鄭州換流站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

施紅，陳政，馮蕾，徐滎

（河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，鄭州450000）

鄭州換流站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

施紅，陳政，馮蕾，徐滎

（河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，鄭州450000）

特高壓直流換流站占地面積較大，站內(nèi)存在較大的地電位差，交直流設(shè)備的相互影響使得換流站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)存在許多特殊之處。為此，針對(duì)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法在高土壤電阻率地區(qū)接地電阻很難滿足規(guī)程要求的問(wèn)題，根據(jù)設(shè)備安全與人身安全的要求，分析了接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的約束條件，提高了地電位升上限。并結(jié)合哈密-鄭州直流特高壓輸電工程鄭州換流站的具體條件，對(duì)接地網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流分流系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了基于不等間距設(shè)計(jì)的復(fù)合接地網(wǎng)優(yōu)化布置方案，并通過(guò)地網(wǎng)安全分析評(píng)估軟件，進(jìn)行了安全性校驗(yàn)，具有重要的工程參考價(jià)值。

直流輸電；接地電阻；接地網(wǎng)設(shè)計(jì)；安全校核

接地網(wǎng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員安全的重要措施，其最重要的功能就是將故障電流安全地引入地下，限制故障電位上升，控制地表電位梯度以限制跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì)在安全值內(nèi)[1-5]。接地網(wǎng)接地性能一直受到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行部門的重視。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、高速發(fā)展，變電容量的不斷增加，流經(jīng)變電站地網(wǎng)的入地短路電流也愈來(lái)愈大，為了保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，要求接地電阻值愈來(lái)愈小。然而由于我國(guó)可利用耕地資源十分寶貴，目前有許多變電站建在巖土、山石較多的地區(qū)，土壤電阻率相對(duì)較高。特別對(duì)于一些地質(zhì)條件惡劣、地下水源匱乏的地區(qū)，其矛盾更為突出[6-8]。與此同時(shí)，我國(guó)普遍采用的計(jì)算方法越來(lái)越不能滿足設(shè)計(jì)要求[9-11]。接地網(wǎng)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)還處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，通常利用簡(jiǎn)單公式及均勻網(wǎng)格的方法，對(duì)于發(fā)變電站地網(wǎng)降阻也沒(méi)有較好的方法。常用的擴(kuò)大地網(wǎng)面積、采用降阻劑或單純?cè)黾哟怪苯拥貥O的方法，降阻效果并不明顯[12-14]。并且接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收的過(guò)程中均以接地電阻為主要內(nèi)容，而對(duì)站址地表的電位分布、接觸電壓、跨步電壓只是簡(jiǎn)單校核。因此加強(qiáng)對(duì)變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，在滿足變電站跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì)在安全值內(nèi)的情況下，降低接地系統(tǒng)投資，是十分迫切和必要的。

1 換流站接地網(wǎng)的特殊性及應(yīng)對(duì)措施

哈密-鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程計(jì)劃2014年建成投產(chǎn)，輸電規(guī)模為8 000 MW。該工程建后，每年可向華中地區(qū)輸送電量約480×108kW·h，可有效緩解華中地區(qū)負(fù)荷快速增長(zhǎng)和資源總量不足、煤炭供應(yīng)緊張之間的矛盾。由于直流換流站占地面積較大，直流與交流設(shè)備的差異，鄭州換流站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)存在許多特殊之處。

1.1 鄭州換流站土壤結(jié)構(gòu)模型

國(guó)內(nèi)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》中用于接地電阻、接觸電勢(shì)和跨步電壓計(jì)算的解析式，沒(méi)有考慮土壤的不均勻性。大型變電站或換流站占地面積很大，故障時(shí)故障電流入地較深，深層土壤對(duì)接地網(wǎng)接地電阻影響較大，將土壤視為均勻的，可能造成較大的計(jì)算誤差[15-16]。

鄭州換流站站址位于黃淮海平原的黃河南岸，行政區(qū)劃屬鄭州市中牟縣大孟鄉(xiāng)，場(chǎng)地內(nèi)地基土主要由粉土、粉質(zhì)黏土及沙層組成。研究精確度高的土壤分層理論和方法是接地系統(tǒng)電氣參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為了獲得精確的鄭州換流站土壤結(jié)構(gòu)模型，本文采用四極電測(cè)深法，對(duì)換流站29個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了勘測(cè)，通過(guò)對(duì)土壤勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該測(cè)區(qū)地層在探測(cè)深度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)3層電性曲線特征，可以近似使用表1的數(shù)據(jù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

