考慮故障短路電流分布的納米碳纖維材料接地特性

何智強，李欣，俞乾，王麗蓉，王羽

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考慮故障短路電流分布的納米碳纖維材料接地特性

何智強1，李欣1，俞乾2，王麗蓉3，王羽4

(1. 國網湖南省電力有限公司 電力科學研究院，湖南 長沙，410007；2. 國網永州供電分公司，湖南 永州，425000；3. 國網湖南檢修公司，湖南 長沙，410007；4. 武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢，430072)

為分析非金屬材料接地網的電氣性能和熱穩定性能，提出一種納米碳纖維接地材料半徑的等效方法及地網性能評估方法。首先建立納米碳纖維接地網評估流程，然后從導體截面積選擇與等效、入地短路電流的計算及其對接地參數計算的影響、地電位升高幅值、地電位分布這4個方面分析納米碳纖維接地網的安全評估方法，并從接觸電位差、跨步電位差、地電位升高幅值等角度對比分析納米碳纖維接地材料與傳統金屬接地材料的散流性能。研究結果表明：納米碳纖維材料應用于變電站地網是可行的，并可為非金屬材料大型接地網性能評估提供參考。

短路電流分布；納米碳纖維材料；熱穩定；接地特性

目前，國內外接地網普遍采用金屬接地材料，其長時間運行后存在腐蝕問題，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行，因此，非金屬接地材料成為電力系統接地領域研究的熱點，研究非金屬材料接地網的特性成為其現場應用亟待解決的問題。近年來，不少學者針對非金屬接地材料開展了大量研究。胡元潮等[1]研究開發了一種應用于桿塔接地網的柔性石墨復合接地材料，該材料在土壤電阻率大于100 Ω·m時的桿塔接地網工頻接地電阻與相同條件下錳銅和鋼材的接地電阻非常接近，已成功運用于江西某110 kV擴建線路。非金屬接地材料電氣參數、熱穩定性能與金屬接地材料不同，其安全性評估方法也與金屬接地網類型有較大關系。胡元潮[2]研究了柔性石墨復合接地材料在電力系統中的應用，分析計算了不同條件下石墨復合接地材料在發變電站接地網應用的接地參數，但未進行電氣參數和熱穩定性評估。顧安妍[3]研究了膨脹石墨材料的導電性能，但未研究其散流特性、抗腐蝕性能。唐平等[4]研究了接地網材料的防腐涂層特性，但只針對材料的防腐特性進行了研究，未對添加涂層后的導體材料的整體散流特性、地網電氣性能特性進一步分析。李俊峰等[5]研究了傳統接地模塊在線路桿塔接地網的選型原則及施工關鍵技術，從降阻角度分析了接地模塊的功能，但未開展地網特性參數評估。李謙 等[6?7]對傳統接地材料的地網特性進行了評估，但傳統接地除材料除運輸及施工難度大、易發生偷盜現象外，其最大的瓶頸問題是接地材料的腐蝕。實際運行經驗表明，扁鋼以及鍍鋅鋼接地材料腐蝕較快，一般運行3~7 d即發生嚴重腐蝕，且隨著土壤中Cl?濃度的增加，腐蝕加重。為此，本文立足于接地工程對非金屬接地材料的實際需求，對納米碳纖維接地材料的接地特性與影響因素進行研究。

1 納米碳纖維接地材料基本特性

1.1 納米碳纖維接地網評估流程

納米碳纖維材料采用碳纖維與石墨作為主要導電基體，其電阻率可達到10?6~10?5Ω·m級別，與鋼接地材料相差1~2個數量級，抗腐蝕性能良好。根據其成型工藝，一般可分為編織型和硬質型，前者導體空隙較大，電阻率比后者略高。納米碳纖維材料近年來已經在輸電線路桿塔接地網中得到應用[2]。當納米碳纖維應用于變電站接地網時，應進行接地網的設計與評估，其評估流程如圖1所示。

納米碳纖維材料應用于變電站接地網的具體評估流程如下。

1) 將截面積為矩形的納米碳纖維材料接地網等效為圓柱形的導體，根據初始設計的接地網建立接地網模型。

2) 根據實際發變電站的土壤電阻率測試結果建立土壤模型。

3) 計算站內、站外短路這2種情況下短路電流的分布情況。

4) 若所有接地參數都滿足要求，則納米碳纖維接地網的設計合理，否則需更改接地網的設計方案，直到所有接地參數指標都滿足要求為止。

1.2 導體截面積的選擇與等效

按GB 50065—2011“交流電氣裝置的接地設計規范”規定，不考慮腐蝕和散熱影響，且當流過接地網的最大短路電流穩態值為g時，接地導體的最小截面積g為[8]

