變電站三維立體接地網設計

劉佰強，何新萍，郗 亮

（1.渭南供電局 陜西 渭南 714000；2.陜西省電力公司檢修公司 陜西 西安 710065；3.陜西省電力公司電力經濟技術研究院 陜西 西安 710065）

為保證系統短路電流快速散失，保證人身和電氣設備的安全運行，變電站接地網有著重要的作用。隨著電網容量的急劇增加，系統短路故障電流越來越大，同時變電站布置日益緊湊、占地面積較小，按照常規接地網設計，接地電阻值將難于滿足規程要求[1]。110 kV開發區變電站采用的超深垂直接地極三維立體接地網是一種可行的變電站接地解決方案，適用于城區變電站，在下層土壤電阻率較小的地區或著是地下水位較淺的地區效果尤為明顯。

1 變電站概況

110 kV開發區變電站位于渭南市高新技術開發區，遠期規劃為50 MVA變壓器3臺，本期新上50 MVA變壓器兩臺，110 kV遠期出線四回，本期新上兩回，10 kV遠期出線45回，本期新上30回。110 kV開發區變由330 kV渭南變提供兩路電源，采用雙回輸電線路供電，線路長度4.55公里，導線采用LGJ-300/40鋼芯鋁絞線。建設110 kV開發區變電站可以滿足高新技術開發區的快速發展，確保區內產業項目的用電可靠性。

2 主接地網設計

2.1 等值土壤電阻率的選取

根據現場實測變電站的土壤電阻率為80 Ω·m，考慮季節及測量時土壤較濕的因素，表層土壤電阻率取120 Ω·m。站區場地地處渭河I級階地，地下水位埋深約為19.00 m，年變幅小于1.50 m。季節性凍土深度小于0.60 m，勘查深度（14.60 m）內地層大致分為黃土狀粉土、粉質粘土、粉土3層，隨著深度增加土層濕度越大[2]。同時根據《電力工程電氣設計手冊》中土壤電阻率的參考值，可以預見在地下19.00 m處的含水層處會有較低的電阻率，參考值選取深層土壤電阻率為30 Ω·m[3]。

2.2 接地電阻的要求值

2.2.1 入地短路電流

計算接地電阻要求值時首先應計算流經接地裝置的入地短路電流。

流經接地裝置的入地短路電流采用在接地裝置內、外短路時，經接地裝置流入地中的最大短路電流對稱分量最大值，該電流應5～10年發展后的系統最大運行方式確定，并應考慮系統中各接地中性點間的短路電流分配，以及接地避雷線中分走的接地短路電流[4]。

根據渭南地區“十二五”110 kV電網系統設計，按2020年網架結構計算330 kV渭南變的110 kV母線三相短路電流為25.36 kA，單相短路電流為30.37 kA[5]。由此推算系統參數，正序阻抗X1Σ＊=0.0198，零序阻抗 X0Σ＊=0.0100。110 kV渭開I、II線路正序阻抗為X1l＊=0.0138，零序阻抗X0l＊=0.0648。

開發區變110kV母線短路的序分量網絡如圖1所示。

計算開發區變110 kV母線三相短路電流為18.80 kA，單相短路電流為15.72 kA。

按照渭南電網運行方式的規定開發區主變壓器中性點不接地，僅需計算站內發生接地短路時流經接地裝置的電流：I=Imax（1-Kf1），其中 Imax=15.72 kA，Kf1=0.72，計算入地短路電流I=4.4 kA。

2.2.2 接地電阻要求值

有效接地系統中的變電所電氣裝置保護接地的接地電阻一般情況下應符合：R≤2 000/I[6]，上面計算得出的流經接地裝置的入地短路電流I=4.4 kA，所以110 kV開發區變的接地電阻應做到0.45 Ω以下。

圖1 110 kV母線短路的序分量網絡圖Fig.1 110 kV busbar short sequence component network diagram

2.3 接地裝置

2.3.1 存在問題

隨著電網容量的急劇增加，系統短路故障電流越來越大。為保證系統短路電流快速散失，保證人身和電氣設備的安全運行，生產運行部門對變電站接地網提出了更高、更嚴格的要求。一般的接地網采用以水平接地體為主、邊緣閉合的復合接地網，其接地電阻值估算公式：

