典型110 kV GIS變電站接地系統設計分析

楊健偉

（四川省黑水縣三聯水電開發有限責任公司 黑水縣 623500）

黃漢仕

（廣西貴港供電局 貴港市 537100）

變電站接地系統是維護變電站安全可靠運行，保障運行人員和電氣設備安全運行的根本保證和重要措施。近年來部分地方電網電壓等級跨越提升，容量急劇擴大，步入超高壓、現代化大電網行列，系統短路故障電流越來越大，為確保系統短路電流快速散失，保證人身和電氣設備的安全運行，生產運行等部門對降低變電站接地網的接地電阻值提出了更高、更嚴格的要求。同時，隨著變電站進入市區和住宅小區，大量GIS設備的應用，使得變電站的布置緊湊、占地面積更小，征地的困難且其費用又很高。這些因素都給變電站接地設計和施工造成了很多困難。過去變電站的接地網的設計一般均以水平接地網為主，由接地電阻值估算公式：Rs=0.5×ρ/S可知其接地電阻值大小與土壤電阻率成正比而與水平接地網邊緣閉合面積的大小成反比，也就是說當土壤電阻率為一定值時，降低接地電阻值需將接地網的面積做得很大。若變電站接地系統的設計思路仍還停留在傳統的水平接地網的方法，要獲得一個滿足DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接地》規程要求的接地電阻值是非常很困難。由此，110 kV GIS變電站的接地系統問題已日益成為變電站設計主要關心和研究問題之一。

1 設計原則

由于變電站各級電壓母線接地故障電流越來越大，在接地設計中要滿足電力行業標準DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接地》中第5.1.1條要求R≤2 000/I是非常困難的。現行標準與原接地規程有一個很明顯的區別是對接地電阻值不再規定要達到0.5 Ω，而是允許放寬到5 Ω，但這不是說一般情況下，接地電阻都可以采用5 Ω，接地電阻放寬是附加有條件的，這就是需要滿足接地標準第6.2.2條的規定，即：防止轉移電位引起的危害，應采取各種隔離措施;考慮短路電流非周期分量的影響，當接地網電位升高時，（3～10）kV避雷器不應動作或動作后不應損壞；應采取均壓措施，并驗算接觸電位差和跨步電位差是否滿足要求,施工后還應進行測量和繪制電位分布曲線。

在接地故障電流較大的情況下，為了滿足以上幾點要求，還是得把接地電阻值盡量減小。接地電阻的合格值既不是0.5 Ω，也不是5 Ω，而應根據工程的具體條件，在滿足附加條件要求的情況下，不超過5 Ω可以滿足要求。這就為我們接地設計和施工增加了靈活性，不必為滿足0.5 Ω的接地電阻值，在工程中花費巨額投資，或者說，接地網合格的判據不只是看接地電阻值，在接地電阻不滿足R≤2000/I時，還應按附加條件校驗。現行標準雖然放寬了對接地電阻值的規定，但并沒有降低對接地網整體性的嚴格要求，而是對接地網的安全性要求更高更全面了，這就是接地設計必須遵循的原則和對接地網的考核要求。

2 典型110kVGIS變電站接地系統設計分析

下面就以貴港城區一座典型的110 kV GIS變電站——沙江變電站的接地系統設計及施工實況為例，對110 kV GIS變電站接地系統問題進行分析。

2.1 110 kV沙江變電站建設規模及地質概述

110 kV沙江變電站工程建設規模為：110 kV和10 kV兩個電壓等級；終期裝設三相雙繞組有載調壓變壓器3臺，容量50 MVA，本期1臺；110 kV設備采用戶內GIS成套設備，終期出線3回，本期2回；10 kV設備采用戶內手車柜，終期出線36回，本期12回。

110 kV沙江變電所在原35 kV沙江變電所所址升壓擴建而成。該所址位于貴港城區的東部約4 km，北距進港公路約1 km的城東開發區內。所址高程為49.5 m（黃海基面），高于貴港市100年—遇洪水位48.16 m。原35 kV沙江變電所所址占地面積為84 m×40 m，工程建設地網面積為：80 m×40 m。擬建場地地貌屬貴港市溶蝕準平原地貌。場地地層主要由填土和紅粘土組成由上而下分述如下：

