劉銅錘，姜 龍

（國(guó)家電網(wǎng)公司寧波供電公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

隨著我國(guó)電力需求的日益增長(zhǎng)，各電壓等級(jí)變電站相繼投運(yùn)，變電站設(shè)計(jì)朝大容量、特高壓、緊湊型方向發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（Gas Insulated Switchgear，GIS）設(shè)備廣泛應(yīng)用［1－2］，同時(shí)系統(tǒng)短路故障電流增大。為了在有限面積的接地網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)短路電流的快速流散，保證人身安全和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，須降低變電站接地系統(tǒng)電阻。為滿足特高壓GIS 變電站的接地設(shè)計(jì)要求，須對(duì)影響其設(shè)計(jì)的主要因素進(jìn)行分析和研究。

在特高壓GIS 變電站接地設(shè)計(jì)中，表征短路電流泄流能力的接地電阻與土壤結(jié)構(gòu)和接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有密切關(guān)系［3-5］。對(duì)于特高壓GIS 變電站土壤電阻率的準(zhǔn)確測(cè)量和土壤結(jié)構(gòu)分析，是接地設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而與接地網(wǎng)散流性能密切相關(guān)的土壤特性主要包括分層情況和土壤電阻率。文獻(xiàn)［6-8］考慮了分層土壤對(duì)接地性能的影響，層狀土壤在實(shí)際的土壤結(jié)構(gòu)中作為重點(diǎn)研究對(duì)象。文獻(xiàn)［9-10］針對(duì)特高壓GIS 變電站電壓高、容量大的特點(diǎn)，結(jié)合施工條件提出了設(shè)置輔助地網(wǎng)的概念。垂直接地極在提升特高壓GIS變電站接地性能中有重要貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)［11-17］分析了垂直接地極對(duì)接地性能的影響。

特高壓GIS 設(shè)備接地先通過(guò)多點(diǎn)連接到輔助地網(wǎng)再連接到主接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)提前分散電流，與傳統(tǒng)變電站接地設(shè)計(jì)有較大區(qū)別。說(shuō)明了短路電流入地方式以及不同地網(wǎng)材料和土壤電阻率的典型影響因素，分析了垂直接地極布置位置、數(shù)量等因素對(duì)短路電流入地方式的影響，為接地設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 短路電流入地方式對(duì)地電位升影響

建立典型的特高壓GIS 變電站接地網(wǎng)模型，接地網(wǎng)面積100 m×100 m，劃分均勻網(wǎng)格10 m×10 m，地網(wǎng)埋設(shè)深度為0.5 m，接地材料為鍍鋅扁鋼，等效半徑為0.01 m，土壤電阻率為50 Ωm，短路電流I0=20 kA，采用CDEGS 軟件計(jì)算接地網(wǎng)的接地電阻為0.459 4 Ω，地電位升為5 051.1 V。

1.1 不同入地方式影響

變電站短路電流可通過(guò)變壓器中性點(diǎn)集中入地，變壓器中性點(diǎn)處位于接地網(wǎng)中心，集中入地時(shí)短路電流從中性點(diǎn)流入接地網(wǎng)。同時(shí)短路電流也可通過(guò)金屬構(gòu)架分散入地，金屬構(gòu)架與接地網(wǎng)連接，短路電流經(jīng)金屬構(gòu)件實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)入地。同等短路電流以不同的方式入地，如圖1 所示。

圖1 短路電流入地方式

利用CDETS 軟件對(duì)該接地網(wǎng)進(jìn)行建模，忽略短引下線對(duì)地網(wǎng)散流的影響，計(jì)算并比較短路電流以不同方式入地對(duì)接地性能的影響。短路電流通過(guò)變壓器中性點(diǎn)集中入地時(shí)地電位升變化情況如圖2 所示。地電位升（Ground Potential Rise，GPR）最大值出現(xiàn)在接地網(wǎng)中心處，即短路電流入地處，此時(shí)GPR達(dá)到5 051.1 V，網(wǎng)內(nèi)最大電位差為469.4 V。

圖2 短路電流集中入地時(shí)地電位升

短路電流經(jīng)變壓器金屬構(gòu)件多點(diǎn)入地，各入地點(diǎn)相當(dāng)于并聯(lián)電阻，流經(jīng)各點(diǎn)的電流之和與總短路電流相等，即I0=∑Ii。地電位升GPR 最大值出現(xiàn)在接地網(wǎng)中心處，即短路電流入地處，如圖3 所示。此時(shí)GPR 達(dá)到4 818.5 V，網(wǎng)內(nèi)最大電位差為213.2 V。