圖1 納米碳纖維接地網的評估流程

式中：為納米碳纖維材料的熱穩定系數；g為總故障電流；e為短路電流持續時間。接地網的接地導體在短路故障發生時起到橫向疏散短路電流的作用，當短路電流從接地導體的中間部分流入時，每根導體最大承受的電流為總短路電流的0.5倍。考慮一定的安全裕度，g取總短路電流的0.75倍。

假設圓柱形電極位于無限大均勻媒介中，土壤電阻率為，導體的半徑為，長度為，圓柱導體流散的電流為，忽略端部效應引起的散流不均勻性，采用中點電位法可得圓柱導體的電位為[9]

式中：為納米碳纖維材料的寬度。忽略納米碳纖維材料的厚度，用無窮多根長導線等效納米碳纖維材料，則每根細導體流散的電流為(/)d(其中d為距離)，則每根長納米碳纖維導體距離軸線處的電位V也可采用中點電位法求得：

對比式(2)與(4)可得等效半徑為

2 短路電流分布對納米碳纖維接地網接地特性參數的影響

系統發生接地短路時，總的短路電流分為入地短路電流、回流電流和分流電流。由于納米碳纖維材料的內自阻抗較大，因此，與金屬接地材料相比，短路電流對接地網電位分布不均衡度的影響更明顯。為此，在評估納米碳纖維接地網的接地性能時，需要分析短路電流分布對各個接地參數的影響。

2.1 接地網的短路電流分布

當架空地線或者電纜外皮和接地網相連時，若系統發生不對稱接地短路故障，則總的短路電流會通過架空地線和電纜外皮分流，使得通過地網入地的短路電流幅值降低。站內短路時短路電流分流情況見圖2。

圖2 站內短路時短路電流分流情況

總短路電流f中，由變電站提供的短路電流部分經過接地網直接流回電源中性點，即回流電流Z，而由系統提供的短路電流S一部分即分流電流B1經過架空地線和桿塔接地電阻(或者電纜外皮)流回系統，另一部分即入地短路電流D通過接地網入地返回系統。站外短路時短路電流分流情況見圖3。

圖3 站外短路時短路電流分流情況

總短路電流f中，由系統提供的短路電流S經過架空線和桿塔接地電阻直接返回系統，變電站提供的短路電流Z一部分即分流電流Bn通過架空線返回變電站的接地網，流過接地網再返回電源中性點，另一部分即入地短路電流D通過架空線和桿塔接地電阻返回變電站接地網再流回電源中性點。

一般地，回流電流和分流電流相對于入地短路電流往往更大，不能忽略回流電流和分流電流對接地參數的影響。另外，對于某些電站，站外接地短路的入地短路電流比站內接地短路時的電流大，但站外接地短路的分流電流比站內短路時的回流電流和分流電流小，因此，在計算接地網各特性參數的最大值時，需分別計算站內和站外接地短路故障時的接地網各特性參數。通過ATP-EMTP對系統進行仿真，可計算站內、站外不對稱短路時的短路電流分布[10]。

2.2 考慮短路電流分布的接地參數計算方法

接地網工頻接地參數計算可采用場路結合的方法，對于整個接地網，可得[11]

式中：為注入電流矩陣；為互阻抗矩陣；為節點導納矩陣；為節點電壓矩陣；為系數矩陣。

圖4(a)和4(b)所示分別為考慮最嚴格情況時的站內、站外短路示意圖。圖4(a)中，將入地短路電流、分流電流和回流電流的注入點取為接地網的邊角。圖4(b)中，將變電站提供的短路電流的注入點和分流電流的流出點分別取為接地網相對的邊角。若只考慮入地短路電流的影響，則矩陣注入點的電流為正的入地短路電流，其余節點電流為0 A(其他點未注入電流)；當站內短路時，若考慮回流電流和分流電流的影響，則回流電流和分流電流注入點的電流分別為正的回流電流和分流電流。當站外短路時，回流電流和分流電流流出點的電流分別為負的回流電流和分流電流。

(a) 站內短路；(b) 站外短路

3 考慮短路電流分布的納米碳纖維接地參數計算

納米碳纖維接地網安全性能的評估包括人身安全和設備安全2個方面。以往計算接地網的地電位升高和電位分布時，采用的計算電流為最大入地短路電流，忽略了回流電流和分流電流的影響。對于高電阻率的納米碳纖維材料，該方法顯然不合理。這里詳細分析納米碳纖維接地網的地電位升高幅值和電位分布的計算和評估方法。