填土（Q4m1①層）黃褐色，稍濕，呈松散狀態；主要由粘土組成，局部含植物根系。該層層厚為（0.20～0.30）m，平均為0.22 m，分布于整個場地。

紅粘土（Q4e1②1層）：紅褐色～黃褐色；飽和；呈硬塑狀態；土質不甚均勻；土體裂隙偶有發育，土體呈致密狀。該層分布于整個場地，層頂深度為（0.20～0.30）m，層厚為（8.80～12.80）m，平均為 10.40 m。

紅粘土（Q4e1②2層）：黃褐色；飽和；呈可塑狀態；土質不甚均勻；土體裂隙偶有發育，土體呈致密狀。該層分布于整個場地，層頂深度為（9.00～13.00）m，鉆進該層厚度一般為（3.00～5.00）m，平均 4.16 m。

2.2 110 kV沙江變電站常規接地電網電阻值計算及校驗

經現場測量，新建110 kV沙江變電站站址土壤電阻率 ρ值為 550 Ω/m。

110 kV接地點的最大單相接地短路電流值Imax=15 100 A。

（1）入地短路電流的計算。

（2）接地電阻。

所以：R≤0.5 Ω

根據桂電生便[2004]188號《變電所接地電阻專題討論會議紀要》精神，在滿足接觸電位差和跨步電位差驗算要求的情況下，不強求R≤0.5 Ω。

（3）接觸電位差和跨步電位差最大允許值。

土壤電阻率：ρ=550 Ω/m

以水平接地極為主邊緣閉合的復合接地極 (接地網)的接地電阻估算如下：

新建110 kV沙江變電所閉合接地網的總面積約為：80×40=3 200（m2），接地體的總長度約為 2 500 m；

式中ρ——土壤電阻率（Ω/m）；

S——大于100 m2的閉合接地網的總面積（m2）；

r——與接地網面積S等值的圓的半徑，即等效半徑（m）；

L——接地體的總長度，包括垂直接地體在內（m）。

考慮斷路器全開斷時間為0.06 s，切除母線短路故障的最快保護動作時間為0.5 s，斷路器重合閘造成第二次電擊的情況，t=2×（0.06+0.5）=1.12（s）。 流經變電站接地中性點的最大接地電流為7 550 A。

（4）接地網表面最大可能的接觸電位差。

Ktmax=0.157

Ug=I入地×R估=7 550×4.53=34 201.5 V

最大接觸電位差：Utmax=Ktmax×Ug=0.157×34 201.5=5 369.64 V

所以：Utmax＞967.59 V，即使敷設絕緣地面，接觸電勢校驗也未能滿足要求。

（5）接地網表面最大可能的跨步電位差。

Ksmax=0.071

Ug=I入地×R估=7 550×4.53=34 201.5 V

最大跨步電位差：Usmax=Ksmax×Ug=0.071×34 201.5=2 428.31 V＜3 471.60 V，滿足敷設絕緣地面時的跨步電位差要求。

（6）由最大允許接觸電位差和最大允許跨步電位差反推接地電阻要求值。、

本工程需敷設絕緣地面：Ut=967.59V，Us=3 471.60V

●Ut=Ktmax×Ug

Ug=Ut/Ktmax=967.59/0.157=6 162.99 V

R=Ug/I入地=6 162.99/7 550=0.816 Ω

●Us=Ksmax×Ug

Ug=Us/Ksmax=3 471.6/0.071=48 895.77 V

R=Ug/I入地=48 895.77/7 550=6.48 Ω

綜合上述計算，本變電站的敷設常規地網估算接地電阻值為4.53 Ω，在敷設絕緣地面的情況下進行校驗，雖然跨步電位差未超過允許值，但接觸電位差已超過允許值，不能滿足運行要求。為此，必須采用降阻措施，使變電所接地電阻值降低到理論計算的允許值。

2.3 常規接地電網的敷設及測量結果

110 kV沙江變電站常規接地方式以水平接地體為主，輔以垂直接地極，接地網垂直接地體采用∠50×5，L=2 500 mm的角鋼，水平接地體采用-50×5的扁鋼，扁鋼埋深0.8 m，共同組成5 m×5 m的等間距接地網。綜合樓屋面板及各層樓板的鋼筋焊接成網，并與柱里選定的鋼筋（最少兩根）焊接，選定作引下線用的鋼筋伸出柱外與主接地網焊接。女兒墻上敷設的避雷帶單獨采用扁鋼引下（最少6根），與主接地網最外邊線焊接。變壓器接地網地下經15 m后才能與變電站主接地網連接。變電站四周與人行道路相鄰處，設置與主接地網連接的均壓帶。

