220 kV變電站接地系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)化分析

杜商安，丁子嫻，楊建華

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院,石家莊 050031；2,國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051)

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220 kV變電站接地系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)化分析

杜商安1，丁子嫻1，楊建華2

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院,石家莊 050031；2,國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051)

以某220 kV變電站為例，結(jié)合該變電站內(nèi)各電壓等級的短路電流水平、系統(tǒng)中性點接地方式及保護配置存在差異的特點，將變電站內(nèi)接地系統(tǒng)分區(qū)建設(shè)，實現(xiàn)接地系統(tǒng)的精細化設(shè)計。將傳統(tǒng)接地系統(tǒng)設(shè)計方案與優(yōu)化后的設(shè)計方案進行對比，結(jié)果表明優(yōu)化后的設(shè)計方案能夠節(jié)省接地材料、降低投資成本。

接地系統(tǒng)；地網(wǎng)布置；精細化設(shè)計

1 概述

變電站的接地系統(tǒng)是變電站設(shè)計的重要部分，接地系統(tǒng)合理與否關(guān)系著站內(nèi)設(shè)備壽命和運行維護人員的生命安全。目前變電站內(nèi)接地系統(tǒng)的設(shè)計大都比較保守，設(shè)計思路過于粗放，提高了接地系統(tǒng)工程造價。

以下將以某220 kV變電站為例，在保障接地系統(tǒng)安全的前提下，介紹變電站接地網(wǎng)精細化設(shè)計。規(guī)劃規(guī)模：3×180 MVA主變壓器，220 kV出線4回，110 kV出線12回，35 kV出線12回。變電站圍墻內(nèi)占地1.89公頃。變電站系統(tǒng)遠景年(2025)，短路電流周期分量起始有效值：220 kV對稱接地短路為39.10 kA；220 kV不對稱接地短路42.22 kA；110 kV對稱接地短路24.55 kA；110 kV不對稱接地短路27.67 kA。

根據(jù)站址土壤勘測報告，站址區(qū)淺部地層巖性以第四系沖洪積成因的粉土及砂土為主，土壤具有中度腐蝕性，本站接地材料采用扁紫銅。

2 傳統(tǒng)接地系統(tǒng)設(shè)計方案

傳統(tǒng)接地系統(tǒng)設(shè)計，選擇站內(nèi)遠景年最大短路電流作為全站故障電流，以后備保護時間作為故障電流持續(xù)時間，具體方案如下。

2.1 短路電流穩(wěn)定值的確定

GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》 附錄E，表E.0.2-1規(guī)定有效接地系統(tǒng)流過接地線的短路電流穩(wěn)定值選擇：三相同體設(shè)備應(yīng)選擇單相接地故障電流；三相分體設(shè)備應(yīng)選擇單相接地或三相接地流過接地線的最大接地故障電流[1]。

由短路電流周期分量起始有效值可知，220 kV系統(tǒng)短路水平最大，且設(shè)備為分體設(shè)備，故短路電流穩(wěn)定值采用42.22 kA。

2.2 故障電流時間確定

根據(jù)《電氣工程設(shè)計手冊電氣一次部分》要求，切除故障電流的時間：

t=繼電保護主保護動作時間(s)+斷路器全分閘時間(s)+(0.3～0.5 s)

220 kV變電站主保護動作時間約為15～20 ms，斷路器開斷時間按50 ms考慮，考慮一定裕度，t值按0.65 s進行計算。

2.3 接地材料截面的確定

根據(jù)熱穩(wěn)定條件，要求接地導體的最小截面積S應(yīng)符合下式：

(1)

由2.1知Ig=42 220 A, 由2.2知te=0.65 s,銅材的C值為210；

可得Sg=162.1 mm2,考慮銅地網(wǎng)腐蝕0.02 mm/a，地網(wǎng)設(shè)計壽命為40 a，接地引下線的截面不小于197.4 mm2，選擇40 mm×5 mm扁紫銅。

根據(jù)GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第4.3.5條規(guī)定：在有效接地系統(tǒng)及低電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)電廠和變電站電氣裝置中電氣裝置接地導體(線)的截面，應(yīng)按接地故障(短路)電流進行熱穩(wěn)定校驗。接地裝置接地極的截面，不宜小于連接至該接地裝置的接地導體(線)截面的75%。結(jié)合銅排規(guī)格，站內(nèi)設(shè)備、支架引下線選擇40 mm×4 mm扁紫銅。

