高土壤電阻率地區變電站接地設計研究

張名祥，劉 靜

（1.中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601；2.國家電網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230000）

在設計變電站接地系統時，若接地電流處于最大值時，跨步及接觸電壓將達到最大值，進而會對人身及設備造成威脅；若變電站出現短路，并不意味著所有障礙電流流入大地，實際上，部分障礙電流借助避雷線進行分流。基于接地網，部分電流直接回流至變壓器，部分短路電流直接流入大地。因此，在計算電流時，應充分考慮分流情況。分流系數是指故障電流與總故障電流的比值，受到多種因素的影響，如土壤特性及檔距等。

1 系統模型

以某220kV變電站為例，計劃進行6回220kV出線，此次進行2回，依次接入220kV龍泉及惠灃變電站，2回接入500kV中華變電站、1回接入南定熱電廠、接入220kV龍泉變電站1回、接入220kV惠灃變電站2回。依據遠景及新建線路長度，預算臨近站與220kV變電站之間線路長度，具體如表1所示。

表1 某220kV變電站至各個相鄰站的線路長度

依據變電站遠景系統方案，6回線路采用架空線的方式，初始端塔檔距為310m，終端塔檔距為110m。該設計接地網尺寸規格為長95.5m、寬43.5m，在布置不等間距時，以11m間距為標準，入地深度為0.9m。接地裝置為十字形，裝置單臂長度為4m，一般而言，接地電阻為11Ω。

2 站內外接地網對分流系數的影響

如變電站出現短路，系統電流分布直接決定分流系數，短路中的故障電流未全部流入大地，部分障礙電流借助避雷線分流，部分障礙電流直接流至變壓器，部分短路電流流至大地。剩下短路電流能安全檢驗跨步電壓及接觸電勢，是真正發揮作用的入地短路電流，可以用以下公式表示：

式中：基于變電站發生短路故障，Imax為最大對稱電流有效值，A；In為中性點電流，A；Kf1為分流系數。若短路故障出現于線路，在短路電流流回變壓器中性點的過程中，基于架空地線，部分短路電流流回，計算入地短路電流可用以下公式表示：

式中：Kf2為變電站外分流系數。一般而言，影響分流系數的因素主要包括接地網接地阻抗、塔桿接地電阻及電氣參數等。接地網接地阻抗越小，流入大地的故障電流越多；若接地阻抗較大，基于接地網，部分短路電流流入大地，借助架空線及電纜，部分短路電流回流至變電站。接地阻抗值極容易發生改變，因此分流系數隨之發生一定的改變。總之，接地阻抗是影響分流系數的重要因素之一。塔桿接地電阻越小，借助架空線，故障電流更容易流入大地，進而降低分流系數；若塔桿接地電阻越大，則故障電流難以經過桿塔流入大地。地線的電氣參數中的地線導電能力越強，分流系數越小；地線導致性能越低，接地網的分流系數越大。進出線回路數越多，分流效果越好，流入大地的故障電流越少，分流系數進而降低；當線路檔數與檔距增加時，分流系數隨之增大。

3 最大入地電流的計算

依據掌握的變電站資料，220kV變電站及臨近變電站的短路回流（分單相與三相兩種）處于35kA以下，得出該變電站系統阻抗，如表2所示。

表2 系統阻抗

該變電站入土深度低于0.9m，因此季節性凍土不影響分流系數。變電站內發生短路故障時，基于地線參數能影響分流系數（分流系數取0.62），將其帶入公式得知，變電站進入大地最大短路電流為13.96kA（電壓為220kV）。變電站外發生短路故障時，基于地線參數能影響分流系數（分流系數取0.15），將其帶入公式得知，變電站進入大地最大短路電流為12.57kA（電壓為220kV）。通過以上分析可以得出，變電站（220kV）流入大地的短路電流應取13.96kA。

4 設計目標

基于相關規范及規定，接地電阻應滿足一定條件，可以用以下公式表示：

式中：R為入地最大電阻，Ω；IG為不對稱電流有效值，A。基于變電站（220kV）流入大地的短路電流取13.96kA，將其帶入公式，接地電阻應滿足R≤2000÷IG=2000÷13960=0.1432Ω。一般而言，流入大地的短路電流較大，要使接地電阻小于0.1432Ω，這是難以實現的，所需造價成本較高，且不科學合理，因此若該變電站（220kV）接地電阻與上述要求不符，為確保跨步及接觸電位差滿足要求，可以采用加大絕緣與隔離得以實現。基于入地最大電流及設計目標，得出該變電站跨步及接觸電壓最大安全值，如表3所示。

表3 最大接觸及跨步電壓安全值（t取0.6s）

通過表中數據可以得知，對于該變電站（220kV）的設計目標而言，若無碎石，跨步電壓應處于370.9V以下，接觸電勢處于276.5V以下；若有22cm厚，潮濕狀態下電阻率為2550Ω·m的碎石，該區域跨步電壓應處于2720.8V以下，接觸電勢應處于847.2V以下。

5 不等間距和等間距接地網電位分布比較

對于變電站傳統接地設計而言，為便于連接及布置地網，在滿足跨步及接觸電壓的基礎上，采用等間距的方式來布置均壓導體，主要基于鄰近效應，地網中心處泄漏電流遠小于邊角處，進而導致地網電位不均勻分布，地網中心網孔接觸電勢遠小于邊角處，且這種差值與網孔數及地網面積呈正比例關系。具體而言，隨著網孔數及地網面積的增加，這種差值隨之變大。一般在對接地網進行優化時，存在多個可優化的參數，如接觸電勢及電阻，甚至包括跨步電壓。若導體數與接地網面積保持不變，布置方式（分非均勻及均勻兩種）基本不影響接地電阻值，但改變布置方式能影響跨步電壓及接觸電壓。

通常情況下，若跨步電壓滿足要求，則接觸電勢也滿足要求。通過布置合適間距的接地體，能降低系統短路故障的地電位升，也能降低過電壓水平，因此設備安全性得以提升，進而確保二次系統具備一定的可靠性及安全性。總而言之，采用最佳的布置方式能降低跨步電壓，在確保安全的基礎上，能降低成本費用，為企業帶來一定的經濟效益及社會效益。

另外，不等間距布置能降低接地電阻。采用不等間距的方式布置能降低土壤邊角電位，土壤表面中心電位隨之升高，進而促使分布于電網中的電位均勻，不僅能有效降低跨步電壓，同時還能減小接觸電勢。在對接地網進行布置時，采用不等間距的方式，能促使網孔電位趨于一致，在此情況下，變電站安全水平得以提高，不等間距布置能減少電流差別。

6 結論

通過以上分析可知，接地阻抗越小，流入大地的故障電流越多；接地阻抗較大，部分短路電流回流至變電站；塔桿接地電阻越大，故障電流難以經過桿塔流入大地；當線路檔數與檔距增加時，分流系數隨之增大；為確保跨步及接觸電位差滿足要求，可以采用加大絕緣與隔離得以實現。對于該變電站（220kV）的設計目標而言，若無碎石，跨步電壓應處于370.9V以下，接觸電勢應處于276.5V以下；采用不等間距的方式布置，能降低土壤邊角電位，有效降低跨步電壓，還能減小接觸電勢。