考慮變電站故障的變電站及輸電線路接地系統設計

姚生惠

（蘭州新區土地開發建設工程有限公司，蘭州 730000）

引言

接地網是變電站的重要組成，對變電站的接地安全起到至關重要的作用[1-3]。由于高壓變電站由輸電線路供電且接地系統與變電站接地網牢固連接，在變電站故障情況下，變電站接地網和極網都會出現電壓升高的情況，從而對安全造成影響[4-6]。因此接地系統的合理設計對于確保變電站和輸電線路在故障條件下的安全可靠性至關重要。

變電站故障對極地電位升高的影響可通過降低磁極的柵極電阻來控制磁極極地電網升高[7,8]。而極地電阻的降低將直接影響變電站極地電網升高和故障電流分布。文獻[9]研究了變電站接地系統的合理性，但沒有考慮對有限長度內輸桿塔接地網的影響。位于變電站有限長度內的桿塔構成變電站接地網的堅實部分，并將始終成為變電站接地網設計的一部分，忽略這些因素的設計將影響系統的安全可靠性[10]。

1 變電站和輸電線路接地系統

1.1 變電站和輸電桿塔

在設計變電站接地系統以及桿塔接地網時，確保不同情況下設計方案的合理性至關重要。在設計過程中需計算分流因子，以確定故障條件下的變電站電網電流。同時需評估極地電網電位升高以及設計對于有限長度內桿塔的影響。當故障位置的桿塔接地網輸入阻抗可以捕獲系統的整個長度時，稱之為有限系統；當故障位置的桿塔接地網輸入阻抗不能捕獲系統的整個長度時，則稱之為無限系統。針對無限系統，只考慮桿塔接地網系統的一部分作為輸入阻抗，即

式中：Zp為接地網電阻；Ls為平均跨度。

由于變電站只能看到有限長度的線路，桿塔接地網的無限長度可以計算為：

式中，l為桿塔接地線路的總長度。

有效長度處的所有桿塔對變電站接地系統沒有影響，而式（1）無限距離內的所有桿塔對變電站極地電網電位升高有直接影響。因此，無限條件下桿塔接地網的輸入阻抗可以表示為：

變電站分流系數計算為：

式中：Zm為故障相與架空地線之間的相互耦合阻抗；Zg為故障相與變電站接地網之間的相互耦合阻抗；δf為變電站分流系數。

從式（3）和（4）可以看出，桿塔接地網的輸入阻抗和變電站分流因子與極網（位于變電站有限長度內的極）直接相關。因此，在降低極網電位以降低極地電網電位升高的情況下，極處的階躍電壓和接觸電壓、輸入阻抗和變電站分流系數都會發生變化。當有限距離內的極地電阻增大時，變電站分流因子增大，這意味著向變電站接地網注入更大的電流。

1.2 變電站和磁極極地電位升高

磁極極地電網電位上升量與變電站極地電網電位上升量直接相關，其電路如圖1所示。

圖1 分流因子電路

從圖1可以推導出：

式中：EPRpole-1為磁極極地電網電位上升量；EPRSUB為變電站極地電網電位上升量；Ie為架空地線回路故障電流；If為總故障電流。

通過因子MN將兩個極地電網關聯起來，因子MN可以表示為：

接地極的電流和相角為：

n極與變電站極地電網電位上升量相關的極地電網電位上升量關系為：

通過聯合間隔極地電網電位上升量來估算變電站極地電網電位上升量。如果允許的極地電網升高為K伏，則確保所有傳輸極在變電站故障下符合要求的最大變電站極地電網電位升高為K乘以MN。如果設計的變電站極地電網電位升高超過該值，則需要進行輸桿塔設計評估。這些因素使得桿網（位于變電站有限長度內的所有桿塔）設計成為變電站接地系統設計的一部分。因此，在設計時需考慮：（1）輸電桿塔接地系統設計要求降低桿塔底部的電網電阻，從而降低變電站電網電流；（2）通過降低變電站電網電流來降低變電站接地網的復雜性；（3）確保變電站和輸電桿在變電站故障下完全符合要求。

2 算例分析

為某地區規劃了一座新的高壓變電站，變電站由一條110 kV架空輸電線供電。輸電線路長度為10 km，平均跨度為100 m；變電站位于40 m×40 m的區域；單層土壤電阻介于20 Ω～200 Ω；故障相位和桿塔接地網的間隔為3.8 m。5 m和10 m電極在不同土壤電阻率下的接地網電阻如圖2所示。變電站接地網布置如圖3所示。

圖2 不同土壤電阻率下5 m和10 m電極對應的極地電阻

圖3 變電站接地網布置圖

桿塔接地網的自阻抗和互阻抗計算為：

不同極地電阻下桿塔接地網輸入阻抗的大小如圖4所示，使用不同的極地電流計算變電站的分流因子，計算結果如圖5所示。

圖4 不同極地電阻下桿塔接地網的輸入阻抗

圖5 不同極地電阻下桿塔接地網的分流因子

根據所提的計算方法，變電站極地電網電位升高在10 kA故障電流下的EPR介于918 V～1192 V之間，極地電網電位升高量高于允許的接觸電壓。根據圖2中不同土壤電阻率下極地電阻的變化規律，計算的MN系數在1.048～1.186之間，通過公式（9），計算出極地電網電位升高量在774 V～1136 V之間，電極接觸電壓的計算不符合要求，根據公式（11）計算的磁極極地電網電位升高量如圖6所示。

圖6 變電站故障下的EPR幅值

在多數情況下，位于變電站附近的電極接觸電壓較高，新極地電阻在1.38 Ω～18.57 Ω間變化，極地電網電位升高在659 V～1079 V變化，電壓符合允許限值，從而確保了設計的合理性。根據現場經驗，變電站和輸電線路是兩個不同的項目，在許多情況下，變電站和輸電線路的接地設計由不同的設計單位完成，在變電站設計期間評估輸電桿塔需要在變電站故障情況下盡可能地確保系統的安全性。

3 結論

對于有限長線路，輸電線路接地系統與變電站接地網之間存在密切聯系。在有限長度范圍內進行變電站接地網設計時，需確保變電站和輸電桿在變電站故障下完全符合要求，通過降低變電站電網電流來降低變電站接地網的復雜性。本文量化了變電站接地電位升高與輸電極接地電位升高的關系，以幫助設計師根據極接地電位上升量來計算變電站接地電位上升，確保輸電線路接地系統在變電站故障情況下始終滿足安全標準。