2.4 接地網(wǎng)的布置

站內(nèi)主接地網(wǎng)采用等距地網(wǎng)，采用12 m×12 m的網(wǎng)格，地網(wǎng)外邊緣距圍墻1 m，地網(wǎng)的四角采用圓弧過渡，將降低地網(wǎng)邊緣的跨步電壓及接地電勢。主接地網(wǎng)本期一次性建成，并建設(shè)本期設(shè)備及構(gòu)支架引下線，經(jīng)計算所需接地材料見表1。

表1 傳統(tǒng)方案接地材料統(tǒng)計

名稱規(guī)格/mm長度/m主接地網(wǎng)40×43500設(shè)備及構(gòu)支架引下線40×54500

3 接地系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路為， 220 kV變電站內(nèi)各配電裝置的短路電流水平不同，且中性點接地方式與保護配置不一樣，因此考慮將變電站接地網(wǎng)分區(qū)域建設(shè)，以達到節(jié)省投資的目的[2-5]。考慮到主變壓器為重要設(shè)備，將其歸于220 kV配電裝置區(qū)，變電站接地分區(qū)統(tǒng)計情況見表2。

表2 變電站接地分區(qū)統(tǒng)計情況

區(qū)域編號區(qū)域范圍面積I220kV及主變壓器區(qū)0.84(44%)II110kV配電裝置區(qū)0.56(30%)III35kV及站前區(qū)0.49(26%)

3.1 短路電流穩(wěn)定值的確定

I、II區(qū)短路電流穩(wěn)定值的確定，根據(jù)GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》附錄E，表E.0.2-1規(guī)定，站內(nèi)I、II區(qū)內(nèi)短路電流穩(wěn)定值分別為42.22 kA和27.67 kA。

III區(qū)故障電流穩(wěn)定值的確定，GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第4.3.5條規(guī)定：校驗不接地、諧振接地和高電阻接地系統(tǒng)中，電氣裝置接地導體(線)在單相接地故障時的熱穩(wěn)定，敷設(shè)在地上的接地導體(線)長時間溫度不應(yīng)高于150 ℃，敷設(shè)在地下的接地導體(線)長時間溫度不應(yīng)高于100 ℃。

中性點不接地系統(tǒng)，單相接地系統(tǒng)允許繼續(xù)運行不超過2 h，單相接地故障電流為相電容電流的3倍。本站低壓35 kV出線均為電纜出線，《電氣工程設(shè)計手冊電氣一次部分》公式：

Ic=0.1UeL

(2)

式中：Ic為電纜線路的電容電流，A；Ue為系統(tǒng)的額定電壓，kV；L為電纜線路的總長度，km。

35 kV側(cè)每段母線考慮帶出線8回，單回出線長度1.5 km考慮，則

Ic=0.1*35*8*1.5=46.2 A

考慮變電站電容電流附加值13%，則Ic=52.2 A,故III區(qū)故障電流穩(wěn)定值Ig=3Ic=156.6 A。

3.2 故障電流時間確定

GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》附錄E規(guī)定變電站的繼電保護裝置配置有2套速動主保護、近接地后背保護斷路器失靈保護和自動重合閘時：

te=tm+tf+t0

(3)

式中：tm為主保護動作時間，s，tf為斷路器失靈保護動作時間，s，t0為斷路器開斷時間，s。

變電站的繼電保護裝置配置有1套速動主保護、近或遠(或遠近結(jié)合的)后備保護和自動重合閘，有或無斷路器失靈保護時：

te=t0+tr

(4)

式中：tr為第一級后備保護的動作時間，s。

220 kV系統(tǒng)采用2套速動主保護，切除故障電流的時間te按式(3)計算。主保護動作時間約為15～20 ms，斷路器失靈保護動作時間約為0.3 s，斷路器開斷時間目前暫按50 ms，因此，切除故障電流的時間te約為0.37 s，考慮一定的裕度，按0.4 s進行計算。

110 kV系統(tǒng)采用1套速動主保護，切除故障電流的時間te按式(4)計算。斷路器開斷時間取50 ms，第一級后備保護的動作時間取0.5 s，因此，切除故障電流的時間te為0.55 s，考慮一定的裕度，按0.6 s進行計算。