表1 站址土壤分層電阻率Tab.1Soil layered resistivity

1.2 鄭州換流站接地網(wǎng)電位差問(wèn)題

換流站占地面積大，屬于大型接地網(wǎng)。大型接地網(wǎng)存在較大的網(wǎng)內(nèi)電位差，其值隨地網(wǎng)面積的加大，接地導(dǎo)體半徑的減小和均壓導(dǎo)體根數(shù)的減少而增加。短路電流入地點(diǎn)越偏離地網(wǎng)中心，網(wǎng)內(nèi)電位差就越大。大型接地網(wǎng)面積大，設(shè)備眾多，故障時(shí)電位不均情況嚴(yán)重，因此，大型接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不宜再采用等電位模型進(jìn)行分析。

換流站接地電位升直接與二次系統(tǒng)的安全性相關(guān)。目前我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中要求地電位升IR＜2 000 V。這是由于過(guò)去二次設(shè)備的絕緣耐壓低，從確保二次系統(tǒng)的安全出發(fā)進(jìn)行規(guī)定的。經(jīng)過(guò)對(duì)換流站內(nèi)不同短路點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，站內(nèi)兩點(diǎn)之間的最大電位差一般不超過(guò)地網(wǎng)電位升的40%，從保守的角度出發(fā)，認(rèn)為二次電纜及二次設(shè)備的絕緣耐壓只有2 000 V，也可以將地電位升放寬到2 000/ 40%=5 000 V。

在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅接地帶，銅接地帶與地網(wǎng)連接，二次電纜與銅接地帶可靠連接，這樣短路故障時(shí)，由于銅接地帶的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，因此故障電流主要從銅接地帶中流過(guò)，而流過(guò)二次電纜的屏蔽層的電流較小，可以克服雙端接地時(shí)可能燒毀二次電纜的問(wèn)題。同時(shí)，為防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，對(duì)可能將接地網(wǎng)的高電位引向站外或?qū)⒌碗娢灰蛘緝?nèi)的設(shè)施采取隔離措施。

2 入地短路電流計(jì)算

最大入地故障電流的計(jì)算是變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生接地短路故障時(shí)，并不是全部短路電流都經(jīng)接地網(wǎng)入地，而僅僅是一部分，另一部分短路電流經(jīng)與變電站接地網(wǎng)連接的架空線路的避雷線和桿塔接地裝置為回路流通。入地故障電流僅指流經(jīng)變電站接地網(wǎng)的那部分短路電流。從安全角度考慮，架空避雷線分流越多越好，在接地網(wǎng)電阻為定值時(shí)，入地故障電流減小，則地電位升高減小，接觸電位差和跨步電位差也減小。由此可見(jiàn)，接地網(wǎng)的分流系數(shù)越小越好。

接地網(wǎng)分流系數(shù)與電纜進(jìn)線模式、進(jìn)出線回路數(shù)、桿塔的接地電阻、架空地線參數(shù)、變電站接地電阻等因素有關(guān)。分流系數(shù)數(shù)值計(jì)算基于相參數(shù)模型的廣義雙側(cè)消去法，計(jì)算線路故障電流分布采用等值電壓源模型，如圖1所示。

圖1 分流系數(shù)計(jì)算模型Fig.1Shunt coefficient calculation model

圖中：Vs為變電站母線電壓；Zs為從母線看系統(tǒng)的等值阻抗；Rg為變電站接地網(wǎng)接地電阻；Rt為桿塔的接地裝置接地電阻；Zg、Zp分別為地線和相線自阻抗；Zm為相線和地線間的互阻抗；IG為變電站接地網(wǎng)電流；IF為接地線電流。本文根據(jù)鄭州換流站實(shí)際情況，其交流側(cè)分流系數(shù)取0.6，直流側(cè)分流系數(shù)取0.7。換流站交流側(cè)入地電流計(jì)算式為

式中：If為短路電流；Sf為分流系數(shù)；Cp為考慮到系統(tǒng)將來(lái)發(fā)展的規(guī)劃系數(shù)，本文取1；Df為衰減系數(shù)，取決于系統(tǒng)次暫態(tài)故障阻抗的X/R之比，通過(guò)對(duì)典型衰減系數(shù)的研究，本文取1.2。通過(guò)計(jì)算換流站交流側(cè)母線接地短路電流的最大值為51 kA，則交流側(cè)最大入地短路電流值為30.6 kA。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，位于晶閘管閥橋與平波電抗器之間的直流極母線發(fā)生接地短路時(shí)，直流側(cè)的短路電流最大，其值計(jì)算式為

