變電站接地網地電位均壓特性及優化設計

魏春霞

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 引言

根據《交流電氣裝置接地設計規范》(GB50065－2011)，接地網的接地電阻應符合R≤2000/IG。此式的意義是要求接地網的最大地電位升不大于2kV。由于變電站內的二次設備及電纜外皮最高耐受電壓為2kV，因此若是接地網的地電位升小于2kV，那么站內電氣設備都將可靠運行。另外，在工程驗收中，普遍要求變電站接地網的接地電阻要小于0.5Ω。這是由于在建國初期，電力系統裝機容量比較小，短路電流一般不大于4000A，因此以0.5Ω作為驗收標準。隨著電力系統的發展，短路電流不斷增大及變電站位置都處于土壤條件不好的地區，地電位升遠大于2kV，接地電阻也很難達到 0.5Ω［1］。

基于此，為了保證接地網的可靠性，有必要對其地電位分布進行研究，盡可能的均衡地電位分布，使其盡可能成為一個等勢體，從而保證站內設備及工作人員的安全。本文對地電位分布均勻程度以電位變化百分比做為衡量標準，見式(1):

其中，U%為電位變化百分比;Umax對應最大地電位升;Umin對應站內最小地電位升。二者之差為變電站內最大電位差。

2 接地網地電位分布特性

本文采用CDEGS軟件中的MALZ模塊對接地網地電位分布特性從接地材料、布置方式及土壤電阻率方面進行研究［2］。

2.1 接地材料對地電位分布的影響

不同的金屬有不同的電阻率和磁導率，導致它們的散流能力和互相之間的屏蔽效果存在差異。對具有不同的電阻率和磁導率的金屬的同一接地網的電位分布不均勻性計算如表1所示。

由此可知，電位變化百分比隨著電阻率和磁導率的增大而增大，而且電阻率的變化是引起電位變化百分比的主要原因。接地體的材料一般采用銅、銅包鋼或鍍鋅扁鋼，三者的均壓效果依次降低。

表1 導體材料對地電位分布的影響

2.2 布置方式對地電位分布的影響

接地體的主要作用是將短路電流釋放到大地中去，由于接地體相互之間的屏蔽作用導致接地體布置的密集處單位長度接地體的散流能力減弱，因此大部分電流都從接地網的邊緣流入大地，在變電站的邊緣處造成了極大的電位差，威脅著工作人員的生命安全。為減少由于接地體布置方式所引起的電位差，應對接地體的數量及間距進行校驗。密集布置時導體間距為10m，稀疏布置時22根導體均勻布置。

表2 導體材料對地電位分布的影響

由此可知，導體布置得越密集地電位分布越均勻，經研究發現雖然在密集布置的情況下導體單位長度散流量減少了，但是由于導體數量的增多導致整體散流量增加，接地網邊緣的散流量減少，從而提高了地電位分布的均勻性。電位變化百分比隨著接地體的數量增加而減小，但接地體的數量增加到足夠多時均壓特性就不明顯了。因此，在進行工程設計時首先要結合當地的土壤條件、接地網面積對接地體數量進行校驗。以電位變化百分比最小為原則確定接地體數量。

接地網的傳統布置方式都是等間距布置接地體，一般不超過10m。在等間距布置方式下接地網地電位分布情況如圖1所示。

短路電流一般都是從接地網的中心地帶流入大地，而接地網中心地帶的接地體布置的也是最為密集。因此接地網中心網孔接地體之間屏蔽作用較大，電位分布很均勻;但邊緣網孔由于外緣是大地，沒有接地體限制其散流，因此在邊緣網孔處會泄放大量的電流，導致較大的電位差。

為了減少中心接地體之間的屏蔽作用，將接地導體以不等間距布置。即增大接地網中心網孔的距離，減小接地網邊緣網孔的距離，從而使得各段接地體的散流更加均勻。對相同的接地網采取等間距和不等間距方式布置仿真結果如圖2所示。

圖2 等間距布置與不等間距布置比較

采用不等間距布置方式布置后，不僅最大電位差變小了，而且地電位的分布更加的均勻。

2.3 土壤電阻率

對不同土壤電阻率條件下的接地網計算后發現，土壤電阻率越大接地網的均壓性越好。大土壤電阻率有一定的隔離作用，可以削弱導體之間的屏蔽作用，從而均衡地電位分布。對同一接地網在不同土壤電阻率條件下計算圖3。

雖然高土壤電阻率有一定的均壓效果，但是會相應的提高地電位升，導致接地網中最大地電位升和最小地電位升差值增大。因此，在做接地設計中應從降阻與均壓兩方面入手來提高接地網的安全性能。

圖3 土壤電阻率對地電位分布的影響

3 接地網優化設計

以均勻接地網地電位分布為原則對接地網進行優化設計，主要是根據接地網的規模(接地網面積、接地體數量)及土壤條件對接地網進行不等間距布置。在文獻［3］中，提出了一種接地網不等間距布置方式。筆者認為，不等間距布置方式應結合實際的工程情況，而不是一成不變的。用壓縮比C來表示接地網不均勻布置程度，見式(2):

其中，dn為n級網孔的間距;C為壓縮比;dmax為地網中心網孔的間距。接地網優化設計就是以最小電位變化百分比為目標，選擇最優的壓縮比。對某一接地網，在導體數量不變的情況下改變其壓縮比，計算其最大電位差，如圖4所示。

圖4 壓縮比與最大電位差的關系

由上圖可知，最大地電位差隨著壓縮比的增加先減小后增加。對于本接地網，0.8是其最優壓縮比。繼續降低其壓縮比，接地網中心網孔較大，接地體布置較稀疏，接地體之間的屏蔽作用很弱。相反，邊緣網孔很小，接地體布置很密集，接地體之間的屏蔽作用很強。因此，最大地電位差隨著壓縮比的減少而增大，最大地電位差也由接地網邊緣網孔轉移至中心網孔。

4 結論

變電站接地網很多都處于山區等土壤環境不好的地方，造成接地電阻遠大于規范要求。在這種情況下如果只采用降阻的方式來提高接地網的可靠性勢必會增加經濟投入。筆者認為，接地設計的目標是將接地網的最大地電位差降低到一個安全的范圍內。因此，在接地網設計中應加大對接地網均壓的研究，采用最優壓縮比以不等間距方式來布置接地網。

［1］方靜，陳海炎.變電站接地的現狀及相關設計技術的探討［J］.華東電力，2009，37(12):2011－2015.

［2］李景祿.接地裝置的運行與改造［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［3］GB50065－2011.交流電氣裝置接地設計規范［S］.

［4］王洪澤，楊丹，王夢云.電力系統接地技術手冊［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［5］陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M］.重慶:重慶大學出版社，2002.

［6］郭振威，羅慶躍，袁旭龍，等.CDEGS在復雜大型接地網優化設計中的應用研究［J］.湖南電，2010，30(2):4－8.