3.3 接地材料截面的確定

a. I區(qū)接地材料截面選擇

要求接地導體的最小截面積S應(yīng)符合式(1)，由3.1可知Ig=42 220 A, 由3.2得te=0.4 s,銅材的C值為210；可得Sg=127.5 mm2,考慮銅地網(wǎng)腐蝕0.02 mm/a，地網(wǎng)設(shè)計壽命為40年，接地引下線的截面不小于162.1 mm2，選擇40 mm×5 mm扁紫銅。按照 GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第4.3.5條規(guī)定，I區(qū)主接地網(wǎng)選擇40 mm×4 mm扁紫銅。

b. II區(qū)接地材料截面選擇

接地導體的最小截面積S應(yīng)符合式(1)，由3.1知Ig=27 670 A, 由3.2得te=0.6 s,銅材的C值為210；可得Sg=102.1 mm2,考慮銅地網(wǎng)腐蝕0.02 mm/a，地網(wǎng)設(shè)計壽命為40年，接地引下線的截面不小于136.2 mm2，選擇40 mm×4 mm扁紫銅。按照 GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第4.3.5條規(guī)定，II區(qū)主接地網(wǎng)選擇40 mm×3 mm扁紫銅。

c. III區(qū)接地材料截面的選擇

當按 70 ℃的允許載流量曲線選定接地線的截面時對于敷設(shè)在地上的接地線，應(yīng)采用流過接地線的計算用單相接地故障電流的 60% ；對于敷設(shè)在地下的接地線，應(yīng)采用流過接地線的計算用單相接地故障電流的75% 。

由3.2結(jié)論，引下線通過的故障電流為Ig=156.6*0.6=94 A,主接地網(wǎng)通過的故障電流為Ig主=156.6*0.75=117.5 A，根據(jù)銅排的載流量可知III區(qū)引下線和主接地網(wǎng)均可選用最小規(guī)格的銅排15 mm×3 mm扁紫銅即可。

優(yōu)化方案接地材料截面選擇見表3。

表3 優(yōu)化方案接地材料統(tǒng)計

配電裝置區(qū)域主接地網(wǎng)/mm引下線/mmI40*440*5II40*340*4III15*315*3

3.4 接地網(wǎng)的布置

接地網(wǎng)的布置同原設(shè)計方案，各配電裝置區(qū)接地材料使用量見表4。

表4 優(yōu)化方案變電站接地材料統(tǒng)計

配電裝置區(qū)域主接地網(wǎng)型號/mm長度/m主接地網(wǎng)型號/mm長度/mI40*4150040*52000II40*3100040*41500III15*3100015*31000

4 方案比較

加拿大CDEGS軟件的計算結(jié)果顯示，接地材料截面的變化，對變電站內(nèi)接地電阻、跨步電壓、接觸電勢均等電氣參數(shù)均不產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)方案與優(yōu)化方案的垂直接地極及熱熔焊點的量均一致，對優(yōu)化前后所采用的接地材料及施工費用進行比較：傳統(tǒng)方案銅接地材料及安裝費用合計為106.37萬元，優(yōu)化方案為86.76萬元，投資節(jié)省19.60萬元，節(jié)約比例達到18.43%。

5 結(jié)束語

利用220 kV變電站不同配電裝置短路水平不同、且故障電流持續(xù)時間不同的特點，將接地網(wǎng)分區(qū)優(yōu)化設(shè)置，能顯著節(jié)約投資成本，避免資源浪費，具有積極的社會意義。變電站占地面越大，優(yōu)化方案的優(yōu)勢越明顯，以上優(yōu)化方案文對220 kV以上高電壓等級變電站具有一定的借鑒作用。另外，隨著短路電流水平提高，一些變電站接地網(wǎng)不滿足熱穩(wěn)定的要求，建議地網(wǎng)改造時，分區(qū)考慮，精細化設(shè)計，在滿足接地要求的前提下，減少改造工作量，降低投資成本。

[1] GB/T 50065-2011,交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S].

[2] DL/T 5222-2005,導體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[3] 電力工程電氣設(shè)計手冊-電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，1984.

[4] 許 穎.中性點不接地和消弧繞組接地電力系統(tǒng)中單相接地引發(fā)相問短路的探析[J].上海電力,2004,12(3):212-215.

[5] 劉延慧.淺談變電站接地電阻與接地網(wǎng)設(shè)計[J].學術(shù)研究,2010,12(10):266-267.

本文責任編輯：楊秀敏

Optimization Analysis on Design of 220 kV Substation Grounding System

Du Shangan1，Ding Zixian1，Yang Jianhua2

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031,China;2.State Grid Hebei Electric Power Company Shijiazhuang Power Supply Branch, Shijiazhuang 050051,China)

Taking a 220 kV substation as an example,with the differences among the short-circuit current levels,system neutral piont treatment and the protection configurating of 220 kV substation,partition constructed on the grounding system,realize the fine design of grounding system,saving grounding material, saving the cost of investment.

grounding system; layout of grounding grid layout ;detailed design

2016-04-19

杜商安(1983-)，男，工程師，主要從事變電站電氣一次設(shè)計工作。

TM63，TM76

B

1001-9898(2016)05-0042-03