溫世運(yùn)，趙東成，常伯濤，屈彥明，劉 森

（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031）

1 概述

良好的接地系統(tǒng)是保證變電站安全運(yùn)行的必要條件。變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮不周的直接后果是設(shè)計(jì)結(jié)果與建成后的接地系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致剛建成的接地系統(tǒng)還沒(méi)有投入運(yùn)行就要進(jìn)行接地改造，延誤變電站建設(shè)工期，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，若無(wú)法對(duì)接觸電勢(shì)、跨步電壓定量分析，也無(wú)法處理好接地問(wèn)題，還有可能造成人身安全事故。

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的升高及容量的增加，短路入地電流也越來(lái)越大［1］。特高壓變電站電壓等級(jí)高、容量大、接地短路電流水平較高，為保證變電站安全、可靠運(yùn)行，對(duì)接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。以下結(jié)合北京西1 000kV 變電站的接地網(wǎng)布置，闡述特高壓變電站接地網(wǎng)布置的合理性。

2 土壤模型分析

北京西1 000kV 變電站站址屬山前沖洪積平原，地勢(shì)開闊平緩，主要分布農(nóng)田及林地。站址地貌屬于華北沖洪積平原，地勢(shì)平坦開闊，地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積成因的粉土、粉質(zhì)粘土、砂類土等。

采用對(duì)稱四極法對(duì)變電站站址的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 北京西1 000kV變電站站址土壤率測(cè)試結(jié)果

利用CDEGS軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果的平均值進(jìn)行建模分析，圖1為依據(jù)土壤擬合模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的對(duì)比曲線，土壤分層結(jié)果見(jiàn)表2，計(jì)算結(jié)果最大方均根差為6.97%，擬合結(jié)果效果較好，土壤分層模型合理。

圖1 土壤模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比曲線

表2 土壤分層結(jié)果表

經(jīng)調(diào)研，站址的凍土層厚度為0.55 m。在布置變電站接地網(wǎng)時(shí)考慮凍土影響，接地網(wǎng)布置在凍土層以下。

3 地電位升確定

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范，變電站接地網(wǎng)在發(fā)生接地故障后地電位升高超過(guò)2 000V 時(shí)接地網(wǎng)及有關(guān)電氣裝置應(yīng)符合以下要求。

a.低壓接地系統(tǒng)采用保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。

b.采用銅帶（絞線）與二次電纜屏蔽層并聯(lián)敷設(shè)。銅帶（絞線）至少應(yīng)在兩端就近與接地網(wǎng)連接（當(dāng)接地網(wǎng)為鋼材時(shí)，應(yīng)注意銅、鋼連接的腐蝕問(wèn)題），銅帶（絞線）較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)多點(diǎn)與接地網(wǎng)連接。二次電纜屏蔽層兩端就近與銅帶（絞線）連接。銅帶（絞線）的截面應(yīng)滿足熱穩(wěn)定的要求。

c.為防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，對(duì)可能將接地網(wǎng)的高電位引向站外或?qū)⒌碗娢灰驈S、站內(nèi)的設(shè)備，應(yīng)采取隔離措施。

當(dāng)接地裝置的接地電阻不符合R≤2 000／I要求時(shí)，可通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較適當(dāng)增大接地電阻。在符合以上兩點(diǎn)要求的前提下，接地網(wǎng)地電位升高可提高至5kV［2－3］。

因此，綜合各方面的因素，北京西1 000kV變電站的地電位升取5kV 是可行的。

4 分流系數(shù)和接地電阻分析

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃，北京西1 000kV 變電站所有出線包括1000kV至固安2回、保東2回；500kV本期至?xí)x北2回、天津南2回。

由于500kV 側(cè)短路和1 000kV 側(cè)短路時(shí)的分流系數(shù)不同，為此分別計(jì)算相應(yīng)的變電站短路電流分流系數(shù)如圖2和3所示。由于此時(shí)北京西1 000kV變電站接地電阻未知，計(jì)算結(jié)果為分流系數(shù)隨接地電阻的變化。

