蔣偉，李根富，王正華，葉德意

(中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，成都 610041)

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高土壤電阻率地區(qū)多回路變電站接地設(shè)計研究

蔣偉，李根富，王正華，葉德意

(中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，成都 610041)

高土壤電阻率地區(qū)變電站降阻成本高，在安全的前提下提高最大允許接地電阻可有效提高工程的經(jīng)濟(jì)性。研究了變電站出線數(shù)量對系統(tǒng)短路電流、故障分流系數(shù)和故障入地電流的影響，以及對最大允許接地電阻的影響。其中，針對簡易分流系數(shù)計算公式的局限和誤差，建議在多回路變電站接地設(shè)計中采用計算機(jī)建模?；趪鴥?nèi)西南地區(qū)某220 kV變電站，采用CDEGS軟件對其進(jìn)行了接地分析計算。計算表明:考慮變電站出線數(shù)量變化能減小最大故障入地電流設(shè)計值，有效提高最大允許接地電阻，從而提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

接地設(shè)計；高土壤電阻率；多回路；故障入地電流；分流系數(shù)

接地電阻值是衡量變電站接地安全的重要指標(biāo)，根據(jù)我國變電站接地設(shè)計規(guī)程[1]規(guī)定，大電流接地系統(tǒng)最大接地電阻應(yīng)滿足R≤ 2 000/Ig，Ig為最大故障入地電流。隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)短路容量迅速擴(kuò)大，一般情況下系統(tǒng)接地故障入地電流已經(jīng)超過10 kA，因此該要求在實(shí)際工程中很難滿足。根據(jù)IEEE Std.80—2000[2]對人體電擊安全的要求，采用人體允許接觸電勢差限值Ut和跨步電勢差限值Us作為最大允許接地電阻Rg的重要設(shè)計參數(shù)。目前國內(nèi)通常在變電站內(nèi)敷設(shè)碎石或高阻層以提高人體耐受電勢差，從而提高最大允許接地電阻。

我國西南地區(qū)變電站通常地處高土壤電阻率(ρ≥ 500 Ω·m)地區(qū)，需要結(jié)合地表敷設(shè)高阻層和降阻兩種方案才能滿足接地安全設(shè)計要求。然而，對于部分位于超高土壤電阻率(ρ≥ 2 500 Ω·m)地區(qū)，且占地面積小、短路電流大的變電站，即使按上述工藝實(shí)施也難以滿足接地系統(tǒng)安全要求，必須采用特殊降阻措施[3]，不僅增加了施工難度，還提高了工程造價，降低了工程的經(jīng)濟(jì)性。

在目前國內(nèi)變電站接地系統(tǒng)設(shè)計中，對于Ig的選取通常依據(jù)保守經(jīng)驗(yàn)值按最大短路電流的50%選取[4]，或依據(jù)規(guī)范[1]提供的故障電流分流系數(shù)簡易計算公式進(jìn)一步計算得到。隨著接地理論發(fā)展和規(guī)范更新，前者誤差較大目前已不再使用，后者是傳統(tǒng)的避雷線分流計算方法，未考慮桿塔接地電阻影響，同樣存在一定誤差，并且不適用于多回路出線變電站。國內(nèi)部分科研單位研究與現(xiàn)場測量結(jié)果[5-6]顯示，目前常用的簡易計算方法容易造成Ig選取過大，與工程實(shí)際情況不符，對接地電阻要求過高，從而造成過度設(shè)計。

本文從對故障入地電流影響較大的出線數(shù)量角度出發(fā)，以國內(nèi)西南高土壤電阻率地區(qū)某220 kV變電站為例，利用CDEGS接地計算軟件，研究得到出線數(shù)量對系統(tǒng)短路電流、故障分流系數(shù)和故障入地電流的影響規(guī)律，以及對最大允許接地電阻的影響，為高土壤電阻率地區(qū)變電站接地系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計提供了依據(jù)。

1 入地電流影響因素

變電站內(nèi)發(fā)生接地故障時，故障入地電流Ig可按公式(1)計算：

(1)

式中：Sf為站內(nèi)故障時的分流系數(shù)，定義為故障入地電流Ig占系統(tǒng)故障電流Imax的比值；In為經(jīng)接地網(wǎng)直接流回變壓器接地中性點(diǎn)的故障電流分量，其余故障電流經(jīng)架空地線或電纜外護(hù)套分流。

通常情況下，發(fā)生站內(nèi)故障時的Ig遠(yuǎn)大于站外故障情況，因此本文主要研究站內(nèi)故障情況。

1.1 分流系數(shù)