3.1 考慮短路電流分布的接地網地電位升分析

威脅二次電纜和繼電器絕緣的主要是接地網的網內電位差。研究表明，網內電位差與地電位升高幅值的比值一般不超過40%，在二次設備中，工頻耐壓強度最低約為2 kV[12?17]，為此，地電位升高幅值可以從規定的2 kV提高到5 kV。GB 50065—2011“交流電氣裝置的接地設計規范”規定，當發變電站的地電位升高幅值無法滿足2 kV的要求時，若接地網采用合適的綜合保護隔離措施防止高電位引出、地電位引入，同時電位分布滿足網內電位差、接觸電位差和跨步電位差的要求，并保證地電位升高不會反向擊穿10 kV避雷器，則地電位升高幅值可以提高到5 kV，并可進一步提高，接地電阻也可進一步增大[18]。由此可以看出：在地電位隔離措施和均壓措施滿足要求的前提下，允許的最高地電位幅值可升高至10 kV避雷器的動作電壓。

圖5所示為地電位反擊10 kV避雷器的示意圖，其中，sa，sb，sc分別為10 kV系統a，b和c三相電壓，B為避雷器和變壓器的對地電容之和，L為10 kV電纜的對地電容，g為發變電站的接地電阻，GPR為計及暫態效應時接地網的地電位升高幅值(包含衰減的直流分量和交流分量)。另外，設s為10 kV避雷器所連接線路的相電壓，b為6~10 kV避雷器的1 s工頻耐受電壓。

保證6~10 kV避雷器不動作的最高地電位升高幅值GPR為

當避雷器兩端的電壓大于其1 s工頻耐受電壓時，避雷器動作，同時地電位幅值也會通過避雷器的對地電容L對10 kV母線充電，從而大大減小避雷器兩端的電壓。此外，地電位幅值中的直流分量衰減較快，在0.2 s內將很快衰減到0 A。因此，在實際暫態過程中，按式(7)計算得到的允許地電位升高幅值將低于實際允許的地電位升高幅值[19]。

當納米碳纖維接地網的地電位升高幅值無法滿足要求時，需要采取相應的措施控制地電位升高幅值。主要措施包括2個方面：一方面是降低納米碳纖維接地網的接地電阻；另一方面，通過減小入地短路電流來控制地電位升高幅值。減小入地短路電流措施較可行的方式包括降低避雷線阻抗和中性點加裝小電抗接地這2種方法[20]。

3.2 考慮短路電流分布的接地網網內電位差分析

納米碳纖維材料由于電阻率偏高，接地網電位不均衡的問題比金屬接地網更為嚴重，所以，回流電流和分流電流對網內電位差的影響不能忽略。

對于矩形水平接地網，當分流電流和回流電流流經接地網時，由于電流流出接地網和流回接地網的路徑是對稱的，所以，接地網的對角線與無窮遠處等電位為零電位線。當入地短路電流從接地網流到無窮遠處時，其流過接地網所產生的最大網內電位差應該是同樣大小的回流電流和分流電流在接地網上產生的最大網內電位差的一半左右，如圖6所示(其中，B1為分流電流，Z為回流電流)。

圖6 分流電流和回流電流示意圖

假設入地短路電流D在接地網邊角注入時引起的最大網內電位差為D，則同時考慮入地短路電流D、回流電流Z和分流電流B1所產生的最大網內電位差為

二次設備工作電壓較低，設備的絕緣強度較弱，當短路故障發生時，二次設備絕緣兩端將承受接地網上的不均衡電壓即網內電位差。研究表明，二次設備中光隔離芯片和微機保護裝置的工頻耐受電壓最低，均為2 kV左右，為此，要求納米碳纖維接地網的最大網內電位差控制在2 kV以內。

3.3 考慮短路電流分布的接觸電位差和跨步電位差

在有效接地系統中，對于納米碳纖維接地網計算得到的最大接觸電位差t和跨步電位差s，GB 50065—2011“交流電氣裝置的接地設計規范”規定，其值要小于以下兩式的計算值：

4 計算實例

以長×寬為100 m×100 m的接地網為例，網孔長×寬為10 m×10 m，土壤電阻率為1 000 Ω·m，接地導體半徑為0.01 m，接地網埋深0.80 m。設入地短路電流為1 kA，回流電流和分流電流共計1 kA，則總的短路電流為2 kA。以編織型和硬質納米碳纖維作為接地材料，當只在接地網邊角注入1 kA的入地短路電流時，接地網的電位分布如圖7所示。