接地網工程與土建工程密切配合施工結束后，經現場驗收及測量，站內敷設的常規等間距接地電網實測工頻接地電阻值為4.73 Ω。

2.4 目前對原接地電網進行改造的方案及結果

變電站的敷設常規地網估算接地電阻值為4.53 Ω，而實測工頻接地電阻值為4.73 Ω。在敷設絕緣地面的情況下進行校驗，雖然跨步電位差未超過允許值，但接觸電位差已超過允許值，不能滿足運行要求。為此，必須采用降阻措施，使變電所接地電阻值降低到理論計算的0.816 Ω。

目前對接地網降阻的措施主要有：深井接地、外引接地體、降阻劑敷設、電解地極、接地模塊等等。從技術方面及以往運行經驗來看，深井配合降阻劑接地的方案耐久性和穩定性要稍好于電解地極等其它方案。由于深井接地深埋地下，地下土壤、地質、地下水情況比較穩定，受表層土壤性質變化影響小，接地電阻不容易反彈，對土壤的腐蝕性弱。電解地極等方案接地裝置埋設較淺，降阻受季節影響較深井方案大。加之，沙江變電站站址地處郁江邊，根據地質勘察情況，變電站及附近區域內穩定地下水位埋深約（7.00～8.50）m，地下水主要補給來源主要為生活廢水，部分來自大氣降水，水量來源一般較豐富，呈弱堿性，導電性較好。因此，對110 kV沙江變電站接地網的降阻考慮深井配合降阻劑的方案是行之有效的。

接地降阻具體設計方案：在變電所內距離變電站圍墻角1 m處，依據現場鉆機安裝難易程度設置6孔Φ150 mm×20 m接地深井，間距為40 m，接地深井內埋設Φ50×3.5 mm×20 m熱鍍鋅鋼管做垂直接地體，垂直接地體埋深0.8 m。每孔接地深井內采用壓力灌漿工藝灌注6 000 kg優質稀土物理長效降阻劑。同時，使用50 mm×5 mm熱鍍鋅扁鋼做接地連接導體，將垂直接地體與常規敷設的接地網水平接地體焊接，并在焊接部位做防腐處理。接地連接導體埋深0.8 m，每米添加50 kg優質稀土物理長效降阻劑。接地方案如圖1、圖2所示。

圖1 接地深井布置圖

圖2 等效的接地網結構圖

降阻后計算及校驗如下：

（1）水平復合接地網的工頻接地電阻。

水平復合接地網的工頻接地電阻如上面計算所示可知，R估=4.53 Ω。

（2）垂直方向的平均土壤電阻率。

根據110 kV沙江變電站土壤電阻率測試報告，變電站場區及附近表層（0.3～10.0）m土壤電阻率分布平均值為 550 Ω/m；中層（10.0～18）m 土壤電阻率分布平均值為465 Ω/m；下層（18～30）m 土壤電阻率約分布平均值為400 Ω/m。

第一層理區深度：h1=（0.3～10）m；

取季節系數為 1.4 時：ρ1=1.4×507.5=710.5 Ω/m

第二層理區深度：h2=10～18 m；

取季節系數為 1.4時： ρ2=1.4×432.5=605.5 Ω/m

層理方向的土壤電阻率：

垂直層理方向的土壤電阻率：

該層狀結構巖土的非各向同性系數λ和平均電阻率ρm為：

（3）增設長垂直接地體后接地網的工頻接地電阻。

依據IEEE Std 80-2000中含長垂直接地體兩層土壤環境下的簡化結算公式，在不考慮土壤的均勻系數和上下層土壤之間的反射系數的情況下，按圖1方式增設6孔Φ150 mm×20 m接地深井后的接地網工頻接地電阻計算如下：