簡易的故障分流系數(shù)計算公式[1,7]基于傳統(tǒng)的避雷線分流計算，采用考慮導(dǎo)地線耦合的理想序分量模型，單回路出線Sf計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：Zm為單位長度的相線與地線之間的互阻抗；Zs為單位長度地線阻抗；e-β為與檔距平均長度、變電站接地電阻以及Zs有關(guān)的系數(shù)。

公式適用于10個以上桿塔數(shù)量，容易手動計算，但是沒有考慮桿塔接地電阻的影響，因此存在一定的計算誤差。此外，由于只能計算單回路出線情況，與實(shí)際工程運(yùn)行情況不符，因此具有一定的局限性。

為計算多回路出線情況下的故障分流，應(yīng)考慮系統(tǒng)故障電流在復(fù)雜電力系統(tǒng)各種分流路徑。以架空出線為例，故障電流分流情況如圖1所示。

為準(zhǔn)確計算Sf，需要得到每條出線的故障電流If，并逐線逐檔距計算地線分流電流Id和鐵塔入地電流It，以及網(wǎng)絡(luò)中各變電站接地網(wǎng)入地電流Ig。建模及計算工作量巨大，遠(yuǎn)非人力所能求解，通常采用專業(yè)軟件建模計算。

利用計算機(jī)數(shù)值求解電流分布的經(jīng)典計算方法[8-9]最早由加拿大Dawalibi F提出。該方法基于相分量模型，考慮導(dǎo)地線互阻抗、變電站及桿塔接地電阻，依據(jù)基爾霍夫電壓定律和網(wǎng)孔電流列出回路方程，并采用單側(cè)消去法或雙側(cè)消去法求解。該方法符合工程實(shí)際，準(zhǔn)確度較高，在此基礎(chǔ)上加拿大SES公司開發(fā)了CDEGS商業(yè)軟件，并為我國規(guī)范所引用。

與傳統(tǒng)方法結(jié)合，引入變壓器相分量模型[10-11]，考慮線路合并分叉等結(jié)構(gòu)變化[12]，以及OPGW和普通地線構(gòu)成的雙地線模型[13]等可進(jìn)一步提高計算準(zhǔn)確度。此外，采用PSCAD[5]和ATP/EMTP[14]等仿真軟件對輸變電系統(tǒng)進(jìn)行建模計算具有較好的可視化操作性。根據(jù)目前研究結(jié)論[15]，變電站接地電阻顯著影響接地網(wǎng)和地線的分流；線路參數(shù)，包括桿塔檔距和檔數(shù)、桿塔接地電阻、地線材質(zhì)和出線數(shù)量等對分流系數(shù)均有影響，其中地線材質(zhì)和出線數(shù)量對分流系數(shù)影響顯著，塔形緊湊和線路同塔多回等情況對地線分流影響不大；變壓器銘牌參數(shù)和中性點(diǎn)接地情況幾乎不改變接地網(wǎng)和地線的相對分流能力。各因素對分流系數(shù)的影響變化規(guī)律可總結(jié)為：

1)出線回路越多，分流系數(shù)越小。

2)變電站接地電阻越大，分流系數(shù)越小。

3)地線導(dǎo)電性越好，分流系數(shù)越小。

4)桿塔接地電阻越小，分流系數(shù)越小。

5)桿塔檔距越小，分流系數(shù)越小。

計算時可根據(jù)上述結(jié)論考慮主要因素影響，對變壓器和塔形做簡化處理，從而降低計算復(fù)雜度，提高可操作性。

1.2 系統(tǒng)故障電流

系統(tǒng)短路電流受電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)影響，并且與短路點(diǎn)位置和短路類型有關(guān)，而與故障電流分流路徑關(guān)系不大。在設(shè)計過程中，從安全角度考慮，Imax通常選取設(shè)備最大允許短路電流或者系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的短路電流。

該方法提高了Ig的選取基準(zhǔn)，對于高土壤電阻率地區(qū)過于保守。目前采用電力系統(tǒng)分析軟件，如PSD-BPA，PSASP和PSS/E進(jìn)行電力系統(tǒng)短路建模仿真，能夠計算變電站各出線回路的短路電流值，從而為獲得不同出線數(shù)量情況下的Imax提供了可靠依據(jù)。

2 工程實(shí)例分析

以下以國內(nèi)西南高土壤電阻率地區(qū)某220 kV變電站為實(shí)例進(jìn)行接地計算，對常規(guī)設(shè)計方法和考慮出線數(shù)量的優(yōu)化方法得出的計算結(jié)果進(jìn)行對比研究。

