高寒凍土地區牽引變電所接地系統設計探討

丁 峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,西安 710043)

高寒凍土地區牽引變電所接地系統設計探討

丁 峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,西安 710043)

從牽引變電所接地系統設計目的分析出發,討論現行設計規范對接地電阻值要求的局限性,并結合實際案例,采用仿真計算和實地測試等方法進行驗證,提出對于高寒凍土地區牽引變電所的接地系統設計思路,應結合工程具體情況整體考慮,避免只簡單注重接地電阻值,而忽視對地電位分布的分析。

牽引變電所;接地系統;接觸電勢;跨步電勢;地電位升

牽引變電所接地網性能是否能滿足所內電氣設備的安全運行及運營人員的人身安全,其技術指標是否經濟合理,直接取決于接地網設計的正確性。而進行接地設計,首先需知道接地網敷設處的大地土壤電阻率。土壤電阻率作為接地設計的基礎依據、決定地網性能的重要參數,由于受大地結構復雜性的影響,數值的變化范圍很大,尤其在高原凍土地區,其值可高達數千Ω·m,往往使得位于該類地區的牽引變電所接地電阻值設計困難,很難滿足現行相關規范推薦值的要求。

本文以高原某線牽引變電所實測數據為例,分析和討論高寒凍土地區牽引變電所接地系統的合理設計。

1 不同“標準”接地電阻要求

《鐵路電力牽引供電設計規范》(TB10009—2005)(以下簡稱《鐵標》)規定,當流經接地裝置的入地短路電流大于等于4000A時,牽引變電所接地電阻值不應大于0.5Ω;在高土壤電阻率地區,允許將接地電阻值提高,但不應超過5Ω,同時應采取相應措施,并校驗接觸電勢和跨步電勢[1]。

《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》(IEEEStd80—2000)標準中對接地電阻規定,為了使地電位升減小到最小,接地系統對遠端大地應保持較低的接地電阻值,對于大多數變電所及占地面積較大的變電所,其接地電阻值通常可為1Ω左右,而對于較小規模的變配電所,應根據當地條件確定,通常可接受的電阻值范圍為1～5Ω[2]。

由上述標準內容可以看出,兩者對接地電阻值的相關規定存在著一定的差異,與IEEE相對寬松的接地電阻值要求相比,《鐵標》的規定則較為嚴格。

2 接地分析

2.1 電阻值要求局限性分析

(1)對于牽引變電所敷設的復合型地網,其接地電阻可按下述簡化公式計算

式中 Rg——變電所接地電阻,Ω;

ρ——變電所所在地土壤電阻率,Ω·m;

A——變電所接地網面積,m2;

LT——接地導體總埋設長度,m。

由(1)式可知,在諸多影響接地電阻大小的因素中,最大的影響來自于土壤電阻率,其值的變化與接地電阻值成正比。圖1為某高原測得的不同季節的土壤電阻率變化曲線,由圖1可以看出,在高寒凍土地區,其高土壤電阻率特性往往不隨季節的變化而變化,在此類不良土壤地區設置牽引變電所,要使接地電阻值滿足《鐵標》規定的接地電阻要求是十分困難的。

圖1 土壤電阻率測量值曲線

另由(1)式知,在土壤電阻率一定的情況下,接地電阻值的大小主要取決于接地網面積。以圖1測得的數據為例,假定土壤電阻率取1500Ω·m,接地電阻值按《鐵標》規定以最大限值5Ω計,根據公式(1)可知,地網面積需求為175×175m2。而對于牽引變電所而言,由于所內變配電設備數量的局限性,特別是采用GIS設備的變電所,其場坪一般來說不可能達到上述面積,也即是說,在高土壤電阻率地區,依靠常規的接地網敷設方式難以達到《鐵標》規定的接地電阻限值。

(2)目前我國客運專線及重載鐵路牽引變電所電源進線常采用220kV及330kV電壓等級。隨著變電所接入系統容量的不斷增大,流經接地網的入地短路電流也大大增加,以某萬噸鐵路為例,牽引變電所進線采用220kV電壓等級,根據電力系統提供數據,變電所處短路電流可達9000多A。根據《鐵標》規定,當所內入地短路電流大于等于4000A時,牽引變電所接地電阻值應小于等于0.5Ω。而對于位于不良土壤地區的牽引變電所來說,使其接地電阻值滿足規范規定的阻值要求極其困難。即使采取各種措施將接地電阻降低至0.5Ω,接地電壓也高達近5kV甚至更高,若不采取均壓、分流等措施,仍難以滿足保護接地的要求。

綜上所述,高土壤電阻率、接地網敷設范圍受到限制及系統容量的增大是造成高寒凍土、高土壤電阻率地區接地設計困難的3個原因。此類地區的接地設計,僅靠限制接地電阻值來降低接地電壓,以確保人身及設備安全,維護供電系統的可靠運行,不僅在技術上難以實現,在經濟上也很不合理。

2.2 接地設計目的分析

反映變電所接地系統性能的電氣參數主要為:接地電阻、接觸電勢、跨步電勢及地電位升。作為變電所接地系統,其應滿足:(1)在正常和故障兩種狀態下,在保證所內接觸電勢、跨步電勢及地電位升滿足限值要求,同時不對變電所的運行產生有害影響的前提下,為電流提供入地通道,以保證牽引供電系統及設備安全可靠地運行;(2)在任何狀態下,均應保證位于接地裝置附近的人員不會發生觸電危險,以確保人身安全。也即是說,對于牽引變電所而言,其接地的主要目的,是為了在正常和事故狀態以及在所內遭受雷擊的情況下,利用大地作為導流回路,將所內設備接地處的電位鉗制在允許的安全范圍之內。在某些情況下,變電所接地電阻即使很低,在發生接地故障時,仍可能出現很高的電位梯度,給運行人員和設備帶來危險[3]。因此,對于高土壤電阻率地區牽引變電所的接地系統設計,應統籌考慮,從均衡電位入手,統一考慮接地電阻、接觸電勢、跨步電勢及地電位升,進行整體性設計,以使接地設計經濟、合理,并滿足安全運行要求;不能僅強調降低接地電阻來保障安全,還應綜合考慮接觸電勢、跨步電勢及地電位升的要求,以確保設備及人員安全[3-8]。

