某220kV變電站接地網(wǎng)安全評估分析

廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局 田 松

接地網(wǎng)的正確設計是變電站接地網(wǎng)設備全過程管理的首要環(huán)節(jié)，是變電站接地網(wǎng)能否成功建設的關鍵環(huán)節(jié)。高土壤電阻率地區(qū)的變電站接地網(wǎng)設計顯得尤為重要。本文以典型的高土壤電阻率站址220kV變電站接地網(wǎng)設計為例，結合現(xiàn)場實測和仿真計算，校核接地網(wǎng)的各個安全性能參數(shù)，給出該接地網(wǎng)的設計分析評估，對220kV變電站的設計有一定的指導意義。

0 引言

接地網(wǎng)作為變電站一個重要的地下組成部分，不僅能夠提供公共的地電位，也能為接地故障電流提供泄流通道。（解廣潤.電力系統(tǒng)接地技術[M].北京:中國電力出版社,1991;何金良,曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術[M].北京:科學出版社,2007;李謙.電力系統(tǒng)接地網(wǎng)特性參數(shù)測量方法及其工程實踐[M].北京:中國電力出版社,2013），接地網(wǎng)的安全評價參數(shù)有接地阻抗、跨步電壓和接觸電壓、地網(wǎng)電位升、網(wǎng)內電位差等[2,3]，對于一些土壤電阻率較高的地區(qū)，為了達到降阻的目的，往往會采用離子接地深井這一降阻措施（張辰.對離子接地極在變電站接地網(wǎng)改造中的應用探索[J].計算技術與自動化,2011,30(3):62-65），針對高土壤電阻率的地區(qū)接地阻抗不應作為校核接地網(wǎng)安全的決定標準，也要對接地短路故障時的安全評價參數(shù)進行核算。

本文以一個220kV變電站為案例，采用典型的CDEGS軟件（譚永浩.CDEGS軟件在變電站接地網(wǎng)安全性分析中的應用研究[J].技術與市場,2011,18(10):14-17），進行計算分析。

1 基本情況

變電站地處于丘陵地帶，土質條件不理想，現(xiàn)場實測通過軟件計算得到該站址土壤電阻率如表1，水平四層結構。

表1 變電站土壤電阻率

圖1 變電站接地網(wǎng)示意圖

該變電站有120MVA主變3臺，共有15回20kV電纜和10回220kV架空出線，根據(jù)遠期規(guī)劃，變電站的最大單相接地短路電流為41.77kA。主接地網(wǎng)大小為95m×80m，邊緣敷設10口30m深的離子接地深井，沿著進站道路敷設水平接地網(wǎng)并加以敷設6口深井。水平接地體采用熱鍍鋅圓鋼，尺寸為Φ22mm，埋深0.8m，垂直接地極采用熱鍍鋅角鋼，尺寸為50mm×5mm、2.5m。深井涂層參數(shù)取厚度為10m，電阻率為1Ω·m，接地阻抗的計算結果為0.978Ω。接地網(wǎng)的拓撲結構如圖1所示。

2 入地故障電流計算

根據(jù)設計單位提供計算結果，某220kV變電站發(fā)生220kV區(qū)域單相接地故障故障時，短路電流取41.77kA，假定總故障電流按表2所示分布到三個關聯(lián)的變電站，作為三條線路上的短路電流。在總故障電流為41.77kA的前提下，仿真計算不同情況下的地線分流和入地故障電流。其中變電站接地網(wǎng)接地阻抗按照規(guī)程提出的0.5Ω大小進行計算。

表2 220kV側發(fā)生單相接地故障時分流計算結果

3 導體地電位升計算結果

取計算的地網(wǎng)入地短路電流最大值，短路點取出現(xiàn)該最大值所在的設備場區(qū)，選取故障點為該場區(qū)的邊緣，以便得到接地網(wǎng)導體地電位升的最大值，計算所得導體電位升的結果見圖2。

圖2 發(fā)生220kV母線單相接地故障時導體電位升

從圖2的計算結果可以看出，考慮最極端的情況，當接地故障發(fā)生在地網(wǎng)邊角處時，接地網(wǎng)導體電位升最嚴重，此時接地網(wǎng)導體電位升的最大值為4503.239V，在安全限制5000V以內；故障后場區(qū)最大壓差水平最高只有176.956V，因此發(fā)生單相接地短路故障地網(wǎng)導體電位差對系統(tǒng)二次造成的威脅也不大。

圖3 發(fā)生220kV母線單相接地故障時跨步電壓和接觸電壓

4 跨步電壓和接觸電壓的計算結果

按照《交流電氣裝置的接地》標準中的規(guī)定，在110kV及以上有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，變電站接地裝置的跨步電壓US和接觸電壓UT應低于下列數(shù)值：

其中，rs為人腳站立處表面的土壤電阻率；t為接地短路電流的持續(xù)時間。對于該變電站：ρs取250Ω·m（考慮雨天后土壤濕潤等嚴格情況），t＝0.7s（220kV場地），計算得220kV設備場區(qū)發(fā)生單相接地故障時，跨步電壓安全限值US=468.80V，接觸電壓安全限值UT＝310.6V。

計算當變電站發(fā)生220kV單相短路接地故障時，接地網(wǎng)跨步電壓和接觸電壓，計算結果見圖3。

從圖3中可得跨步電壓計算結果低于其安全限值US；接觸電壓計算結果低于其安全限值 UT。雖然接地電阻超過了0.5Ω的要求，但由于架空地線與電纜分流較大，變電站內發(fā)生單相接地故障時跨步電壓、接觸電勢均在安全限制以內。

5 結論

（1）由于架空出線的地線和電纜外護套的分流貢獻，盡管接地網(wǎng)接地阻抗不能降到規(guī)程提出的安全限值以下，但由于地線分流大，變電站內發(fā)生單相接地故障時，導體電位升高，場區(qū)最大壓差、跨步電壓和接觸電壓也可能在安全限制以內。

（2）對于變電站接地網(wǎng)的安全評價，接地阻抗可以作為一個重要的宏觀性能指標，但不應作為唯一的判斷標準，尤其對于高土壤電阻率地區(qū)受土壤電阻和地網(wǎng)面積所限的變電站接地網(wǎng)，應對接地網(wǎng)安全性能的地網(wǎng)特性參數(shù)（地網(wǎng)導體電位升高、場區(qū)跨步電壓和接觸電壓水平等）進行計算校核，在滿足這些安全要求的情況下進行適當?shù)姆艑挕?/p>