式中Rs——水平接地網的接地電阻（Ω）；

Rt——垂直接地棒組的接地電阻（Ω）；

●水平接地體的接地電阻計算（使用降阻措施后變化）：

5 m深度表層土壤電阻率ρ=770 Ω/m；（0～20）m垂直方向土壤電阻率ρm=655.9 Ω/m；采用壓力灌漿工藝灌注長效稀土降阻劑后長垂直接地體的在視土壤電阻率ρ2=（1-0.6）×655.9=262.36 Ω/m；

則：將ρ1=770 Ω/m；ρ2=262.36 Ω/m；K=-0.35；S=3 016 m2；L0=236 m；B=0.937 2；a=0.97；R1=5.98Ω代入上式；

因：|K|≤0.6；則：C=1；算得：β=0.537 7；H0=6.827 9；

●長垂直接地體的接地電阻計算：

式中L1、L2——分別為垂直接地棒在上層土壤和下層土壤的長度（m）。

則：將ρ1=770 Ω/m；ρ2=262.36 Ω/m；K=-0.35；S=3 016 m2；L1=10 m；L2=10 m；h=0.8 m；m=6；d0=0.15 m代入上式；

則有：q=1.04；g0=0.702 8；F0=2.59；

計算得：Ra=1.23；Rb=1.27；

考慮到工程施工中因施工工藝引起的誤差，按15%的施工風險考慮計算，即：設計值為工程實際測量值的85%時，R=0.53/85%=0.63 Ω≤0.816 Ω（小于電網公司要求1 Ω）。

綜上計算可見，使用接地深井降阻方案，充分考慮到工程施工風險后的設計值為0.63 Ω，既滿足在敷設絕緣地面時允許接觸電位差（要求值為0.816 Ω）和允許跨步電位差（要求值為6.48 Ω）的要求，亦可達到該接地網工頻接地電阻小于1 Ω的效果。因此，此設計方案是可行的。

2.5 降阻結果及實施措施

經采用深井加降阻劑法進行110 kV沙江變電站接地電網改造后，該站接地電阻的實測值降為0.946 Ω（測量環境：晴天）。

雖然經降阻后沙江變工頻接地電阻已滿足廣西電網公司要求不宜大于1 Ω的標準，也在敷設絕緣地面的情況下進行校驗，未超過跨步電位差允許值6.48 Ω，但接觸電位差已超過允許值0.816 Ω。考慮到變電站所有電氣設備均在綜合樓的二樓和三樓，在室內地面（一層地面除外）和樓梯均有配筋，并與主地網連接。因此綜合樓的二樓和三樓與主地網形成一個等電位體，不存在接觸電壓和跨步電壓，人員與設備外殼接觸是安全的。針對變電站內有一些地方需要提高絕緣水平，包括：電纜夾層地面、一樓室內樓梯口處、主變檢修平臺樓梯口處、綜合樓架空層地面等地方，對提高變電站絕緣水平應采取以下措施：

（1）將綜合樓架空層下的多孔磚地面換成碎石混凝土地面，并配以鋼筋進行均壓。

（2）將電纜夾層地面鋪墊絕緣膠墊。

（3）一樓室內樓梯口處、主變檢修平臺樓梯口地面處均鋪墊絕緣膠墊，膠墊的尺寸不小于1.2 m×1.2 m。

（4）為保證二次設備的安全運行，增加二次防雷設備。

3 結 論

（1）變電所的接地電阻首先應滿足DL/T 621-1997《交流電氣裝置的接地》的規定，應驗算接觸電位差和跨步電位差。如果對滿足其第5.1.1條中“R≤2 000/I”確實有困難，則應通過技術經濟分析后確定合理的數值，但變電所的接觸電勢和跨步電勢必須滿足要求，即采取有效的均壓措施。

（2）變電站常用的降阻措施眾多。高土壤電阻率區的變電站，應根據所區地質和環境條件，采用效果好、經濟、合理、安全、可靠的輔助措施，因地制宜，綜合治理來降低接地電阻。

（3）對于占地面積小，征地受限及接地網外延行不通的城區110 kV GIS變電站，若土壤電阻率隨深度加深變化不大、甚至于不斷降低，采用深井接地降阻措施則相對是一種更行之有效、更切合實際、更能相對減少投資的好方法。

1 水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊1（電氣一次部分）[M].北京：水利電力出版社，1994.

2 DL/T 621-1997.交流電氣裝置的接地[S].

3 解廣潤.電力系統接地技術［M］.北京：水利電力出版社，1985.