圖2 北京西1 000kV 變電站500kV 側(cè)短路時(shí)分流系數(shù)

圖3 北京西1 000kV 變電站1 000kV 側(cè)短路時(shí)分流系數(shù)

根據(jù)該變電站目前的出線情況，500kV 側(cè)短路時(shí)的分流系數(shù)小于1 000kV 側(cè)短路時(shí)的分流系數(shù)［4］，即500kV 側(cè)短路時(shí)短路電流中真正的入地電流所占的比例小于1 000kV 側(cè)短路時(shí)的情況。變電站的短路電流分流系數(shù)與變電站的接地電阻關(guān)系較大，變電站的接地電阻越小，其短路電流分流系數(shù)卻越大，即其入地電流越多，由于最終的變電站地電位升由入地電流和接地電阻的乘積決定，變電站短路電流分流系數(shù)的取值還要考慮變電站的允許地電位升和接地電阻的綜合因素。

變電站接地電阻［5－6］明顯影響分流系數(shù)的大小：當(dāng)變電站接地電阻較小時(shí)，變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)較大，也就是從接地網(wǎng)入地的電流較大，如按照接地電阻應(yīng)當(dāng)小于5 000／I的要求，變電站需要達(dá)到的接地電阻可能會(huì)更??；反之，當(dāng)變電站接地電阻較大時(shí)，變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)較小，也就是從接地網(wǎng)入地的電流較小，按照接地電阻應(yīng)當(dāng)小于5 000／I要求，變電站要求達(dá)到的接地電阻可能也較大。也就是說(shuō)，分流系數(shù)與變電站的接地電阻有關(guān)，而變電站所應(yīng)達(dá)到接地電阻又與分流系數(shù)有關(guān)，兩者有一定矛盾，在分析變電站的分流系數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意這一矛盾，留出充分的裕度。

變電站接地電阻在0.05～0.5Ω 范圍內(nèi)變化時(shí)，變電站接地電阻與分流系數(shù)的關(guān)系可以粗略表示為線性關(guān)系，也就是說(shuō)可從圖2、圖3中估算出各種條件下分流系數(shù)隨接地電阻的變化率K：

式中：S0.05為變電站接地電阻在0.05Ω 時(shí)的分流系數(shù)；S0.5為變電站接地電阻在0.5Ω 時(shí)的分流系數(shù)。這樣，當(dāng)變電站的接地電阻為Rg時(shí)，分流系數(shù)應(yīng)為

此時(shí)注入變電站接地網(wǎng)的電流為

式中：If為短路電流。

變電站接地電阻應(yīng)當(dāng)滿足：

當(dāng)該變電站500kV 側(cè)短路時(shí)，由圖2所示的分流系數(shù)隨其接地電阻的變化可知：接地電阻為0.05Ω 時(shí)，變電站分流系數(shù)為0.56；接地電阻為0.5Ω 時(shí)，變電站分流系數(shù)為0.34。由式（1）可得K＝0.489。由于短路電流為63kA，由式（4）可得，為了使地電位升小于5 000V，變電站接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.121Ω。

當(dāng)該變電站1 000kV 側(cè)短路時(shí)，由圖3所示的分流系數(shù)隨其接地電阻的變化可知，接地電阻為0.05Ω 時(shí)，變電站分流系數(shù)為0.59；接地電阻為0.5Ω 時(shí)，變電站分流系數(shù)為0.31。由式（1）可得K＝0.622。由于短路電流為63kA，由式（4）可得，為了使地電位升小于5 000V，變電站接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.116Ω。

綜上所述，該站接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.116Ω。

5 接地短路（故障）電流持續(xù)時(shí)間的確定

當(dāng)變電站的繼電保護(hù)裝置有2 套速動(dòng)主保護(hù)、近接地后備保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和自動(dòng)重合閘時(shí)，切除故障電流的時(shí)間t可按下式取值：

式中：tm為主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，s；tf為斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，s；t0為斷路器開斷時(shí)間，s。

