统的方案解决了上述问题。结合其施工的便利性及相对经济性，在相应的防雷接地工程中更具实用性。
参考文献
[1] 变电站防雷接地技术的应用剖析;陈秀珍;《山东工业技术》;2015年24期.
[2] 对变电站防雷接地的技术研究;穆玉礼;《科学中国人》;2015年02期.
[3] 浅谈阴极保护在变电站防雷接地中的应用;苏荔;《中国电业（技术版）》;2012年09期.
[4] 浅析变电站防雷接地技术的应用;吴敬柱;《中国高新技术企业》;2015年34期.
[5] 35kV变电站防雷与接地技术及相关防护;王泉萍;《科技创业家》;2013年18期.
[关键词]牵引变电站 接地网 接地极
中图分类号：U27 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0395-02
引言
牵引变电所是电气化铁道供电的核心之一，接地系统是保证牵引变电所安全可靠运行、保证人身及设备安全的重要设施。由于接地装置埋设于地下，维护较困难，所以确保其设计满足技术参数要求，在其运行寿命周期内，始终能起到其应有的作用，是牵引变电所系统设计时必须重视的问题。根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2005）的规定，牵引变电所接地网的接地电阻值一般按不大于0.5Ω设计。位于高土壤电阻率地区的牵引变电所，在不采取任何降阻措施的情况下，要达到此要求非常困难。本文就以“牵引变电站防雷接地网应用探讨”为课题进行研究。
一、课题研究相关信息
（一）接地的概念
电气回路或设备与大地，或与可代替大地的导体之间的导电的连接，可以是有意的连接，也可以是无意的连接。在配电回路或分支回路里，所有的回路和设备都通过导电连接来互相连通，从而减少它们之间的电位差，或将电位差限制到最小值，称之为接地。
接地作用如下：
1.提供设备与近处金属物体间的低阻抗连接，以减少人身电击危险;
2.给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器得以动作;
3.给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路;
4.给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧。
（二）接地网介绍
牵引变电所接地网设计方案为敷设以水平接地体为主的人工接地网，辅以垂直接地极。水平接地体的外缘闭合，外缘各角煨制成圆弧形，圆弧的半径不小于均压带间距的一半。水平接地体的间距不宜小于5 m，而垂直接地极的间距应大于或等于其长度的2倍。
接地体是一个与大地电气接触的裸露导体或其它导电，或者埋入与大地有大面积接触的钢筋混凝土结构里的裸露导体或其它导电元件。
工频电流从接地体向周围的大地散流时土壤呈现的电阻称为接地电阻。接地体的特性表现为接地电阻，它被定义为接地体和参照物或远处大地之间的有效电阻。接地电阻的数值等于接地体的电位与通过接地体流入地中电流的比值。接地电阻取决于土壤电阻率ρ，也取决于接地体的几何尺寸及接地体的设计。
目前，国际国内防雷理论和工程界比较流行共用接地和等电位连接两种：
1.共用接地就是把同一建筑物内的许多不同性质的接地装置如防雷地、电气安全接地、交流电源工作地、通信及计算机直流地全部地连接在一起，使之成为一个等电位体;
2.等电位连接是把建筑物内及附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋，自来水管、煤气管及其它金属管道、电力系统的零线等用电气连接的方法连接起来（焊接或者可靠的电气连接），使整座建筑物成为一个良好的等电位体。当雷电来袭时，由于建筑物内部及其附近基本上做到等电位，从而不会发生建筑物内部的设备被高电位反击和人身雷击的事故。
由于采用了等电位连接，对建筑物接地电阻的要求可以放宽。这一点对干旱、沙漠等土壤电阻率高的地区尤为重要。所以，在地网设计时应遵循以下原则：
2.1 尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接来作为接地网;
2.2 尽量以自然接地物为基础，辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形;
2.3 应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。
三、牵引变电站防雷接地的应用
从目前我国变电站防雷接地技术的发展情况来看，随着科技的发展，防雷接地技术也得到了一定的进步，整体的发展逐步从不成熟到成熟，从成熟到方案的优化。就以巴准线牵引变电所接地的应用为例进行分析。
（一）工程概况
牵引变电所位于内蒙古鄂尔多斯境内，地貌被两川九湾十八沟切割得支离破碎，该站植被稀疏，岩石裸露，水土流失严重，实测土壤电阻率平均值为210Ω·m，变电站占地面积5297.5m2。地网建设面积小，土壤电阻率高，地网接地电阻按照以往的接地降阻方式很难满足接地要求，接地电阻的实施方案就是总体工程方案的重点之一。
为了保证该站整个接地网的电气性能的稳定性，抗腐蚀能力强，提高接地网的使用年限，选择铜质材料最为合适。因为铜质材料有良好的导流效果且电气性能稳定，抗腐蚀能力强，所以水平接地网选用150纯铜绞线，-50×5mm鍍锌扁钢为接地材料。垂直接地极主要采用Ф20×2.5m纯铜接地棒连接地极。所有焊接点采用放热工艺焊接，提高接地网的防腐性能和泄流性能，来满足该变电站接地电阻的要求。
合理布置接地网格，充分考虑接触电压和跨步电压从而达到安全标准，保证工作人员和设备安全。避雷针的接地网距离主接地网应大于3m。
（二）接地要求