其中SΣ為閉合接地網的總面積，ρ為站區等值土壤電阻率。

常規復合接地網接地電阻值與土壤電阻率成正比而與閉合接地網面積成反比，當土壤電阻率一定時，接地電阻值取決于接地網的面積。110 kV開發區變電站采用半戶內布置，110 kVGIS組合電器、10 kV配電裝置、電容器、接地變、控制室布置在二層配電樓內，三臺主變壓器布置在配電樓戶外西南側。變電站布置緊湊、占地面積較小，接地網基本埋設在建筑物和道路下，按照常規復合接地網設計，接地電阻值將難于滿足規程要求。

2.3.2 三維立體垂直接地網

1）垂直超深銅鍍鋼接地棒

垂直接地極的接地電阻計算公式為 Rv=ρ（ln（8L/D）-1）/2πL，可見增加垂直接地極深度可以降低接地電阻，如果將復合接地網的垂直接地極做到電阻率較低的含水層以下將會使接地電阻大大降低，同時地下深層形成的有效半球散流網就越大，散流效果越好[7]。常規采用深井接地來實現垂直接地極的加長，但是深井接地施工需要使用洛陽鏟或機械鉆孔，施工較為繁瑣，工期較長。目前有一種鋼鍍銅接地棒可以實現垂直接地極的加長，并且施工方便、高效。

銅鍍鋼接地棒由實心冷抽鋼棒，先鍍上一層鎳，再在鎳層上鍍厚度一致的銅。其強度高，適于深鉆，銅層不破裂，不脫落，耐腐蝕性能良好，施工十分方便，可手工或利用相關機械施工。

銅鍍鋼接地棒單根長度有1.2、1.5、1.8米等不同規格，通過接地棒兩端的螺紋和連接器可以方便的實現多根接地棒的連接，方便地實現垂直接地極的加長，最大可深入35米以上的地層，同時首節接地棒頭部附尖端便于深入硬的土層，施力驅動時接地棒頂部加驅動頭，接地棒的組裝示意圖如圖1所示。

圖2 垂直超深接地極組裝示意圖Fig.2 Ultra-deep vertical ground electrode assembly diagram

110 kV開發區變電站選擇直徑14.2 mm，單根長度1.5 m的銅鍍鋼接地棒，配電樓下設4根總長10.5 m的銅鍍鋼接地極，配電樓四周設9根總長25.5 m的銅鍍鋼接地極。布置垂直接地極時間距宜大于20米，可忽略接地極之間的屏蔽影響。這樣就相當于在站區布置了多個深井接地，但施工簡單、方便，根據現場的施工，若使用機械工具一根25.5 m的銅鍍鋼接地極大約半個多小時就可以完成，大大提高了施工工期。

2）水平接地體及接地體的連接

考慮戶內配電接地網后期難于改造，110 kV開發區變電站的水平接地體采用120 mm2的銅絞線。雖然接地網采用銅材一次性投資較大，但是由于銅的載流量比扁鋼大得多，其截面設計比扁鋼小許多，最主要還在于銅接地比常規采用鍍鋅扁鋼的接地網耐腐蝕性好很多。鍍鋅扁鋼在地下腐蝕速度（總厚度）為0.065 mm/年，接地網大約不到二十年就需要進行接地網改造，使得后期的改造成本較大，而對于戶內配電改造接地網的成本將更大。采用銅材有較好的耐腐蝕性，銅的腐蝕速度大約為0.02 mm/年，是鍍鋅鋼的三倍以上，其應用壽命要比扁鋼長得多。采用銅接地體可以保證接地電阻的長期穩定，提高接地網的可靠性，避免大規模接地網的開挖改造，其壽命基本可達到40年以上。

110 kV開發區變電站水平接地體采用120 mm2銅絞線按照5 m×5 m的網格布置均壓網，配電樓下的水平接地體敷設在-4.50 m土建基礎以下，然后沿土建開挖基礎上引至-0.8 m處，并與垂直超深銅鍍鋼接地極可靠連接，這就在地下深層形成了半球散流接地網，構成了變電站的三維立體接地網。

接地體的連接在接地施工中至關重要，銅絞線之間及銅鍍鋼接地極的連接采用放熱焊接，這是一種簡單而有效的連接金屬的方法，可以方便地進行銅和銅或銅和鋼的電氣連接，圖2是一字型導體對接焊示意圖。放熱焊接是利用金屬氧化—還原反應產生的高溫來完成金屬導線間的連接，焊藥腔內的焊藥經起燃藥點燃后通過鋁跟氧化銅的化學反應產生了液體銅和氧化鋁渣，氧化鋁渣浮到表面，高溫銅漿熔化鋼墊片經倒流洞流入焊腔內，將熔接點部份的導體一起熔化，冷卻后即形成了一個完整的接頭。