如果只配備1套速動(dòng)主保護(hù)、近或遠(yuǎn)（或遠(yuǎn)近結(jié)合的）后備保護(hù)和自動(dòng)重合閘，有或無(wú)斷路器失靈保護(hù)時(shí)，t可選取為：

式中：tr為第1級(jí)后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，s。

考慮1 000kV變電站安裝2套主保護(hù)，切除故障電流的時(shí)間t按式（6）計(jì)算。主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約為20ms，斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約為0.25s，斷路器開斷時(shí)間目前暫按50ms，因此，切除故障電流的時(shí)間t約為0.32s，按0.35s進(jìn)行計(jì)算。

6 GIS接地問(wèn)題分析

由于該變電站采用1 000kV GIS設(shè)備，三相母線裝于不同的母線管道中，但在正常運(yùn)行時(shí)仍有較大的感應(yīng)電流，會(huì)引起GIS外殼及金屬結(jié)構(gòu)發(fā)熱，使設(shè)備的額定容量降低，二次回路容易受到干擾。常規(guī)超高壓變電站接地網(wǎng)的布置方式不能滿足特高壓變電站的技術(shù)要求。1 000kV GIS在本體上設(shè)置連接分相殼體的相間分流排，以降低接地引下線及輔助地網(wǎng)中流過(guò)的感應(yīng)電流。

根據(jù)相間分流排的電流分布及銅材的溫升限值，確定GIS相間分流排布置方案。輔助地網(wǎng)的布置對(duì)接地引下線電流及GIS暫態(tài)地電位升高有直接影響，研究表明：

a.若輔助地網(wǎng)網(wǎng)格過(guò)密，由于輔助地網(wǎng)低阻抗化，會(huì)造成端部接地引下線電流增加。對(duì)輔助地網(wǎng)網(wǎng)格間距分別為3～6m 的情況進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，即使輔助地網(wǎng)網(wǎng)格間距從6 m 減小到3m，也不會(huì)對(duì)輔助地網(wǎng)電流有太大的影響，但會(huì)使端部接地引下線電流大幅增加。

b.減小輔助地網(wǎng)網(wǎng)格間距，對(duì)抑制GIS管路末端及套管出線部的暫態(tài)地電位升高效果不明顯；但減小接地引下線長(zhǎng)度，并從輔助地網(wǎng)交叉點(diǎn)引接，可有效抑制GIS管路末端及套管出線部的暫態(tài)地電位升高（TGPR）。

綜上所述，該站1 000kV GIS設(shè)置專用輔助地網(wǎng)，輔助地網(wǎng)的網(wǎng)格間距推薦寬度5m，并兼做主地網(wǎng)的一部分。鑒于銅的導(dǎo)電性、泄流能力、耐腐蝕特性、可靠性等電氣特性遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材，該變電站1 000kV GIS設(shè)備輔助地網(wǎng)推薦采用50×5銅排。

7 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

1 000 kV 變電站面積較大，雖然采用銅地網(wǎng)，1 000kV 側(cè)短路點(diǎn)和500kV 側(cè)短路點(diǎn)均可能會(huì)對(duì)接地阻抗產(chǎn)生影響，同時(shí)接地阻抗又會(huì)影響分流系數(shù)的大小，1 000kV 側(cè)和500kV 側(cè)的短路電流則不同，從而造成短路時(shí)的入地電流不同，地表電位、接觸電勢(shì)和跨步電壓分布不同。因此需要對(duì)各短路點(diǎn)逐一分析。通過(guò)分析比較各種可行的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究規(guī)律，提出實(shí)際變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［7］。

