如何选择热稳定的接地线和导体截面

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：目前我国对地网接地线及导体截面热稳定校验采用的计算方法主要有:1.接地标准法在大接地短路电流系统中,流入地网的短路电流约几千安到几十千安,它将在接地引下线及地网导体中产生很大的热量,因短路电流持续时间很短,一般不大于1s。接地线的初始温度,一般取40℃。在爆炸危险场所,应按专用规定执行。根据热稳定条件,不考虑腐蚀时,接地装置接地极 (导体)的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75%。

目前我国对地网接地线及导体截面热稳定校验采用的计算方法主要有:

1.接地标准法

在大接地短路电流系统中,流入地网的短路电流约几千安到几十千安,它将在接地引下线及地网导体中产生很大的热量,因短路电流持续时间很短,一般不大于1s。它取决于离短路点最近的断路器的主继电保护装置动作时间及断路器分闸时间之和。在这样短的时间内,可假设所产生的热量来不及散入周围介质中,即全部热量都用来使接地线和导体温度升高,在计算中按绝热过程校验导体的热稳定,由短路电流流过接地线和导体,使其温度升高来确定地网接地线最小截面Sg,不考虑腐蚀时,接地标准推荐的计算公式为

式中 Sg——接地线的最小截面,mm2;

Ig——流过接地线的短路电流稳定值,A,根据系统5～10年发展规划,按系统最大运行方式确定;

te——相当于继电保护主保护动作的等效持续时间,s;

C——接地线材料的热稳定系数,根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线内初始温度确定。

在校验接地线的热稳定时,Ig、te及C 应采用表9-6 所列数值。接地线的初始温度,一般取40℃。在爆炸危险场所,应按专用规定执行。

表9-6　校验接地线热稳定用的Ig、te和C值

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应指出:

(1)当发电厂、变电所的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时,te可按式 (9-15)取值

式中 tm——主保护动作时间,s;

tf——断路器失灵保护动作时间,s;

t0——断路器开断时间,s。

(2)当配有1套速动主保护、近或远 (或远近结合的)后备保护和自动重合闸,有或无断路器失灵保护时,te可按式 (9-16)取值

式中 tr——第一级后备保护的动作时间,s。

根据热稳定条件,不考虑腐蚀时,接地装置接地极 (导体)的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75%。

2.美国变电所安全接地导则法

美国的变电所安全接地导则给出的接地线短路热稳定计算公式为

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式中 S——接地线的截面积,mm2;

I——短路电流有效值,k A;

t——短路电流流过的时间,s;

tm——最高允许温度,℃;

ta——环境温度,℃;

α0——电阻的温度系数,1/℃;

t0——对物理常数的参考温度;

ρ0——t0时的材料电阻率,μΩ·cm;TCAP——4.184×比热×比重。

有关文献用式 (9-14)和式 (9-17)算得的接地线截面选择数据如表9-7 所示。由表可知,在相同的短路持续时间下,两个公式的计算结果相差甚小,而式 (9-14)显然要比式 (9-17)简便得多,因此有些单位在地网改造中仍用式 (9-14)进行地网的热稳定校验。

表9-7　按式(9-14)和式(9-17)计算接地线最小截面比较表

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3.接地线导体材料及截面的选择原则

仍假定接地线导体短时发出的热量全部用来使导体温度升高,要使导体满足热稳定要求,即温度不超过允许温度,则

根据式 (9-18),可推导出满足热稳定的导体最小截面为

它与“接地标准”推荐的式 (9-14)完全相同。其中C 可查表9-6,也可用下式计算。

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式中 S——接地线导体的截面积,mm2;

I——短路电流稳定值,有效值,A;

te——短路电流等效持续时间,s;

C0——导体的比热,Ws/ (g℃);

γ——导体的比重,g/mm3;

ρ0——导体的电阻率,Ω·mm;

α——导体的电阻温度系数,1/℃;

β——导体的比热温度系数,1/℃;

θs——土壤环境温度,℃;