2.1 地質(zhì)情況

變電站位于高土壤電阻率地區(qū)，根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，站內(nèi)表層為紅粘土(ρ≥500 Ω·m)，底層為風(fēng)化灰?guī)r(ρ≥2 500 Ω·m)。線路沿線地質(zhì)情況與站內(nèi)類似，部分走廊位于基巖出露區(qū)域。

2.2 系統(tǒng)規(guī)模

變電站建設(shè)規(guī)劃220 kV出線14回，110 kV出線16回。其中110 kV出線均為終端用戶變電站。220 kV出線中，2回至500 kV變電站，3回至220 kV變電站，2回至發(fā)電廠，其余至終端用戶變電站。

其中110 kV已建10回，均為同塔雙回出線，地線采用雙OPGW-100；220 kV已建6回，均為同塔雙回出線，地線采用雙OPGW-140。其余未建回路規(guī)劃為同塔雙回或單回路塔，同塔雙回均按雙OPGW地線規(guī)劃，單回路塔按單OPGW和普通地線規(guī)劃。為保守計算，普通地線按絕緣分段考慮，不納入地線分流路徑。

3 短路電流

利用PSD-BPA對電力系統(tǒng)建模計算得到變電站2025年最大運(yùn)行方式下220 kV母線發(fā)生單相接地故障后短路電流的分布，如表1所示：

表1 短路電流值列表

Tab. 1 List of the fault current

對側(cè)變電站出線回路數(shù)短路電流/(kA·回-1)220kV變34889500kV變26991220kV終端變70673220kV升壓站26107110kV終端變80166110kV終端變80137合 計3047998

3.1 常規(guī)接地設(shè)計

根據(jù)簡易公式估算，當(dāng)1回110 kV采用單回路塔出線時Sf為最大值，Sf=19.35%，按20%考慮。Imax=47.998 kA，In=0.7 kA，得到Ig=9.457 kA。采用Ut和Us作為接地安全閾值，采取變電站表層敷設(shè)150 mm碎石層，接地引下線周圍敷設(shè)絕緣地坪措施后，要求變電站接地電阻不得大于3.09 Ω。變電站接地工程完工后實(shí)測接地電阻為3.97 Ω，不滿足安全要求，見表2所示。

表2 最大安全電勢差與允許接地電阻

Tab. 2 Maximum safety potential difference and allowed earth resistance

地層Ut/VRg/ΩUs/VRg/Ω敷設(shè)碎石層187011667081196敷設(shè)絕緣層4973309——

因此，在變電站四個角落鉆孔安裝4套9 m長離子接地極用于降阻，頂部埋深1.8 m，與主接地網(wǎng)可靠連接。實(shí)施降阻后，變電站接地電阻實(shí)測值為2.88 Ω，滿足安全要求。

3.2 優(yōu)化接地設(shè)計

CDEGS軟件提供SPLITS和FCDIST兩個模塊用于計算分流系數(shù)，其中的SPLITS支持逐線逐檔建模，計算結(jié)果比較準(zhǔn)確。FCDIST根據(jù)出線規(guī)模和簡化的線路參數(shù)建模，適用于工程估算。本文從設(shè)計需求角度出發(fā)，采用FCDIST對變電站故障分流情況進(jìn)行計算。

3.2.1 輸變電參數(shù)簡化

根據(jù)變電站及相關(guān)線路工程勘測資料與設(shè)計方案，對相關(guān)輸入?yún)?shù)做了簡化處理，如表3所示：

表3 接地計算主要輸入?yún)?shù)

Tab. 3 Main input data for grounding calculation

輸入?yún)?shù)取值線路平均土壤電阻率/(Ω·m)1200桿塔平均接地電阻/Ω25檔距/m300～400檔數(shù)/個實(shí)際方案變電站接地電阻/Ω397對側(cè)110kV變接地電阻/Ω4對側(cè)220kV變接地電阻/Ω25

根據(jù)FCDIST輸入要求，對同塔雙回雙OPGW輸電線路做了進(jìn)一步簡化處理，將其拆分為兩個單回路單OPGW回路，經(jīng)過對比SPLITS對同塔雙回雙OPGW的計算結(jié)果，二者計算結(jié)果基本吻合，完全滿足設(shè)計精度要求。

此外，根據(jù)短路電流計算，分別在110 kV和220 kV母線短路情況下，主變中性點(diǎn)環(huán)流In約占110 kV側(cè)短路電流的30%，為簡化計算，In按此考慮。

