降低變電站接觸電勢的措施分析及應用

單 蒙

（廣東天聯電力設計有限公司，廣東廣州 510600）

0 引言

電氣裝置接地是電力工程設計中的重要內容，它關系到電力設備能否正常運行及變電站內工作人員的生命安全。隨著國家對土地資源使用的限制，變電站的用地面積逐漸縮小，而電網規模、系統容量逐年擴大，系統發生短路故障后，變電站內入地短路電流不斷增加，使變電站內跨步電勢及接觸電勢很難滿足允許值的要求，尤其是接觸電勢。如何有效地將跨步電勢及接觸電勢控制在允許范圍內成為目前變電站接地裝置設計急需解決的問題。

1 措施分析

在110 kV及以上有效接地系統發生單相接地或兩點同時接地時，變電站接地裝置的接觸電勢

Us——跨步電勢允許值，V；

Ut——接觸電勢允許值，V；

ρf——人腳站立處地表面的土壤電阻率，Ω?m。

變電站接地裝置除利用自然接地極外，通常采用水平接地極為主，垂直接地極為輔的復合接地網，接地網的工頻接地電阻近似按下式計算：

和跨步電勢不應超過下列數值[1-3]：

ρ——土壤電阻率，Ω?m；

S——接地網面積，m2。

接地網地表面的最大接觸電勢為Utmax=Ktmax?I?R，接地網地表面的最大跨步電勢為Usmax=Ksmax?I?R。式中I為計算用入地短路電流。

十多年前，當斯普金斯還是丹娜-法伯癌癥研究所的研究員的時候，她曾接觸過急性淋巴細胞白血病患者。急性淋巴細胞白血病是一種血液癌癥，癌細胞很容易轉移到大腦和脊椎，因此所有該病的患者都要接受脊髓液化療。

變電站接地裝置是否滿足要求的判據如下：

（1） Ut≥Utmax并且 Us≥Usmax。

（2）有效接地系統和低電阻接地系統中變電所電氣裝置保護接地的接地電阻但實際工程驗收時通常要求R≤0.5 Ω。

由上述判據可見，滿足變電站內跨步電勢及接觸電勢的要求可以從以下兩個方面入手，一方面，提高電勢的允許值；另一方面，降低接地網地表面的最大電勢。在工程實施時提高電勢的允許值的方法有：1）提高人腳站立處地表面的土壤電阻率；2）縮短斷路器動作時間。降低接地網地表面的最大電勢的方法有：1）減少系統短路后入地短路電流；2）增大接地網面積；3）變電站站址選在土壤電阻率低的地方。

本文通過工程實例分析在接地電阻符合工程驗收的條件下，如何降低變電站內的接觸電勢。

2 案例分析

2.1 變電站現狀描述

某500 kV變電站采用復合雙層接地網，測得站內接地電阻為0.113 1 Ω，人腳站立處地表面的土壤電阻率為125Ω?m，電氣設備接地引下線與主地網可靠連接，現存接地網完整。經計算，站內接觸電勢及跨步電勢的允許值分別為：330 V和442 V。根據電科院提供的《基于CDEGS軟件的變電站接地網狀態數值評估》得知，當220 kV配電裝置發生單相短路接地故障時，站內接觸電勢最大值為367.54 V，跨步電勢最大值為179.94 V，接觸電勢不滿足允許值的要求。

2.2 解決方案

結合該站接地現狀，建議通過增加人腳站立處地表面的土壤電阻率的方法解決接觸電勢超標的問題。在全站配電裝置區域的綠化帶內，鋪設高電阻率特性的礫石路面，厚度不小于200 mm，此時，地表電阻率可達到2 500 Ω·m。系統單相接地短路（故障）電流持續時間t=0.35 s，計算得接觸電勢允許值為1 012.49 V，由此可見，站內的接觸電勢滿足要求。

2.3 方案校驗

選取Sb=100 MVA，Vb=525 kV、230 kV，站內500 kV及220 kV母線短路電流計算結果見表1。

表1 短路電流計算結果表

本站500 kV母線處系統等值阻抗標么值：（不含本站主變壓器）正（負）序電抗： X1=0.001 952 1；零序電抗：X0=0.002 556。本站220 kV母線處系統等值阻抗標么值：（不含本站主變壓器）正（負）序電抗：X1=0.021 731；零序電抗：X0=0.006 855 4。

本站3臺主變壓器均采用自耦變壓器，根據自耦變壓器的結構特點，220 kV母線發生單相接地短路故障時，流過主變中性點穩態短路電流（有效值）為500 kV和220 kV單相接地短路電流之差，保守估算，此處不計入分流影響。在出線構架上帶著500 kV、220 kV避雷線和OPGW光纖地線的運行狀態下，采用CDEGS模擬計算，架空地線分流系數為59.1%。

根據DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》中推薦的入地電流公式I=(Imax-In)(1 -Ke1)，當220 kV母線發生單相接地短路故障時，I=19.19 kA。接觸電壓計算結果見表2。

表2 接觸電壓計算結果表

3 結論

（1）通過在站內鋪設高電阻率結構的礫石路面的方法（厚度不小于200 mm），地表電阻率可達到2 500Ω?m，接觸電壓勢允許值為1 012.49 V，遠大于鋪設礫石前的接觸電勢允許值及最近一次實測的接觸電勢最大值367.54 V。

表3 接觸電壓校驗結果表

（2）利用2020年系統遠景規劃數據進行校驗得知，當220 kV母線發生單相接地故障時最大接觸電壓為767.4 V，小于接觸電壓允許值（詳見表3），保證了變電站內巡視及維護人員的安全。

［1］DL/T621-1997.交流電氣裝置的接地［S］.

［2］ GB 50065-2011.交流電氣裝置的接地設計規范［S］.

［3］水利電力西北設計院.電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分［K］.北京：中國電路出版社，1989.