變電站雙層立體復合地網研究

李文杰（河南省電力勘測設計院，河南　鄭州　450007）

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變電站雙層立體復合地網研究

李文杰（河南省電力勘測設計院，河南鄭州450007）

在占地面積小的半戶內變電站設計中，常規單層地網難以滿足接地電阻及地網安全性要求。本問結合工程實際，接地材料選用銅覆鋼，遵循技術先進、造價合理、性價比最優的變電站接地網設計原則，結合常見接地網布置型式，確定了不等間距等壓縮比0.7的接地網布置方案，利用土建施工開挖條件，給出了雙層復合式接地網設計方案。采用地網安全分析軟件對本站接地網進行了安全性校驗。經計算，雙側立體復合地網滿足要求。

變電站；雙層立體復合地網

1　變電站接地技術研究概述

1.1研究接地網設計的意義

接地網是維護電力系統安全可靠運行、保障運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，從而達到抑制故障電位上升，限制跨步電勢和接觸電勢在允許范圍，控制地表電位梯度。接地網接地性能的優劣深受設計、生產部門的重視。隨著我國電網變電容量的持續增加，變電站接地網的入地短路電流逐漸增大，為確保電力系統安全運行，要求接地網接地電阻值愈小愈好。但是又面臨人均可利用耕地資源比較低的現實國情，故許多變電站選址建設時，多選擇巖土、山石較多的地方，此類地區土壤電阻率相對較高。據統計，目前在我國變電站的建設中，為維護電力系統安全可靠運行、保障人身和電氣設備的安全，用于接地網的費用占變電站總投資的比例呈上升趨勢。與此同時，隨著城市的發展，城市電網建設步伐加快，越來越多的城市中心220kV變電站正在規劃和建設，城市變一般采用全戶內或半戶內布置方式，220kV、110kV配電裝置采用GIS設備，變電站圍墻內面積遠小于普通郊區220kV變電站，從而大大增加了接地網設計的難度。我國普遍采用的計算方法越來越不能滿足設計要求。因此加強對變電站接地系統設計技術研究，在滿足變電站跨步電勢和接觸電勢在安全值內的情況下，降低接地系統投資，是十分迫切和必要的。

1.2國內外接地網設計現狀

目前，在接地系統設計方面，我國主要采用基于均勻土壤和經驗公式的簡單公式及均勻網格的方法，然而對于降低變電站接地網接地電阻沒有較好的方案，通常利用的方法主要有：①擴大接地網面積；②采用降阻劑；③增加垂直接地極的方法；以上三種經常使用的方案效果并不明顯。

而且在變電站接地網的設計、施工、驗收的過程，均以滿足接地電阻要求為主要目標，僅在設計滿足電阻值后，簡單校核變電站站址地表的接觸電勢、跨步電壓以及電位分布。國家標準《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T50065-2011）中用于接地電阻、接觸電勢和跨步電壓計算的解析計算公式，沒有考慮土壤的不均勻性。特別是對于復雜形狀的接地網，該標準只能初步估算變電站內地表面電位升的平均值，不能計算變電站內任意點的電位，無法分析變電站內任意點的接觸電勢和跨步電壓，不利于接地網的全面安全設計。隨著大容量高速計算機的發展，從70年代開始，國外開始將計算機數值計算方法引入到接地計算中來，為解決地網上土壤表面電位分布的計算問題，提供了有效的途徑。

1.3降低接地電阻設計方案

為了保證電力系統的安全可靠運行，降低變電站接地電阻，常用的解決方案由以下幾種方案：

1.3.1引外接地

在變電站主接地網區域外土壤電阻率較低的區域敷設輔助接地網，通過將主接地網與之相連接，從而實現降低接地電阻的目的。這種方案在很多地區受地理條件影響無法實現。

1.3.2增大接地網面積

在土壤條件比較均勻情況下，接地電阻跟接地網面積的平方根近似成反比，地網面積越大，其接地電阻也就越低。增大地網的面積無疑是降低接地電阻的一種行之有效的方法。但對于一些建在山區的變電站無法有效擴大其地網面積，另外對于建在市區內的變電站，通過擴大接地網面積來降低接地電阻，在技術經濟上極其不合理。

1.3.3合理利用變電站周圍自然接地體

若變電站周圍有水電站進水口攔污柵、建筑物的鋼骨架、進水閘門以及水管等具有較低接地電阻的自然接地體，在變電站接地網設計中，可考慮接地網主網連接這些自然接地體，從而降低主網的接地電阻。這種方案在技術上容易實現，并且經濟性也較好，但是，故障狀態下低電位引入、高電位引出，將會引發安全問題。

