變電站站內短路情況下避雷線分流系數計算

常阿飛 王 鵬 韓英杰 劉澤輝

變電站站內短路情況下避雷線分流系數計算

常阿飛1王 鵬1韓英杰2劉澤輝3

（1.國家電投集團河南電力有限公司技術信息中心，河南 鄭州 450001；2.國家電投集團河南電力有限公司，河南 鄭州 450000；3.國網河南電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052）

在對發電廠和變電站的接地網進行設計時，需要對入地故障電流進行校驗，而避雷線分流系數是確定接地網目標電流的基礎數據。目前，接地設計規程僅給出了每個檔距內導線參數和桿塔接地電阻相同的情況下分流系數的計算方法，當出線各級桿塔接地電阻不同時，無法準確計算避雷線分流系數。本文以變電站站內短路情況為例，給出基于圖論的回路電流法計算避雷線分流系數的模型和方法。通過與實測數據比較表明本文計算方法計算精度較高，且采用矩陣形式，易于編程實現和推廣應用于更復雜的多電源供電變電站。

分流系數；地電位升；變電站內短路；圖論；回路電流法

發電廠和變電站發生短路故障時，其故障電流Imax分為3個部分：經過接地網直接入地短路電流IG，流經發電廠、變電站接地中性點的最大短路電流In和經過避雷線和桿塔系統分流的電流Ik。

直接接地系統中，發電廠和變電站的接地網在設計時需要保證接地網的目標值RG≤2 000/IG［1］，其中R為考慮季節變化的最大接地電阻（Ω），IG為經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值（A）。目前，避雷線和桿塔系統分流的電流Ik根據經驗選定［2］，不能準確計算經接地網入地的最大接地故障不對稱電流。GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》給出了每個檔距內導線參數和桿塔接地電阻相同的情況下，站內短路和站外短路情況下故障分流系數的計算方法。雖然此種方法模擬了桿塔接地對零序電流的分流情況，但實際每個檔距內桿塔接地電阻不同，仍無法準確計算最大入地故障電流。

圖1 站內短路時分流電流模型

圖2 站內短路時等效樹圖

在實際的電力系統中，短路故障分為站內短路和站外短路，站內短路對于站外短路來說對變電站的運行具有更大的危害，更容易引起事故。本文以站內短路為例，基于圖論的回路電流法，對變電站內發生故障時的避雷線分流系數進行計算，給出矩陣形式的接地網計算公式，并進行計算精度驗證。

1 變電站分流系數的定義

電力系統接地故障可以分為站內接地和站外接地，由于站內接地對整個變電站的運行具有更大的危害，本文以站內接地故障為例進行分析。

變電站內發生故障接地時，最大短路電流Imax由3部分組成：

分流系數包含避雷線分流系數和接地網分流系數兩個概念，IEEE和國內相關標準中定義的為避雷線的分流系數［1］如下：

2 基于圖論的接地網分流系數計算方法

在變電站內發生接地短路故障時，最大短路電流Imax除了一部分由變壓器中性點（In）流走外，其余電流通過架空線-桿塔系統入地（Ik）及變電站接地網入地（IG）。因此，可以認為站內接地故障時，為架空地線-桿塔系統提供了Imax-In的電流源。假設共有n基桿塔參與分流，且各檔架空地線-桿塔系統中的電流方向如圖1所示。

圖1中，Imax-In為短路故障電流經變壓器中性點分流后的等效電流源；RG為變電站接地網的接地電阻，R1-Rn為各基桿塔的接地電阻；Zd1-Zdn為架空接電線的等效阻抗。

根據戴維寧等效定理，等效樹如圖2所示：

其關聯矩陣Bf、支路阻抗矩陣Zj、電壓源矩陣Us和回路電流矩陣Is分別可以表示為：

其中，Bf為n×（2n+1）階矩陣；Zj為（2n+1）×（2n+1）階對角陣；Us、Is為（2n+1）×1階矩陣。

由式（6）可以看出Is中第一個元素I0=Imax-In可作為已知量，由于本文所關注的為變電站接網的分流系數，該分流系數和Imax-In的大小無關，故令I0=1，于是有：

由回路電流法可得：

于是有：

可得避雷線分流系數為：

3 數據算例

李德超［3］和萬欣［4］給出了江西塘周、妙周110kV兩條線路參數和實測數據。塘周線、妙周線所采用的避雷線型號均為GJ-50，其內阻為3.5Ω/km，內感抗為1.5Ω/km。土壤電阻率取為400Ω·m，避雷線之間的距離4.5m，避雷線和相導線的幾何均距取5m，變電站接地電阻取0.4Ω。靠近終端塔檔距取70m。

實測數據和本文計算結果對比如表1所示：

表1 接地網分流系數對比

通過表1可以看出，本文所計算結果和現場實測結果比較吻合，塘周線誤差為0.3%，妙周線誤差為4.4%。

4 結論

①本文以變電站站內短路為例，給出了基于圖論的回路電流法的接地網分流系數計算模型。該計算模型采用矩陣形式，易于編程實現和推廣應用于更復雜的多電源供電變電站。②基于兩條實際線路，本文計算方法和實測數據計算結果進行了對比，該方法計算結果和實測數據的誤差分別為0.3%和4.4%，表明該方法計算精度較高。

［1］中國電力企業聯合會.GB 50065-2011交流電氣裝置接地設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）［S］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］李德超.變電站內接地短路時避雷線分流系數研究［D］.長沙：長沙理工大學，2009.

［4］萬欣.避雷線分流系數現場實測研究［D］.長沙：長沙理工大學，2007.

Computation of Shunt Coefficient of Grounding Grid under Short-Circuit Fault Occurred within Substation

Chang Afei1Wang Peng1Han Yingjie2Liu Zehui3
（1.SPIC Henan Electric Co.,Ltd.Technology&Information Center，Zhengzhou Henan 450001；2.SPIC Henan Electric Company Limited，Zhengzhou Henan 450000；3.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052）

In designing of the grounding grid of power station and substation,the earth diffusing short-circuit fault current need to be checked,and the shunt coefficient of grounding grid is a fundamental data.Considering the shortcircuit fault occurred within substation,a computing method based graph theory and loop current method of shunt has been given in this paper.By comparing with the date from actual test and order component method show that the method used in this paper could obtain high precision.The relationship between ground potential rise and substation grounding resistance has been studied,which could provide a reference for designing of the power station and substation.

shunt coefficient；ground potential rise；short-circuit fault；graph theory；loop current method

TM751

A

103-5168（2017）09-0138-03

2017-08-03

常阿飛（1986-），女，工程師，研究方向：高壓電氣設備故障診斷。

王鵬（1965-），男，高級工程師，研究方向：高壓電氣設備故障診斷；韓英杰（1975-），男，高級工程師，研究方向：新能源、電力市場、數字信號處理、故障分析、測控技術；劉澤輝（1987-），男，工程師，研究方向：輸變電設備外絕緣。