一种基于多性能的新型综合接地系统与构建方法与流程

本发明属于变电站安全优化运行研究技术领域，是保障变电站电气设备稳定运行的重要一环，涉及一种基于多性能的新型综合接地系统与构建方法。

背景技术：

随着特高压交直流输电技术及智能电网的迅猛发展，西电东送、南北互供在稳健进行，变电站及输电线路的电气设备的安全稳定运行凸显重要，这直接关系到电力系统的高效安全稳定运行。

近年来我国经济的快速发展推动了电力负荷需求节节攀高，为了满足负荷日益增长的需要，变电站也正朝大容量、特高压、紧凑型方向发展。接地短路电流越来越大，同时国家政策要求新建工程要少占或不占良田好土，建在高土壤电阻率地区的变电站越来越多，为确保变电站投运后接地系统的安全，接地系统设计及施工显得格外重要。由于受到接地电阻、热稳定、设备接触电压、跨步电压、地电位干扰一系列的影响，接地系统不仅要满足冲击电流技术要求，还要符合工频下短路电流释放要求，进而保证其服役寿命。另外，伴随智能变电站的普及，变电站自动化控制、智能设备的大规模应用，地电位对电气仪表等设备的干扰，造成的误差越来越大，因此变电站的接地系统性能要求逐渐提高。

目前变电站的接地系统还停留在传统接地方式，仍然采用单一导体直接入地放电的方式，该接地方式性能不优，释放电流较差，接地电阻较大，对于目前的高电压等级、大电流泄放以及智能电气设备的有效保护不够，容易造成变电站出现事故、电气设备出现损伤、维护人员出现意外，造成不必要的损失。

针对接地系统的设计方式，目前存在接地电阻较大、放电速度较差、保护范围较小以及寿命较短等技术问题，本发明依托放电理论、复合材料设计研究以及接地系统优化设计等关键技术，设计一种基于多性能的新型综合接地系统，能够减小接地电阻、提高放电速度、缩小占地面积、扩大保护范围以及延长使用寿命，进而满足变电站接地系统性能要求，保证变电站的安全稳定运行。

技术实现要素：

本发明的一种基于多性能的新型综合接地系统与构建方法，集垂直接地体、水平接地体及斜接地体于一体，形成多针式复合接地系统，充分发挥各接地体的放电特性，实现快速放电，提高使用寿命。构成的新型接地系统结构更加紧密合理，节约占地面积，耐腐蚀性及抗老化性有所提升，可实现变电站接地系统长寿命耐腐蚀高效安全可靠运行的目标。

本发明的技术方案：

一种基于多性能的新型综合接地系统，包括多针式垂直接地体、复合接地体及等离子接地体；所述的多针式垂直接地体、复合接地体及等离子接地体垂直安装在中空的半球体外球面上，呈发射状排列；所述的半球体的平面朝上，以此为基准方向，复合接地体安装在半球体的平面所在的水平方向，多针式垂直接地体安装在半球体的平面的垂直方向、半球体球面的底部中心位置，等离子接地体垂直安装在与水平方向倾斜45°的半球体球面上；所述的半球体的内球面底部中心位置安装垂直接地极，与多针式垂直接地体在同一垂直线上；

所述的多针式垂直接地体，在垂直接地极外表面上对称环绕安装多个针状放电极，通过内外螺纹固定连接；所述的复合接地体包括内置电极和外层安装外置导电模块，外置导电模块的横切面上水平间隔90°垂直环绕4个垂直的孔隙，孔隙贯穿内置电极；所述的等离子接地体外部为接地管，内部为离子激发模块，接地管的外部安装有循环模块；

所述的针式垂直接地体、复合接地体及等离子接地体与半球体连接时，采用螺纹连接与热熔焊相结合的方式。

所述的多针式垂直接地体的垂直接地极采用铜复合材料制成，针状放电极采用紫铜实心材料制成。

所述的复合接地体，内置电极为金属材料，包括钢、铜、不锈钢和铜包钢；外置导电模块是以石墨材料混合保湿剂和固化剂，按照比例充分震荡均匀，相互融合并进行高温热膨胀，制成膨胀石墨，将膨胀石墨模压或辊压，并选用无机纤维与合成纤维以及水乳型粘合剂，通过辊压、热塑以及成型工艺制备成复合导电材料；内置电极与外置导电模块采用冲压成型工艺制成。