通過(guò)降低接地電阻來(lái)降低接地系統(tǒng)短路時(shí)的地電位升，確保二次系統(tǒng)安全，同時(shí)采用優(yōu)化地網(wǎng)水平導(dǎo)體的方法來(lái)均衡地表的電位分布，確保接觸電勢(shì)和跨步電壓滿足人身安全要求。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效地改善接地系統(tǒng)電位分布的不均勻性，從兩方面提高接地系統(tǒng)的安全性能：降低接觸電勢(shì)和跨步電壓，確保故障時(shí)壽命安全；由于均衡電位，可以降低故障時(shí)出現(xiàn)通過(guò)二次電流施加在二次設(shè)備上的過(guò)電壓水平，提高電氣設(shè)備的安全性。

經(jīng)CDEGS計(jì)算，采用均勻布置方式比不等間距地網(wǎng)接地電阻增加2.1%，最大接觸電勢(shì)增加26.4%，最大跨步電壓減小0.07%，最大地電位升增加1.4%。采用不均勻地網(wǎng)對(duì)減小邊緣接觸電勢(shì)有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，該變電站水平地網(wǎng)采用不均勻地網(wǎng)布置方式。

綜上所述，北京西1 000kV 變電站接地系統(tǒng)可采用如下方案（如圖4所示）：水平接地網(wǎng)埋深0.8m；水平接地網(wǎng)結(jié)合垂直接地體；接地網(wǎng)邊緣采用帽檐式均壓結(jié)構(gòu)；采用壓縮比0.68。

圖4 接地網(wǎng)方案示意（單位：m）

8 計(jì)算結(jié)果分析

利用CDEGS對(duì)接地方案進(jìn)行建模計(jì)算，接觸電勢(shì)分布圖如圖5所示，跨步電壓分布圖如圖6所示。地電位升示意圖如圖7所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算，該地網(wǎng)布置方案滿足安全性要求。

圖5 接觸電勢(shì)分布示意

圖6 跨步電壓分布示意

圖7 地電位升分布示意

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

9 結(jié)論

綜上所述，特高壓變電站接地網(wǎng)是保證變電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，經(jīng)建模計(jì)算驗(yàn)證，北京西1 000kV 變電站接地網(wǎng)方案滿足安全性要求，具體布置方案如下。

a.建立土壤分層模型，利用CDEGS軟件對(duì)土壤電阻率測(cè)量結(jié)果的平均值進(jìn)行建模分析，土壤擬合模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的最大誤差為6.97%，擬合結(jié)果與實(shí)際土壤分層吻合，土壤分層模型合理。

b.1 000kV 側(cè)短路時(shí)對(duì)應(yīng)的變電站的分流系數(shù)為0.57。500kV 側(cè)短路時(shí)對(duì)應(yīng)的變電站的分流系數(shù)為0.55；接地短路（故障）電流的持續(xù)時(shí)間按0.35s取值。

c.采用不均勻接地網(wǎng)對(duì)減小邊緣接觸電勢(shì)有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，該變電站接地系統(tǒng)采用邊沿按最優(yōu)壓縮比0.68不等間距、中間按20 m 等間距布置的水平地網(wǎng)和垂直接地極的立體地網(wǎng)設(shè)計(jì)，在地表敷設(shè)厚度不小于10cm、電阻率不小于3 000Ω·m的碎石。

d.1 000kV GIS配電區(qū)設(shè)置5 m 等間距的輔助接地網(wǎng)，在1 000kV GIS在本體上設(shè)置連接分相殼體的相間分流排，以降低接地引下線及輔助地網(wǎng)中流過(guò)的感應(yīng)電流。

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2005.

［2］GB／T 50065—2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］，2011.

［3］Q／GDW 278—2009，1 000kV 變電站接地技術(shù)規(guī)范［S］，2009.

［4］何金良，張 波，曾 嶸，等.1 000kV 特高壓變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（7）：7－12.

［5］曾 嶸，周佩鵬，王 森，等.接地系統(tǒng)中接觸電阻的仿真模型及其影響因素分析［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（10）：2393－2397.

［6］魯志偉，常樹生，李 越，等.大型變電站接地網(wǎng)接地阻抗與接地電阻的差異［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（1）：14－16.

［7］左 鵬，魏 沖，鄒 軍，等.不等間距布置導(dǎo)體的接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（9）：2315－2320.