3.2.2 運(yùn)行情況模擬

變電站在改擴(kuò)建及停電檢修運(yùn)行過程中，接入系統(tǒng)回路組合很多，難以一一列舉，因此本文篩選了較為典型的82種運(yùn)行工況。

基本思路如下：在最大運(yùn)行工況下，逐站切除110 kV和220 kV出線，優(yōu)先切除短路電流較小的回路，從而保證在其他同等出線規(guī)模工況下，系統(tǒng)短路電流最大，確保計算的保守和安全性。

3.2.3 分流計算結(jié)果

圖2～圖4所示為Sf、Imax和Ig與出線回路數(shù)的關(guān)系圖，表4統(tǒng)計了部分工況的計算結(jié)果，表中Ug為地電位升。

圖2 分流系數(shù)Sf計算結(jié)果Fig. 2 Results of split factor Sf

圖3 系統(tǒng)故障電流Imax計算結(jié)果Fig. 3 Results of fault current Imax

圖4 入地電流Ig計算結(jié)果Fig. 4 Results of grounding fault current Ig

根據(jù)廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院基于變電站實(shí)測和PSCAD仿真對比得到的研究成果[5]，當(dāng)110 kV和220 kV出線各1回時，在變電站接地電阻4 Ω的情況下，Sf≈15%。表4中本文計算得到Sf=17.49%，考慮到計算模型與線路參數(shù)差異，二者結(jié)論吻合。

表4 接地計算結(jié)果表(部分)

Tab. 4 Results of grounding calculation(part of results)

220kV出線數(shù)110kV出線數(shù)Imax/kASf/%Ig/kAUg/kV0101664440005102040203322785006402560406641518007102800609381046006902731069912780194477172013982174724439700402619610232680106421171071749124349361273231281092536732214314100014215640442686055014625806883859029011004360914443592100895355314164799815607332909

另外，根據(jù)廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院基于CDEGS計算研究成果[6]，當(dāng)變電站接地電阻接近1 Ω，10回220 kV架空出線和15回20 kV電纜出線時，Sf≈10%。本文變電站接地電阻接近4 Ω，9回220 kV和14回110 kV架空出線情況下，Sf≈2%。由于變電站接地電阻和地線導(dǎo)電性能是影響Sf的重要因素，本文變電站接地電阻更大，且OPGW地線導(dǎo)電性能優(yōu)于電纜外護(hù)套，因此Sf更小，二者差異符合前文研究結(jié)論。

綜合上述計算結(jié)果可以看出：

1)Imax和Sf受出線數(shù)影響呈單調(diào)線性變化，二者最大值分別出現(xiàn)在變電站全部出線和單回出線數(shù)情況，Ig最大值出現(xiàn)在220 kV出線4回情況，并且4回出線均接入電源。計算能得到Sf=10.23%，Imax=26.169 kA，Ig=2.68 kA，Ig遠(yuǎn)小于手動計算值9.457 kA。

2)110 kV單回路出線時，最大Sf=44.4%，接近傳統(tǒng)設(shè)計定值50%，因此在缺乏估算條件的情況下，單回路出線變電站可沿用原定值。

3)110 kV單回路出線時，Sf計算值與簡化公式估算值偏差較大。經(jīng)過分析，簡化公式的計算模型過于簡單，與工程實(shí)際偏差較大，準(zhǔn)確性難以保證。而數(shù)值計算模型符合工程實(shí)際情況，計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.2.4 最大允許接地電阻

根據(jù)人體最大允許安全電勢差，最大允許接地電阻要求如表5所示。

表5 最大安全電勢差與允許接地電阻

Tab. 5 Maximum safety potential difference and allowed earth resistance

地層Ut/VRg/ΩUs/VRg/Ω敷設(shè)碎石層1870416708422敷設(shè)絕緣層4973109——

全場敷設(shè)碎石層后，變電站接地電阻滿足R<4.1 Ω即可，因此變電站無需采取降阻措施即可滿足人體安全要求。

3.2.5 地電位升影響

根據(jù)計算結(jié)果，最大地電位升Ug=10.642 kV，超過5 kV，除要求采取防止引入站外低電位的措施外，還需要校驗(yàn)低壓避雷器對地電位升的反擊耐受能力。