1.接地电阻≤0.5。
2.安全电压。为了提高地网的安全性，保证工作人员和设备的安全。则在全站敷设均压网格，使接触电压和跨步电压达到安全标准，保证工作人员安全。
（三）接地网方案比较
地网接地电阻的推算。地网接地电阻受土质、天气条件、地网水平接地体长度、深度、材质、接地体形状、地网结构等多个因素影响。准确地计算其数值非常困难。但可以尽量客观地进行测算，避免地网的盲目性实施，进行必要的调整。 1.方案一：
海勒斯壕南站牵引变电所采用78根垂直接地极主要采用Ф20×2.5m纯铜接地棒来接地极，其他条件，土壤电阻率参考值ρ按210Ω·m;接地网面积5297.5m2，周长约293m;地网埋深0.8m;150纯铜绞线为水平接地极;-50×5mm镀锌扁钢为接地线;垂直接地极主要采用Ф20×2.5m纯铜接地棒来接地极。
1.1 水平接地极的接地电阻：
R：任意形状闭合接地网电阻值，Ω;S地网的总面积，5297.5m2;ρ：土壤电阻率210Ω·m;：等值（等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻Ω;d：水平接地极的直径或等效直径，;h：水平接地体的埋设深度0.8m;：接地网的外缘边线长度，293m;L：水平接地极的总长度，1860m。
水平接地极的接地电阻Ω。
1.2共使用78根纯铜实体接地棒并联后的接地电阻：
78根;
L：单根纯铜实体接地棒的长度2.5m;d：单根纯铜实体接地棒的等效直接0.02m;单根纯铜实体接地棒的接地电阻;：78根純铜实体接地棒并联后的接地电阻;n：接地棒数量78根;：接地棒间的屏蔽系数0.65。
78根垂直接地极接地电阻Ω
1.3 水平接地网和垂直接地极组合总的接地电阻：
Ω;Ω;水平和垂直接地网间屏蔽系数 0.85。Ω
经计算：要求的接地电阻≤0.5，全站接地电阻在土壤电阻率210Ω·m时的接地电阻Ω。不满足接地电阻的要求，需要加强接地措施。
2.方案二
电解离子接地极降阻。电解离子接地极是通过电极自身的释放孔吸收空气中的水分，然后与自然的电解盐等晶体物发生化学反应形成电解离子，通过小孔释放到周围的土壤中去。这样一来可以不断的改善周围土壤电阻率，并增加周围土壤的导电性，从而降低接地电阻;另一方面，通过向周围像毛细血管状的电解质网络不断渗透得可大大增加离子接地极的等效直径和等效长度，而降低接地电阻。
电解质离子接地极理论计算：
在不改变水平接地网前提下，在水平接地网周边设置38根SGR-DLФ54的电解质离子接地极，原接地网内部的40根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒不变。
2.1使用38根SGR-DL2Ф54的电解质离子接地极并联后的接地电阻：
a：电解质离子接地极的等效直径0.2m;L：电解质离子接地极的长度3m;：38根电解质离子接地极并联后的接地电阻;：单根电解质离子接地极的接地电阻。Ω
2.2 使用40根纯铜实体接地棒并联后的接地电阻：
：40根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒并联后的接地电阻;
：单根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒的接地电阻。
Ω
2.3 38根SGR-DLФ54的电解质离子接地极，原接地网内部的40根Ф20mm×2.5m纯铜实体接地棒及水平接地网构成的接地装置的接地电阻：
：水平接地网接地电阻1.05Ω。
R：采用电解质离子接地极后接地电阻。
R=0.32Ω
2.4 在水平接地极每边包裹上5cm的SGR-M2降阻剂，添加降阻剂后可提高降阻效果。填充降阻剂前测量接地电阻为0.32Ω，填充后可降阻15%，整个接地网接地电阻为：0.32×85%=0.28Ω<0.5Ω满足要求。
3.方案比较分析
以往接地降阻方法有打深井、加降阻剂和增设外引地网3种。采用深井接地的方式，工程费用较高，而且由于本牵引变电所的深层地质结构基本是岩石，电阻率大大超过表层，打深井接地的降阻效果差。降阻剂的降阻幅度也非常有限，况且大多数降阻剂对接地体有较大的腐蚀作用，从长期运行来看，得不偿失。采用增设外引地网则存在征地困难，以及周边地质条件与本所相近，降阻效果有限。
海勒斯壕南牵引变电所因地形及其他地质条件限制，在不改变水平接地网前提下，只能采用增加接地极、填充电阻率较低的物质和高效低阻防腐接地材料联合实现降阻措施。
通过本次牵引变电所地网实例表明，相对于传统的接地降阻措施，在土壤电阻率比较高或者接地面积比较小的地方，采用电解离子接地极与水平地网结合的接地方案的降阻效果更为明显。
五、结束语
变电所的接地网设计及实施在提高接地网的使用寿命、降低接地工程造价的同时，应保证接地系统的可靠性、导电性、稳定性、耐腐性。在部分牵引变电所建设时，由于当地的地质条件较差，土壤电阻率较高，而征地面积受限的条件下，常规化的地网设计已不可行，本文通过牵引变电所防雷接地网应用常规化接地网方式和采用离子接地极方法进行了对比分析。通过这样一个课题的研究，采用电解质离子接地极系统的方案解决了上述问题。结合其施工的便利性及相对经济性，在相应的防雷接地工程中更具实用性。
参考文献
[1] 变电站防雷接地技术的应用剖析;陈秀珍;《山东工业技术》;2015年24期.
[2] 对变电站防雷接地的技术研究;穆玉礼;《科学中国人》;2015年02期.
[3] 浅谈阴极保护在变电站防雷接地中的应用;苏荔;《中国电业（技术版）》;2012年09期.
[4] 浅析变电站防雷接地技术的应用;吴敬柱;《中国高新技术企业》;2015年34期.
[5] 35kV变电站防雷与接地技术及相关防护;王泉萍;《科技创业家》;2013年18期.