所述的等离子接地体，接地管内含可逆性缓释电解盐。

该接地系统具备金属接地体、复合接地体及等离子接地体的性能优势，依据不同土壤环境可调节各接地体的分布规律及排列数量，自动调节功能强，不断向电极周围土壤补充导电离子，改善周围土壤电阻率，提高在复杂土壤环境下的放电速度，进而保证接地系统高效安全可靠的工作。

一种基于多性能的新型综合接地系统构建方法，包括如下步骤：

(1)运用四电极法测量现场土壤电阻率，运用公式(1)计算各接地体埋入土壤时的工频接地电阻r1；

式中，r1、ρ、l、d分别为单根接地体接地电阻(ω)、土壤电阻率(ω·m)、接地体长度(m)、接地体等效直径(m)；

(2)依据国家标准和变电站运行要求，计算并制定新型综合接地系统的接地电阻r；

(3)通过现场调研确定新型综合接地系统的垂直接地体、水平接地体及斜接地体可埋设的深度，确定各接地体尺寸及结构；

(a)垂直接地体，即多针式垂直接地体，包括针尖放电极及垂直接地极，设计针尖放电极在垂直接地极上的排列规律及数量，构成多针式垂直接地体；

针尖放电极作为接地体的放电结构，其可依据土壤环境要求进行调整数量及排列规律；针尖放电极采用纯铜材料制成，其首端为尖端，其尾端附有外螺纹；

垂直接地极采用铜包钢材料制成，圆柱形结构，顶端附有外螺纹，用于连接固定；垂直接地极内螺纹与针状放电极外螺纹相吻合，沿距离垂直接地极顶端500mm处至距离尖端100mm处，间隔50mm排列4支针尖放电极，且环绕垂直接地极间隔90°垂直连接，构成多针式垂直接地体；

(b)水平接地体，即复合接地体，包括内置电极和外置导电模块；外置导电模块采用非金属防腐材料制成，内置电极采用金属合金材料制成，两者通过成形模具冲压于一体；

内置电极采用铜材料制成，圆柱体结构，电极顶端附有长度为外螺纹，用于连接固定；

外置导电模块采用以柔性石墨导电材料制成，圆筒状结构；导电材料包括石墨、聚丙烯酰胺及导电水泥，按照7:1:2的比例充分混合而成，导电性、可塑性及坚实性较好；在外置导电模块中垂直间隔100mm，环绕圆筒状导电模块设置4个孔隙，水平间隔90°，孔隙呈圆柱状结构，以便于有效散热；

(c)斜接地体即等离子接地体，主要由等离子接地管、离子激发模块及循环模块构成；其内部及外部附有两种负离子填充材料，外部填充材料具有强吸水力，内部填充材料则为电离子化合物；

等离子接地管采用紫铜管材，极管内壁依托陶瓷镀膜技术处理，提高耐强酸、强碱防腐性能；极管外壁通过喷涂一层高分子防腐导电材料，降低电阻率；极管上端和下端分别设计水分吸收孔和离子释放孔；等离子接地管顶端附有长度为外螺纹，用于连接固定；水分吸收孔距离上端40mm，孔径为2.5mm，水平间隔90°环绕接地管设计为4个水分吸收孔；离子释放孔孔径为2mm，距离尖端100mm处，水平间隔90°环绕接地管设计为4个离子释放孔；

离子激发模块内置于等离子接地管中，将可逆性缓释填充剂填充在接地管内部，依据吸水、放水可逆的特性，释放大量离子；离子激发模块通过充分吸收土壤中的水分，发生潮解作用，将活性电离子有效释放到土壤中，促进导体外部缓释降阻，且保持阻值长期稳定，进而使得接地管具备吸水保湿、电离导电、长效缓释功能；

循环模块外置于等离子接地管，外部主要填充以与阳离子交换性能较高的材料，并且配以长效、降阻、防腐功能强、膨胀系数高且不受温度变化影响、耐高电压冲击的多种化学材料为辅料；循环模块与离子激发模块相互作用形成接地管——大地过渡带，增大接地管等效截面积和土壤的接触面积，消除接地体与土壤之间的接触电阻，改善接地体的电场分布，利用填充剂良好的渗透性能，深入到泥土及岩缝中形成树根网状，增大泄流面积，提高放电速度；

(4)新型综合接地系统结构设计

依托尖端放电理论及经典土壤模型，新型综合接地系统结构设计为半球发射状；半球设计为内外两面，半球采用铜包钢材料制成，内外镀铜；

半球内球面连接一垂直接地极，采用铜包钢材料制成，圆柱形结构，距离首端50mm处环绕接地极间隔90°均匀分布4支圆柱放电极，首端附有螺纹；外球面连接多针式垂直接地体；上下两垂直接地体均为垂直于球面通过焊接方式紧密连接；