本文變電站低壓側(cè)采用10 kV避雷器，關(guān)于10 kV避雷器對地電位升的反擊耐受能力的論證，在國家電網(wǎng)公司關(guān)于福州1 000 kV交流特高壓變電站接地系統(tǒng)設(shè)計專題[16]進(jìn)行過相關(guān)研究。福州1 000 kV交流特高壓變電站站用變壓器高壓側(cè)和外引電源均為10 kV，配10 kV金屬氧化物避雷器。設(shè)計專題采用避雷器仿真模型，模擬地電位升對避雷器的反擊過程，根避雷器的電流電壓波形計算得到系統(tǒng)短路期間避雷器的吸收能量。通過對比避雷器的吸收能量和允許的通流能力發(fā)現(xiàn)，單個10 kV氧化物避雷器所能承受的最大地電位升為46.3 kV。據(jù)此，本文變電站最大地電位升對于10 kV避雷器是安全的。

3.3 計算結(jié)果對比

優(yōu)化設(shè)計方案前后變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)對比結(jié)果如表6所示。

表6 計算結(jié)果對比表

Tab. 6 Comparison table of calculations

參數(shù)常規(guī)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計對比結(jié)果Imax/kA4799826296↓4521%Sf/%201023↓4885%Ig/kA94572680↓7166%Rg/Ω30941↑3269%Ug/kV2922210642↓6358%降阻措施是否—

根據(jù)前文分析可知，對于本文變電站，當(dāng)出線規(guī)模和Imax最大時，Sf最??；當(dāng)出線規(guī)模和Imax最小時，Sf最大。常規(guī)設(shè)計方法由于不考慮變電站運(yùn)行工況，選取最大Imax和最大Ig根據(jù)式(1)計算所謂的最大Ig，不僅與實(shí)際工況不符，而且人為提高了接地指標(biāo)要求，使設(shè)計方案往往過于保守。對于本文變電站，需要采取特殊降阻措施，提高了接地工程的成本和工程施工難度。

采用優(yōu)化設(shè)計方法，首先利用電力系統(tǒng)建模計算各出線回路的系統(tǒng)短路電流，然后基于CDEGS軟件對變電站不同運(yùn)行工況下的Ig進(jìn)行計算，從而能夠篩選出實(shí)際工況下的最大Ig。從計算結(jié)果對比可見，采用優(yōu)化設(shè)計方法后，最大Ig降低了72%，Rg提高了33%，通過全場敷設(shè)碎石層，無需采取降阻措施即可滿足人身和設(shè)備安全，節(jié)省了特殊降阻費(fèi)用，提高了工程的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)論

本文利用CDEGS軟件，通過國內(nèi)西南高土壤電阻率地區(qū)變電站工程實(shí)例計算，研究了變電站出線數(shù)量對系統(tǒng)故障電流、故障分流系數(shù)和故障入地電流的影響規(guī)律。通過與目前研究結(jié)論核對，驗(yàn)證了計算結(jié)果的合理性。

計算結(jié)果表明，故障入地電流受出線數(shù)影響顯著，通常當(dāng)變電站出線回路較少，同時系統(tǒng)故障電流較大時，故障入地電流最大，該結(jié)果為接地工程設(shè)計參數(shù)的合理選擇提供了依據(jù)。與常用計算方法相比，本文提出的方法不僅符合工程實(shí)際情況，還能有效減小故障入地電流計算值，在滿足設(shè)備人身安全的前提下，降低變電站接地電阻要求，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的，對于提高工程經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。

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(責(zé)任編輯 黃肇和)

Research on the Earth Grid Design of the Substation with Multi Circuit Transmission Line in High Soil Resistivity Area

JIANG Wei, LI Genfu, WANG Zhenghua, YE Deyi

(Power Construction Corporation of China Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., Ltd., Chengdu 610041)

By Increasing the maximum allowed earth resistance on safety premise, the high cost of reducing the earth resistance of substations in high soil resistivity area can be effectively controlled. Therefore, this paper analysis the influence of circuit number to the system fault current, split factor and ground fault current, further the maximum allowed earth resistance. It is suggested to use computer simulation instead of simple formula to calculate the split factor, so as to overcome the problem of limitation and deviation of the formula. CDEGS is employed to analysis a 220 kV substation in the southwest of China. The results show that a smaller design value of ground fault current can be obtained when the circuit changes is considered. That is effective to increase the maximum allowed earth resistance and enhance economics.

earth design; high soil resistivity; multi circuits; ground fault current; split factor

2016-04-02

中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(KJ2013-B-7)

蔣偉(1986)，男，四川德陽人，工程師，碩士，主要從事變電站工程設(shè)計和相關(guān)理論技術(shù)應(yīng)用研究工作(e-mail)headla@163.com。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.011

TM862

A

2095-8676(2016)04-0054-06