圖3 短路電流分散入地時(shí)地電位升

對(duì)2 種不同入地方式比較發(fā)現(xiàn)，短路電流分散入地對(duì)接地網(wǎng)地電位升降低影響較小，但對(duì)抑制地網(wǎng)內(nèi)不等電位現(xiàn)象影響較大，可有效減弱網(wǎng)內(nèi)的不等電位。鍍鋅扁鋼接地體屏蔽效應(yīng)較為顯著，導(dǎo)致接地網(wǎng)導(dǎo)體散流不均勻，中心位置的屏蔽效應(yīng)強(qiáng)，導(dǎo)體散流弱，而邊緣受到屏蔽效應(yīng)弱，導(dǎo)體散流強(qiáng)。由于鋼導(dǎo)體的磁導(dǎo)率高，阻礙電流流通，會(huì)導(dǎo)致同一接地網(wǎng)導(dǎo)體之間產(chǎn)生不等電位現(xiàn)象。特高壓GIS 變電站中故障電流實(shí)現(xiàn)提前分流，多點(diǎn)接入輔助接地網(wǎng)，多點(diǎn)接入主網(wǎng)，間接提高了接地網(wǎng)的散流能力，即提高了接地網(wǎng)的性能。

1.2 地網(wǎng)材料影響

根據(jù)GB／T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，鍍鋅扁鋼材料已廣泛應(yīng)用在接地網(wǎng)中［18］，但由于鋼材料本身屏蔽效應(yīng)較明顯，磁導(dǎo)率較高，而類似特高壓GIS 變電站占地面積較小，短路電流較大，設(shè)備布置緊湊，接地網(wǎng)內(nèi)不等電位明顯。銅作為接地材料，明顯改善了網(wǎng)內(nèi)不等電位的失衡。通過(guò)對(duì)比2 種不同材料在不同電流注入方式下的接地性能，如表1 所示。

使用銅作為接地網(wǎng)材料時(shí)，短路電流無(wú)論集中入地還是分散入地，網(wǎng)內(nèi)電位差都很小，分散入地對(duì)地電位升的抑制作用可以忽略不計(jì)。銅的磁導(dǎo)率很低，對(duì)電流抑制作用很小，網(wǎng)孔內(nèi)不等電位現(xiàn)象不明顯，因此大規(guī)模的銅接地網(wǎng)可近似視為等電位體，電流集中入地和分散入地帶來(lái)的地電位升、地表電勢(shì)分布、跨步電壓、接觸電壓差別較小，設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮短路電流入地方式的差別。

表1 不同地網(wǎng)材料下電流入地方式的性能差異

1.3 土壤電阻率影響

接地網(wǎng)參數(shù)和土壤結(jié)構(gòu)不變，土壤電阻率在25～1 000 Ωm 之間變化，采用MALZ 模塊進(jìn)行仿真，研究分析了土壤電阻率對(duì)電位變化百分比和網(wǎng)內(nèi)最大電位差的影響，如圖4 和圖5 所示。電位變化百分比為

式中：Ut為接地網(wǎng)的最大接觸電壓；Umax為接地網(wǎng)內(nèi)最高地電位升。

圖4 土壤電阻率對(duì)電位變化百分比的影響

由圖5 可知隨著土壤電阻率的增大，接地網(wǎng)內(nèi)不等電位現(xiàn)象逐漸減弱，網(wǎng)內(nèi)最大電位差與土壤電阻率關(guān)系較小。網(wǎng)內(nèi)最大電位差分別在300 V 和150 V 左右時(shí)，土壤電阻率影響較小，網(wǎng)內(nèi)最大電位差趨于穩(wěn)定。分析其原因，土壤電阻率越低，電流散流越容易；極端情況下，如果土壤電阻率和接地網(wǎng)導(dǎo)體電阻率相當(dāng)，則短路電流完全通過(guò)土壤傳播，接地網(wǎng)變得毫無(wú)作用，此時(shí)導(dǎo)體的不等電位值就等于地電位升高值，即不等電位相對(duì)值為100%。因此，土壤電阻率越低，網(wǎng)內(nèi)的不等電位現(xiàn)象越明顯。

圖5 土壤電阻率對(duì)網(wǎng)內(nèi)最大電位差的影響

1.4 分散入地電流定量計(jì)算

假設(shè)分散入地的每份電流值相等，接地網(wǎng)電流電勢(shì)的分布服從線性疊加原理，總短路電流應(yīng)為各段短路電流之和，每一個(gè)電流注入點(diǎn)用一個(gè)集中阻抗值等效，然后根據(jù)每個(gè)注入點(diǎn)的阻抗和電流參數(shù)計(jì)算出地面任一點(diǎn)的電勢(shì)，再將每股電流所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)疊加，得到最后GPR。等效電路如圖6 所示。

圖6 短路電流多點(diǎn)入地時(shí)的等效電路

圖6 中，R1，R2，…，Rn分別為各條支路電流接入點(diǎn)向等效短路電源（實(shí)際上可以取電流分開(kāi)之前的任意一個(gè)等電位點(diǎn)）看去的等效電阻，Z1，Z2，…，Zn分別為各個(gè)電流入地點(diǎn)所對(duì)應(yīng)接地網(wǎng)阻抗值。在接地網(wǎng)形式對(duì)稱且短路電流注入點(diǎn)也對(duì)稱的情況下，Z1，Z2，…，Zn相等，但實(shí)際戶內(nèi)變電站很少完全對(duì)稱。根據(jù)等效電路得到方程組為