环绕半球面间隔90°均匀分布4支平接地体，垂直于球面通过螺纹紧密连接；

斜接地体沿球面中部间隔90°均匀分布4支，斜接地体即为等离子接地体，垂直于球面与水平方向倾斜45°排列；

新型综合接地系统中，设定内半球连接的垂直接地体埋设深度距离地面500mm，则水平接地体埋设深度距离地面800mm，斜接地体埋设深度距离地面900mm，多针式垂直接地体埋设深度距离地面1000mm；

(5)运用公式计算新型综合接地系统中各接地体的数目，依据实际需求，确定接地体在半球面上的位置，按照相应规律均匀排列；另外，该接地系统可通过下设多针式垂直接地体与另一个半球发射状接地系统进行串联组合形成宝塔型接地系统结构，也可通过上设电极之间连接形成平行组合接地系统结构，以此类推，满足接地需求。

本发明的有益效果：本发明的一种基于多性能的新型综合接地系统及构建方法，系统采用多针式垂直接地体、复合接地体及等离子接地体融合的方式，依托各接地体的优异特性，提高了接地系统的工作可靠性。应用爆炸复合技术及多元合金技术制备新型合金材料并将尖端放电结构引入应用，提高了放电速度；运用复合材料技术制成复合接地体，提高了耐腐蚀性，延长服役寿命；等离子接地体实现了自适应复杂土壤环境，并通过改善土壤电阻率，间接助力垂直接地体和复合接地体的工作可靠性。新型综合接地系统提高了放电效率，依据其独特的结构优势，可实现变电站长期稳定运行及高效工作的目标。

附图说明

图1为本发明的多针式垂直接地体示意图。

图2为本发明的复合接地体示意图。

图3为本发明的等离子接地体示意图。

图4为本发明的一种基于多性能的新型综合接地系统示意图。

图中：1针状放电极；2外置导电模块；3孔隙；4离子激发模块。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示的多针式垂直接地体，集垂直接地极和针尖放电极于一体，其通过内外螺纹相吻合实现连接，通过应用新型材料复合技术，采用铜基复合材料生产制造多针式垂直接地体。垂直接地极采用铜复合材料制成；针尖放电极结构，为紫铜实心材料制成。在非使用状态时，针尖放电极和垂直接地极均成分离状态；现场使用时，根据实际情况，固定连接针尖放电极与垂直接地极，实现多针式垂直接地体的构建，通过试验测试验证其接地电阻和放电速率是否满足要求。

如图2所示的复合接地体，凭借内部的内置电极与外置导电模块实现快速放电，提高耐腐蚀特性。内置电极设计为金属材料，可选用钢、铜、不锈钢、铜包钢等材料，考虑到导电性能、放电速度、经济性以及耐蚀性等问题，选用铜包钢材料作为内置电极的材料；外置导电模块主要以石墨材料混合保湿剂及固化剂，按照一定的比例充分震荡均匀，相互融合并进行高温热膨胀，制成膨胀石墨，将膨胀石墨模压或辊压，并选用无机纤维与合成纤维以及一定配比的水乳型粘合剂，通过辊压、热塑以及成型工艺制备成复合导电材料。复合导电材料与内置电极利用冲压成型工艺制成复合接地体，具有良好的耐热、导电和耐腐蚀性能。

如图3所示的等离子接地体，接地管内含可逆性缓释电解盐，可以不断向外部缓慢释放，形成电解离子交换通路，以补充外部流失的电解质，进而保证接地体的稳定性。可通过检测电阻是否升高，根据需要补充电解盐。在水中加入引发剂，搅拌至全部溶解，加入增效离子填充剂，搅拌至糊状配置填充剂，将1：4配制好的填充剂置于土壤中，将接地体埋设土壤中，测量其接地电阻是否满足要求。

如图4所示的一种基于多性能的新型综合接地系统，综合了多针式垂直接地体(如图1)、复合接地体(如图2)及等离子接地体(如图3)的性能优势，通过对不同接地体的结构设计及连接方式研究，融合于半球面呈发射状排列，水平方向为复合接地体，垂直方向为多针式垂直接地体，等离子接地体则设计位倾斜45°排列。该系统在构建时要保证各接地体与连接体的紧密有效连接，螺纹连接与热熔焊相结合的方式加固接地系统的紧密型，在施工时要严格按照该系统的设计条件及施工环境，保证埋设深度及回填土质量要求，到测试结果满足要求后方可固定密封封顶。