式中：Icrest為直流側(cè)短路電流；IdN為標(biāo)稱直流電流；Id為連續(xù)過(guò)負(fù)荷電流；dx為直流側(cè)感性壓降；Udioabsmax為絕對(duì)最大空載電壓；UdioN為標(biāo)稱理想空載電壓。經(jīng)計(jì)算，直流側(cè)最大短路電流值為30.9 kA，考慮分流系數(shù)及衰減系數(shù)，直流側(cè)最大入地短路電流值為29.66 kA。

3 換流站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 接地材料選擇

目前國(guó)內(nèi)的接地材料主要為銅接地體和熱鍍鋅鋼以及正在逐步推廣使用的鍍銅鋼接地體。3種接地材料的技術(shù)性能比較如表2所示。

表2 技術(shù)性能比較Tab.2Technical performance comparison

通過(guò)技術(shù)性能比較可以看出，鍍銅鋼接地體兼具了鋼接地體和銅接地體的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的

式中：Sg為接地引下線最小截面；Ig為流過(guò)接地引下線的短路電流穩(wěn)定值；te為短路電流的等效持續(xù)時(shí)間；C為接地引下線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，接地極截面Sg≥182.5 mm2。由于銅接地材料無(wú)需考慮腐蝕影響，接地裝置接地極截面不宜小于連接至該接地裝置接地線截面的75%，即選用銅接地材料時(shí)，接地網(wǎng)的水平接地極截面不宜小于136.9 mm2。

3.2 接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

常用的地網(wǎng)形式可分為方格地網(wǎng)和長(zhǎng)格地網(wǎng)。方格地網(wǎng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但邊緣部分的電場(chǎng)強(qiáng)度比中心部分高，電位梯度較大，整個(gè)地網(wǎng)的電位分布不均勻，接地體材料用量多，經(jīng)濟(jì)性差。長(zhǎng)格地網(wǎng)泄流效果稍差，但接地材料用量少。長(zhǎng)格地網(wǎng)通常在泄流效果差的部分補(bǔ)充采用方格地網(wǎng)。接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在已有接地系統(tǒng)范圍的情況下，通過(guò)調(diào)整水平接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體布置確保接地系統(tǒng)達(dá)到最大安全。

不等間距地網(wǎng)布置能使入地故障電流密度分布均勻，降低接地電阻，達(dá)到降低接觸電勢(shì)與跨步電勢(shì)的目的，同時(shí)可提高電氣設(shè)備的安全性。按指數(shù)規(guī)律布置地網(wǎng)導(dǎo)體，距離中心網(wǎng)孔為n級(jí)的網(wǎng)孔間距為

式中：C為壓縮比；dmax為中間網(wǎng)孔的邊長(zhǎng)。

按指數(shù)規(guī)律布置接地網(wǎng)示意如圖2所示。

本文結(jié)合方格地網(wǎng)與不等間距地網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，采用復(fù)合接地網(wǎng)方式，以水平接地體為主，垂直接地體為輔。中間部分等間距布置，接地網(wǎng)邊沿按不等間距布置水平接地網(wǎng)，并結(jié)合2.5 m垂直接地體設(shè)計(jì)，邊沿網(wǎng)格按最優(yōu)壓縮比0.7設(shè)計(jì)接地體間距，中間網(wǎng)格按16 m布置，接地網(wǎng)優(yōu)化圖如圖3所示。發(fā)展前景。但受國(guó)內(nèi)電鍍技術(shù)的限制，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鍍銅鋼接地體無(wú)法保證完全滿足國(guó)際UL467標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的鍍銅鋼接地體仍然需要采用進(jìn)口產(chǎn)品，造成鍍銅鋼接地體的產(chǎn)品價(jià)格偏高。雖然銅材資金投入量略高于鋼材料，但其在導(dǎo)電性能、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕能力等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，綜合考慮到特高壓直流換流站的特殊性，設(shè)計(jì)接地材料考慮采用銅材作為主要材料。

依據(jù)《交流電氣裝置的接地》規(guī)定：接地體熱穩(wěn)定校核中未考慮腐蝕時(shí)，變電所接地引下線的最小截面應(yīng)滿足

圖2 接地網(wǎng)示意Fig.2Grounding grid diagram

圖3 接地網(wǎng)優(yōu)化圖Fig.3Optimization of grounding grid

4 接地網(wǎng)安全校核

為了驗(yàn)證接地網(wǎng)的安全性，本文利用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的地網(wǎng)安全分析評(píng)估軟件，建立了優(yōu)化后的地網(wǎng)模型，如圖4所示。圖4～圖8中的3D圖形的x、y、z坐標(biāo)分別代表接地網(wǎng)模型的長(zhǎng)、寬、高，單位為m。