θr——短时最高允许温度,℃。

参考文献 [222]取θs=40℃,θr=400℃时,C=74,其计算结果与式 (9-14)取接地线材料热稳定系数C=70时的计算结果基本相同。

参考文献 [222]指出,式 (9-19)适用于各种金属导体材料,而式 (9-17)仅为式 (9-19)的一个特例,即导体为铜的情况。

除上述方法外,在《电力工程设计手册》(1972年上海科技出版社出版)、《电力工程电气设计手册》(1989年水利电力出版社出版)、《水电站机电设计手册》(1982年水利电力出版社出版)中还介绍了按热稳定选择接地线截面的计算方法,其中的关键问题是短路电流的稳定值和短路电流的等效持续时间应该取多少。对短路电流稳定值取值的看法是:对于一个大型变电所,从设计论证到投产运行,也许5年已经过去了,况且,近年和今后电网容量增加很快,甚至短路容量越来越大,地网又是一个埋在地下的隐蔽工程,总得要有几十年的使用寿命,所以为了满足实用要求,短路电流的稳定值应根据能够得到的尽可能多年份的系统发展规划计算出的远景短路电流作依据。这样在系统短路容量增加以及多年腐蚀后发生接地故障而流过短路电流时,接地线和导体的截面仍能满足热稳定校验的要求,为此有的省根据本省的具体情况,提出取用15年系统发展规划的短路电流分析结果。对于短路电流持续时间的选取有两种看法:一种意见认为,考虑主保护失灵,应以第一后备保护时间为依据,原电力工业部〔1994〕16 号文明确要求,按照后备保护动作时间及热稳定短路电流校验主变压器中性点接地线的热稳定性;另一种意见认为,应该由主保护的可靠性来确定,一般取0.6s。其理由是:①对于大、中型发电厂的升压站和220kV变电所,通常在电网中的地位比较重要,对其保护的设置比较完善,主保护的可靠性比较高,有的220kV线路还设有双重化的主保护,主保护失灵的可能性很小,某地统计5 年保护切除故障次数99%均由主保护完成。②从电网稳定计算结果来看,220kV电网一般从故障开始0.5s后,电网已开始失稳。某些故障只要0.2s不切除,电网就会失稳。所以从系统稳定的角度也要求提高主保护的可靠性。③220kV电网的故障,发电厂升压站的故障会使用户电压降低和失常,时间长了会影响重要用户的供电质量,这也要求提高主保护的可靠性。为安全起见,有人提出按主保护动作时间校验时,宜另加0.3～0.5s的安全裕度,即t=主保护动作时间+断路器全分闸时间+ (0.3～0.5)≈0.5～1s。国外资料介绍的取值也多小于1s。

对于110kV及以下的变电所,一般为普通降压变电所,在电网中重要性相对低一些,保护的可靠性要差一些,接地短路电流也小一些,为防止由于接地装置原因而扩大事故,其热稳定校验时间宜按第一后备保护时间来考虑。

应当指出,接地线烧断除了热容量不够之外,另一个重要原因是接地线与地网接地极接触不良,甚至漏焊,出现较大的电位差,产生电弧,从而在高温下烧断。所以单纯增大接地线截面积并不是保证地网运行可靠性的唯一措施。另外,为了减小接地引下线的波阻抗,从而减小局部电位升高,减小干扰,凡是带有二次回路的设备都采用至少两根截面符合要求 (每根截面积均应满足通过全部短路电流的热容量)的接地引下线分别焊接到接地网两根纵横交叉的主干线上。这种做法的另一优点是可以起到互为备用的效果。

还需指出,上述方法都是按“绝热过程”推导公式的。实际上,电流自地网流散入土壤,使土壤温度升高的因素是不可忽视的。

还有文献认为在进行地网热稳定计算时,应同时考虑电流自地网流散所引起的土壤温升。

设某点土壤中的电流密度为j,土壤电阻率为ρ,比热为C0,短路电流持续时间为t,土壤温升为τ,则有

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