(a) 編織型納米碳纖維接地網；(b) 硬質型納米碳纖維接地網

表1 2種情況下接地參數計算結果

當考慮短路電流分布時，仿真取接地網邊角注入短路電流為2 kA，同時，在相對的邊角流出1 kA的回流電流和分流電流，則接地網的電位升高幅值分布如圖8所示。

(a) 編織型納米碳纖維接地網；(b) 硬質型納米碳纖維接地網

考慮故障電流分布情況后，編織型和硬質型納米碳纖維接地網特別是電阻率更高的編織型納米碳纖維接地網其地表電位不均衡程度嚴重加劇，地電位升高幅值的變化率也急劇增大。在這2種情況下，編織型、硬質型納米碳纖維接地網和銅材接地網的接地參數的計算值如表1所示，從表1可見：考慮回流電流和分流電流后，相比不考慮短路電流分布的情況，編織型納米碳纖維接地網的地電位、接觸電位差、跨步電位差分別增大53%，101%和71%，最大網內電位差增大2.24倍；硬質型納米碳纖維接地網的地電位升高幅值、接觸電位差、跨步電位差分別增大30%，52%和46%，最大網內電位差也增大2.24倍；銅材接地網的地電位升高幅值、接觸電位差和跨步電位差基本保持不變，只有最大網內電位差增大2.19倍。

綜上所述，接地導體材料的電阻率越高，回流電流和分流電流對接地參數的影響越大。這是由于接地導體的電阻率越高，導體的內自阻抗越大，軸向流散的電流在接地網上產生的壓降越大，接地網的地電位升高幅值越不均衡，造成網內電位差、接觸電位差和跨步電位差都更高。

另外，考慮回流電流和分流電流對網內電位差的影響最大，根據式(4)，計及回流電流和分流電流影響后，最大網內電位差比只考慮入地短路電流時的最大網內電位差D增大2倍，與表1中的計算結果基本相符。

5 結論

1) 提出了非金屬接地材料導體截面積等效計算方法。將矩形的納米碳纖維材料等效為圓柱形導體后，即可采用圓柱形的內自阻抗計算公式，導體的等效半徑為納米碳纖維材料寬的0.22倍。

2) 接地導體材料的電阻率越高，回流電流和分流電流對接地參數的影響越大。對于高電阻率的納米碳纖維材料，計算接地參數時需考慮回流電流和分流電流的影響。

3) 理論分析了站內和站外短路這2種工況下非金屬接地網的參數特性，在計算納米碳纖維接地網的地電位升高幅值、網內電位差、接觸電勢差和跨步電位差時，需同時考慮站內和站外短路時短路電流的分布情況。

4) 納米碳纖維接地網需采用合適的綜合保護隔離措施防止高電位引出、地電位引入，同時，電位分布滿足網內電位差、接觸電位差和跨步電位差的要求，并保證地電位升高不引起10 kV避雷器動作，此時，納米碳纖維材料運用于接地領域仍然是可行的。

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(編輯 陳燦華)

Grounding characteristics ofnano-carbon fiber grounding material considering short circuit current distribution

HE Zhiqiang1, LI Xin1, YU Qian2, WANG Lirong3, WANG Yu4

(1. State Grid Hunan Electric Power Research Institute, Changsha 410007, China; 2. State Grid Yongzhou Electric Power Supply Company, Yongzhou 425000, China; 3. State Grid Hunan Maintenance Company, Changsha 410007, China; 4. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aiming at the difference of electrical specification and heat stability between nonmetal and metal grounding materials, an appraisal procedure was proposed for the performance of nano-carbon fiber grounding grid. A detailed evaluation process was presented for the security evaluation of nano-carbon fiber grounding grid, Considering equivalent sectional area of conductor, short-circuit current and its influence, grounding parameters, increase and distribution of grounding potential and so on were calculated. The diffuser performance of nano-carbon fiber and common metal grounding grid was analyzed by contact potential, step potential difference and increase of grounding potential. The results show that nano-carbon fiber can be applied in substation grounding grid and the method can provide reference to assess the safety of nonmetal grounding materials.

short circuit current distribution; nano-carbon fiber grounding material; thermal stability; grounding characteristic

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.017

TM85

A

1672?7207(2018)11?2759?07

2017?12?17；

2018?01?10

國家自然科學基金資助項目(51607129) (Project(51607129) supported by the National Natural Science Foundation of China)

何智強，博士，高級工程師，從事電力系統過電壓及開關技術研究；E-mail: 45114437@ qq. com