3 工程應用

某高原凍土地區電氣化鐵路,為驗證均衡電位、整體性設計的合理性,對電氣化鐵路新建牽引變電所進行仿真及工程驗證分析。

3.1 仿真計算

(1)基本邊界條件

電力系統基本參數:供電線LGJ -240;避雷線GJ -70;雙回路,單獨架設;阻抗標么值0.28841。

牽引變電所基本參數:進線電壓等級110kV;三相V/v接變壓器,(25+20)MVA。

平均土壤電阻率:1500Ω·m

故障電流持續時間:采用主保護動作時間0.3s

(2)仿真過程

根據實測土壤電阻率,通過對土壤結構進行分析,考慮改善局部電位分布,對牽引變電所地網水平接地帶作等距分布,并在水平地網內部加入垂直接地極。結構如圖2所示。

對該結構地網作模擬分析,得變電所接地電阻值6.9543Ω,地電位升4265.3V;此值已超出《鐵標》規定的關于接地裝置的接地電阻要求。所內接觸電勢、跨步電勢計算結果如圖3～圖6所示。

圖2 牽引變電所接地網結構

圖3 接觸電勢三維視圖

圖4 接觸電勢二維色塊圖

圖5 跨步電勢三維視圖

考慮牽引變電所圍墻建在所內接地網邊緣外側,且為磚塊結構,因此對變電所地網邊緣處出現的接觸電勢、跨步電勢峰值予以忽略。但根據二維色塊圖,在不采取任何措施的情況下,所內跨步電勢雖然滿足要求,接觸電勢卻無法滿足安全運行的需要。

圖6 跨步電勢二維色塊圖

由于受地質、征地及土壤結構等因素影響,此變電所無法采用擴充地網面積、深井接地等方式進行降阻處理。為滿足變電所內接觸電勢的要求,考慮對所內地面作碎石層覆蓋處理。處理后對所內接觸電勢作重新計算,結果見圖7。

圖7 處理后接觸電勢二維色塊圖

由圖7可見,采用覆蓋處理后,變電所內接觸電勢已可滿足安全運行要求。

3.2 工程驗證

按圖2結構敷設牽引變電所地網,施工完畢后實測接地電阻值,共進行3次,阻值分別為6.68、7.36、7.64Ω。實測電阻值與仿真結果基本接近,誤差考慮為不同測量時期引起的土壤電阻率變化所至。后對接觸電勢及跨步電勢進行測試,滿足規范要求。

驗證說明,牽引變電所接地電阻值雖然超過了規范要求,但綜合考慮電位分布后,仍能滿足安全運營的需要。

4 結論與建議

(1)高寒凍土地區牽引變電所的接地系統,應結合工程具體情況整體考慮,應避免只簡單注重接地電阻值,而忽視對地電位分布的分析。

(2)高寒凍土地區牽引變電所接地系統設計中,應考慮地面電位分布不均帶來的危險,結合仿真計算和實地測試等手段計算地面電位分布,有針對性地采取安全措施,做到安全可靠,技術先進,經濟合理。

(3)高寒凍土地區牽引變電所接地網設計在技術難度大、經濟性不合理的情況下,可根據入地故障電流狀況,對所內接觸電勢、跨步電勢及轉移電勢進行研究分析,當上述電勢均滿足的情況下,可適當提高接地電阻允許值,以使得變電所的接地設計更趨合理。

參考文獻:

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]IEEEStandards.IEEEStd80 -2000IEEEGuideforSafetyinAC SubstationGrounding[S].IEEE-SAStandardsBoard,2000.

[3] 陳先祿,劉渝根,黃勇.接地[M].重慶:重慶大學出版社,2002.

[4] 丁峰.不同土壤結構的牽引變電所接地系統設計[J].電氣化鐵道,2011(3):8 -11.

[5] 鄒建明.大型地網接地技術的研究[D].杭州:浙江大學,2003.

[6] 曾永林.接地技術[M].北京:中國水利電力出版社,1979.

[7] 徐華,文習山,黃玲.大型變電站接地網的優化設計[J].高電壓技術,2005(12):63 -65.

[8] 莊池杰,曾嶸,張波,等.高土壤電阻率地區變電站接地網設計思路[J].高電壓技術,2008(5):893 -897.

Discussion on Grounding System Design of Traction Substation in Severe Cold and Frozen Soil Area

DING Feng
(Department of Electrification, China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd. , Xi'an 710043, China)

With the analysis on the design purpose of traction substation grounding system,the boundedness on earth resistance value requirements in current design code is discussed in this paper. Also in combination with actual case,by means of verifying with simulated calculation and actual test methods,the design idea for grounding system of traction substation in severe cold and frozen soil area is provided.The paper thinks that:it should be considered integrally based on the specific project circumstance so as to avoid just paying attention to ground resistance value but ignoring the analysis of the potential distribution.

traction substation;grounding system;touch voltage;step voltage;ground potential rise

U224

A

1004 -2954(2012)11 -0095 -03

2012-03-07

丁 峰(1970—),男,高級工程師,1994年畢業于華東交通大學鐵道電氣化工程專業,工學學士。