圖4 三維接地網(wǎng)模型Fig.43D grounding grid model

計(jì)算得接地網(wǎng)的接地電阻為0.160Ω，跨步電壓和接觸電壓的允許值分別為385.60V和310.23V。

為了保證接地網(wǎng)在最苛刻的短路條件下仍能保障電氣設(shè)備及運(yùn)行人員的安全，考慮最嚴(yán)重的情況，交流側(cè)及直流側(cè)短路電流注入點(diǎn)均在接地網(wǎng)邊角位置，分別選擇A和B兩個(gè)短路電流注入點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。注入點(diǎn)A位于500 kV GIS設(shè)備區(qū)的邊角位置；注入點(diǎn)B位于直流場(chǎng)接地網(wǎng)邊角位置。具體位置如圖5所示。

圖5 接地網(wǎng)短路電流注入點(diǎn)Fig.5Grounding short-circuit current injection point

通過(guò)接地軟件模擬計(jì)算得注入點(diǎn)A最大地電位為4860V，滿足換流站地電位升不得大于5000V的要求，各點(diǎn)的地電位分布如圖6所示。

圖6 注入點(diǎn)地表電位圖Fig.6Injection point surface potential maps

短路電流在A點(diǎn)注入時(shí)，各點(diǎn)跨步電壓如圖7所示。通過(guò)軟件計(jì)算，最大跨步電壓值為82.2 V，小于最大跨步電壓允許值。

圖7 注入點(diǎn)跨步電壓Fig.7Injection point step voltage graph

短路電流在A點(diǎn)注入時(shí)，各點(diǎn)的接觸電壓分布如圖8所示。

經(jīng)計(jì)算換流站最大接觸電壓值為1080V，最大接觸電壓值超出允許值，因此需要在操作機(jī)構(gòu)四周鋪設(shè)碎石、礫石或卵石地面，用以提高地表面電阻率，其厚度不應(yīng)小于20 cm，電阻率約為5 000 Ω·m。此時(shí)接觸電壓允許值提高為1 431 V，最大接觸電壓滿足允許值要求，按同樣方法對(duì)注入點(diǎn)B進(jìn)行計(jì)算，本文設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)模型也滿足安全校核。

圖8 注入點(diǎn)接觸電壓Fig.8Injection point contact voltage graph

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)特高壓直流輸電工程換流站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)這一具體問(wèn)題，提出一種基于不等間距設(shè)計(jì)的復(fù)合接地網(wǎng)優(yōu)化布置方案。該方案易于實(shí)現(xiàn)，滿足接觸電壓與跨步電壓的安全校驗(yàn)要求，有效解決了大型接地網(wǎng)存在較大的網(wǎng)內(nèi)電位差以及高土壤電阻率地區(qū)接地電阻很難滿足規(guī)程要求的問(wèn)題，具有重要的工程參考價(jià)值。

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Optimal Design of Grounding Grid of Zhengzhou Converter Station

SHI Hong，CHEN Zheng，F(xiàn)ENG Lei，XU Xing
（Henan Electric Power Survey&Design Institute，Zhengzhou 450000，China）

UHV DC converter station covers a large area，and potential difference in the station is great.Moreover，AC/DC interaction makes grounding grid design of the converter station have specialness.In view of the problem that the conventional design methods are difficult to meet the requirement of specification in high soil resistivity area grounding resistance，and according to equipment safety and personal safety requirement，this paper analyzes the grounding grid design constraint condition and improves the ground potential rise limit.In addition，this paper combines with the specific conditions of Zhengzhou converter in the Hami-Zhengzhou UHV DC transmission project，carries out a detailed analysis of the grounding grid system short-circuit current shunt coefficient，and proposes a layout optimization scheme based on unequal spacing of the composite ground network.Through the ground network security analysis and evaluation software，security checks are carried out and the design is verified to have important engineering reference value.

DC power transmission；grounding resistance；ground grid design；security checking

TM72

A

1003-8930（2014）12-0085-06

施紅（1986—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)輸變電技術(shù)、發(fā)變電設(shè)計(jì)。Email：lindashihong@126.com

2012-12-03；

2013-01-07

陳政（1980—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)輸變電技術(shù)、發(fā)變電設(shè)計(jì)。Email：losuwing@126.com

馮蕾（1978—），女，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)輸變電技術(shù)、發(fā)變電設(shè)計(jì)。Email：fenglei-heny@powerchain.cn