1.3.4增加地網的埋深

在同等條件下增加地網的埋深可減小接地電阻，但降阻效果一般。

1.3.5采用深井接地

土壤隨著深度的增加電阻率越來越穩定，采用接地井降低接地電阻，是一種有效解決方案，并且不受氣候和季節的影響，在城市以及山區變電站設計中可以考慮此種解決方案。

1.3.6采用局部換填低電阻土壤

土壤電阻率直接影響接地電阻。在土壤電阻率高的變電站設計中，可以采用局部換填電阻率較低的土壤或低電阻率材料的方案，從而降低接地電阻。

以上降低接地電阻的方法都有一定的局限性，在實際應用過程中可以相互配合，以獲得明顯的降阻效果。

2　接地材料選擇

由于部分工程入地短路電流也較大，接地材料的內阻可能會對接地網的安全性能產生影響，造成地電位分布不均，且電流注入點不同也會對接地網的安全性能產生影響。因此要求接地網設計需要從安全性及經濟性兩方面綜合考慮。目前常用的接地網材料主要有銅材、鋼材及銅覆鋼。

2.1熱鍍鋅扁鋼

熱鍍鋅扁鋼是目前國內使用最多的接地材料，它主要利用高溫熱浸時所形成的鋅合金層本身的防腐特征。鋼材是逐層被腐蝕，鋅的平均腐蝕率比鋼略小，在土壤中對鋼起到了一定的陰極保護作用，因此鍍鋅層有一定的抗腐蝕性，鋼材經熱鍍鋅后抗腐蝕能力有所提高。熱鍍鋅鋼在一般土壤中，年平均腐蝕厚度為0.065mm，但我國生產的熱鍍鋅層一般只有0.05～ 0.06mm，即鍍層只有一年的保護作用，且如果鍍鋅層被破壞，會造成鍍鋅鋼的點蝕就。

2.2銅絞線

銅絞線是用銅制成的多股絞線，純銅絞線柔軟易彎，單卷長度長，而銅排單根長度較短。由于銅之間連接通常采用放熱焊接，因此，銅絞線與銅排相比，能節省焊點，運輸及施工更加方便，價格也只比扁銅貴不到10%，是較好的接地導體。

2.3銅覆鋼絞線

銅覆鋼是指作為芯體的鋼表面被銅連續包覆所形成的金屬復合材料。采用銅覆鋼材料設計的變電站接地網，主要優點如下：

①電阻率小：銅覆鋼絞線可降低接地電阻，銅覆鋼的連接一般采用放熱焊接，這樣的接頭性能優于傳統銅焊以及電弧焊接頭，同時放熱焊接可確保連接件一次成型，接頭質量易控制；接頭導電性好、能耐受大電流沖擊、熱穩定性達700℃；接頭缺陷少、耐腐蝕性高。②導電特性優良：銅覆鋼材料擁有優良的導電特性，在相同疏導電流下，銅覆鋼的所需截面積比鍍鋅鋼材小很多。③耐腐蝕性強：銅作為一種耐土壤腐蝕材料，土壤中僅當含高酸性和高量時，才能使銅產生點蝕。通過增加銅層厚度，可確保銅覆鋼絞線滿足變電站接地網設計要求。④高機械強度：常規接地鍍鋅鋼入地后，表面鍍的鋅層容易掉落。然而銅覆鋼絞線銅層結合度性能優良，在與施工摩擦中不會大幅度影響接地導體的防腐性能。對三種材料優缺點的分析，銅覆鋼接地材料在導電性、熱穩定性、耐腐蝕性等主要技術參數上與銅接地材料相當，遠遠優于鋼接地材料。銅覆鋼在導電性、熱穩定性、耐腐蝕性等方面與銅相當，在全壽命周期投資上優于銅。綜合考慮推薦在變電站接地網設計中接地材料選用銅覆鋼。

3　雙層復合接地網設計

對于占地面積較小，土壤電阻率偏大的變電站，常規單層地網難以滿足接地電阻及地網安全性要求，因此提出采用雙層地網將電流引入更深層的土壤散流，可以降低接地電阻、提升地網的安全性能。以雙層地網為主的復合式地網設計方案如下：

（1）在變電站圍墻范圍內-0.8m設置一層銅覆鋼絞線水平地網，該層地網采用不等間距等壓縮比0.7布置形式；室內環網采用-70×8熱鍍鋅扁鋼，引出屋外后與-0.8m水平地網可靠連接。

（2）利用土建施工開挖條件，在生產綜合樓條基上方（高度約-4.4m）敷設一層銅絞線水平地網，該層地網通過銅覆鋼絞線引上與-0.8m層水平地網可靠連接。

（3）在-0.8m層和-4.4m層水平地網內部均勻設置垂直接地極（采用銅覆鋼棒），有助于減小地網的接地電阻和增加短路電流的泄流能力。

（4）充分利用自然接地體。生產綜合樓的基礎需要打樁，由于樁底會深入到地下較深處，可能會觸及地下水源，將樁內的鋼筋引出與接地網連接以降低接地電阻，作為輔助垂直接地極。

（5）將電纜隧道底部沿隧道敷設的接地體和電纜溝內的接地線與變電站接地網連接。由于隧道和電纜溝較長，相當于外引接地網，可有效降低接地電阻。

李文杰（1987-），女，工程師，研究生，主要從事變電站電氣設計工作。

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2095-2066（2016）13-0036-02

2016-4-10