式中：IG為最大入地故障電流。

由式（2）可以計(jì)算得到不同故障入地點(diǎn)的分支電流，再通過(guò)每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的接地阻抗計(jì)算可得空間任意點(diǎn)的電位。

2 垂直接地極對(duì)降阻率影響

水平接地導(dǎo)體之間、垂直接地導(dǎo)體之間存在電流屏蔽現(xiàn)象，水平接地導(dǎo)體與垂直接地導(dǎo)體之間也存在電流屏蔽現(xiàn)象。在水平接地網(wǎng)中分析單根垂直接地極不同位置布置時(shí)對(duì)接地網(wǎng)接地電阻的影響。

垂直接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻效果可用降阻率S表示

式中：R0為水平接地網(wǎng)的接地電阻；R 為安裝垂直接地極后的接地電阻。

2.1 垂直接地極布置位置影響

垂直接地極在接地網(wǎng)上的布置如圖7 所示。當(dāng)入地電流為1 000 A 時(shí)，未加垂直接地極時(shí)，其接地網(wǎng)接地電阻為0.459 38 Ω，在不同位置打入垂直接地極后的降阻效果如圖8 所示。

由圖8 可知，距離地網(wǎng)中心點(diǎn)從遠(yuǎn)到近的順序?yàn)?→2→3→4→5→6，而降阻效果從高到低的順序?yàn)?→2→3→4→5→6，降阻率隨著與地網(wǎng)中心距離的大小而變化，降阻率由1.8%降低到0.8%。因此采取增加垂直接地極降低地網(wǎng)接地電阻時(shí)，應(yīng)將垂直接地極布置在水平接地網(wǎng)的邊緣，減小與水平地網(wǎng)間的屏蔽作用，從而提高垂直接地體的降阻效果。

2.2 垂直接地極數(shù)量影響

接地網(wǎng)參數(shù)和土壤結(jié)構(gòu)保持不變，建立接地模型，在水平接地網(wǎng)邊緣布置不同數(shù)量和不同長(zhǎng)度的垂直接地極并進(jìn)行計(jì)算，將垂直接地極盡量等間距均勻分布在水平接地網(wǎng)邊緣，經(jīng)CDEGS 軟件計(jì)算，研究了垂直接地極數(shù)量和長(zhǎng)度對(duì)降阻率的影響，如圖9 所示。

圖7 垂直接地極在接地網(wǎng)上的布置

圖8 垂直接地極不同位置時(shí)對(duì)降阻率的影響

圖9 垂直接地極數(shù)量對(duì)降阻率的影響

圖9 中，N 為垂直接地極的根數(shù)，L 為垂直接地極的長(zhǎng)度。由圖9 可知，在已有水平接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上添加垂直接地極，當(dāng)垂直接地極的根數(shù)一定時(shí)，降阻率隨垂直接地極長(zhǎng)度的增加而增大，當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其增大趨勢(shì)趨于飽和。垂直接地極的降阻率隨垂直接地極的根數(shù)的增加而增加，其增大趨勢(shì)也逐漸趨于飽和。

3 結(jié)語(yǔ)

特高壓GIS 變電站占地面積小，電氣設(shè)備布局緊湊，為保證變電站的安全運(yùn)行，在有限面積的接地網(wǎng)提高短路電流的散流能力，分析了短路電流入地方式和垂直接地極兩個(gè)典型因素對(duì)接地設(shè)計(jì)的影響，研究分析了短路電流以不同方式入地時(shí)，分散入地相比集中入地對(duì)地網(wǎng)GPR 降低影響較小，但能有效減弱接地網(wǎng)孔內(nèi)不等電位現(xiàn)象。分散入地可對(duì)短路電流提前分流，間接提高了地網(wǎng)的通流能力。分別采用銅和鋼作為接地網(wǎng)材料對(duì)比發(fā)現(xiàn)銅接地網(wǎng)受短路電流入地方式影響較小。隨著土壤電阻率的增大，接地網(wǎng)內(nèi)不等電位現(xiàn)象逐漸減弱，網(wǎng)內(nèi)最大電位差與土壤電阻率關(guān)系較小，趨于穩(wěn)定。

敷設(shè)垂直接地極可有效改善接地電阻，垂直接地極敷設(shè)于接地網(wǎng)的邊緣，能減小與水平地網(wǎng)間的屏蔽作用，提高降阻率。降阻率隨垂直接地極長(zhǎng)度的增加而增大，當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其增大趨勢(shì)趨于飽和。垂直接地極的降阻率隨垂直接地極的根數(shù)的增加而增加。其增大趨勢(shì)也逐漸趨于飽和。