圖3 放熱焊接示意圖Fig.3 Schematic exothermic welding

放熱焊接使用的熔模由石墨加工而成，需要根據連接導體的型式選擇模具和焊粉，具體可以參考廠家的詳細資料，其施工過程非常簡單，可以分為4個步驟完成，施工示意如圖3所示。

圖4 放熱焊接流程圖Fig.4 Flowchart exothermic welding

第一步 去除氧化層，并將導線放入打開的模具內。

第二步 用夾具將模具夾緊，放入鋼墊片蓋住導流孔確保密封良好。

第三步 倒入焊藥，在上面灑上起燃藥。

第四步 合上頂蓋，用點火槍點燃。十秒鐘之后，再打開模具。

放熱焊接施工簡單，不需外接電源或熱源，且連接可靠，焊接點的載流能力、耐腐蝕性不受影響，焊接材料可以是銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼等?？梢钥闯?，這種焊接工藝是接地網連接的一種好方法。

2.4 接地電阻計算值

110 kV開發區變站區內（40 m×70 m）按照 5 m×5 m的網格布置水平接地體，垂直接地體為直徑14.2 mm，單根長度1.5 m的銅鍍鋼接地棒，配電樓下設4根總長10.5 m的銅鍍鋼接地極，配電樓四周設9根總長25.5 m的銅鍍鋼接地極。垂直超深銅鍍鋼接地極與水平接地體可靠連接，構成了變電站的三維立體接地網。計算整個接地網的接地電阻為0.31 Ω，滿足前面的接地電阻要求值 0.45 Ω，計算步驟如下：

單根25.5 m垂直接地極的電阻按照下式計算

其中h為電阻率為ρ1的地層厚度，本站計算取地下水深度19米，l為垂直接地體的長度（米），d為垂直接地體的直徑（米），ρ1為上層土壤電阻率，本站取 120 Ω·m，ρ2為下層土壤電阻率，本站取 30 Ω·m。

水平和垂直接地體組成的立體接地網的接地電阻為

其中R11為垂直接地體的自電阻，可近似等于垂直接地體的并聯電阻，R22為水平接地體的自電阻，R12為水平接地體和垂直接地體的互電阻，可根據下式計算。

2.5 接地裝置的熱穩定校驗

接地網布置完成后需要對接地體的熱穩定進行校驗，保證接地網的安全可靠。根據熱穩定條件，未考慮腐蝕時，接地線的最小截面應符合/c，這里的Ig對有效接地系統應為按照遠期系統規劃計算的最大接地短路電流，本站為15.72 kA，te取 1 s。

經計算接地線的最小截面Sg≥74.90 mm2。接地網按使用壽命50年，腐蝕速度0.02 mm/年考慮，接地線的最小截面應不小于91.02 mm2，水平接地體選擇120 mm2銅絞線可以滿足要求。

3 結 論

隨著市政部門對城區變電站美觀性和占地面積的要求，使得變電站的接地問題越來越突出，采用常規的接地方法很難滿足規程的要求。110 kV開發區變電站采用的超深垂直接地極三維立體接地網是一種可行的變電站接地解決方案，特別適用于城區變電站，下層土壤電阻率較小的地區或著是地下水位較淺的地區效果明顯，對于其他的接地網設計也有一定的借鑒意義。

[1]李景祿，胡毅，劉春生.實用電力接地技術[M].北京：中國電力出版社，2002年.

[2]渭南供電局110 kV開發區變電站配電樓巖土工程勘察報告（詳勘）[M].陜西：陜西地礦第二工程勘察院，2010.

[3]水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1989.

[4]陳嘉斌.接地技術與裝置[M].北京：中國電力出版社，2003.

[5]渭南地區“十二五”110 kV電網系統設計[M].陜西：陜西省電力設計院，2010.

[6]電力工業部電力科學研究院高壓研究所.DL/T 621-1997.交流電氣裝置的接地[S].北京：中國電力出版社，1997.

[7]潘東華.變電站三維立體接地網技術的應用分析[J].上海電力，2004（4）:248-250.

PAN Dong-hua.Dimensionalsubstation grounding grid technology analysis[J].Shanghai Electric Power，2004 （4）:248-250.