交流特高壓晉東南變電站1 100 kV GIS接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方煜瑛，盧 鵬

（河南平高電氣股份有限公司，河南省平頂山市，467001）

0 引言

發(fā)展特高壓已列入我國(guó)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，特高壓輸電具有廣闊的發(fā)展前景，必將對(duì)輸變電行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1-4]。國(guó)家電網(wǎng)公司1 000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程已經(jīng)成功投運(yùn)。全面總結(jié)特高壓交流試驗(yàn)示范工程變電站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)后續(xù)1 000 kV變電站工程設(shè)計(jì)符合“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好”的原則，促進(jìn)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義[5]。

1 晉東南變電站1 100 kV GIS

1.1 1 100 kV GIS總體介紹

晉東南1 000 kV變電站1 100 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備采用1 100 kV氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS），該設(shè)備是由我國(guó)自主研制，主接線為一進(jìn)一出，共2個(gè)間隔，包含2臺(tái)斷路器、5組隔離開(kāi)關(guān)、8組接地開(kāi)關(guān)、3支避雷器、6支套管以及508 m長(zhǎng)的管道母線。晉東南1 100 kV GIS主接線和總體布置見(jiàn)圖1，設(shè)備長(zhǎng)度達(dá)到62 m，寬度達(dá)到43.5 m，最高處（套管）達(dá)到17 m[6]。

1.2 GIS的主要技術(shù)參數(shù)

晉東南特高壓變電站1 100 kV GIS額定電壓為1 100 kV，額定電流為6.3 kA（設(shè)備及分支母線）/8 kA（主母線）；額定短路短時(shí)耐受電流為50 kA，額定短路持續(xù)時(shí)間為2 s；斷路器為雙斷口臥式布置，額定短路開(kāi)斷電流為50 kA，首開(kāi)極系數(shù)為1.3，其分閘時(shí)間不大于30 ms，合閘時(shí)間不大于120 ms，每相分、合閘并聯(lián)電阻值為600 Ω[7]；機(jī)械壽命5 000次，配置液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.3 1 100 kV GIS接地網(wǎng)的特殊要求

常規(guī)超高壓變電站通常采用單網(wǎng)接地設(shè)計(jì)，材質(zhì)為鋼，這種接地方案已不能滿足特高壓GIS變電站的要求。1 100 kV GIS通流容量大，工作電流呈正弦交變，使設(shè)備外殼對(duì)地之間感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生持續(xù)的感應(yīng)電流。同時(shí)，在GIS中存在快速暫態(tài)過(guò)程，在其作用下將產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓（very fast transient over-voltage，VFTO），在此過(guò)程中，可能在GIS接地的外殼上出現(xiàn)暫態(tài)地電位升高（transientground potentialrise，TGPR）。針對(duì)1 000 kV設(shè)備的特點(diǎn)，為了確保人身和設(shè)備的安全，GIS需要采用多種接地措施。

2 晉東南1 100 kV GIS接地要求

1 000 kV特高壓變電站電氣裝置的接地設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障時(shí)電氣裝置、運(yùn)行人員安全的重要技術(shù)安全措施。對(duì)于裝用1 100 kV GIS的變電站，按照GB 50065—200×《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]送審稿設(shè)置變電站的接地網(wǎng)，還必須在GIS所在區(qū)域設(shè)置專用的輔助地網(wǎng)，并與變電站接地網(wǎng)相連。輔助地網(wǎng)的作用是：

（1）在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將三相外殼上感應(yīng)電流的不平衡電流引入地網(wǎng)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將在外殼上感應(yīng)的瞬時(shí)電流快速引入地網(wǎng)。

（2）將隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)合母線充電電流引起的特高頻暫態(tài)電流快速引入地網(wǎng)，以降低對(duì)運(yùn)行人員和二次設(shè)備的不利影響。

（3）將GIS正常運(yùn)行和故障時(shí)在外殼上產(chǎn)生的接觸電壓和地面上的跨步電壓限制在安全范圍內(nèi)。

1 100 kV GIS的專用輔助地網(wǎng)應(yīng)由GIS設(shè)備廠商根據(jù)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)布置、參數(shù)和接地要求進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。輔助地網(wǎng)應(yīng)使用銅質(zhì)導(dǎo)體，網(wǎng)格的疏密和所用銅排的截面取決于設(shè)備的布置、接地點(diǎn)的數(shù)目和可能通過(guò)的工頻短路電流、雷電沖擊電流和特高頻電流的大小，其設(shè)計(jì)應(yīng)能確保在正常運(yùn)行時(shí)和故障狀態(tài)下，外殼上的感應(yīng)電壓和地面上的跨步電壓滿足運(yùn)行人員安全的要求以及二次設(shè)備的電磁干擾要求。

為了保證外殼上的大電流和特高頻電流能快速導(dǎo)入地網(wǎng)并有較強(qiáng)的防腐性能，要求1 100 kV GIS專用輔助地網(wǎng)與變電站主地網(wǎng)的連接應(yīng)采用焊接。輔助地網(wǎng)的接地引下線應(yīng)由可能通過(guò)的額定短路電流決定，三相外殼之間應(yīng)裝設(shè)足夠數(shù)量的相間導(dǎo)流排并形成閉環(huán)回路，每個(gè)閉環(huán)回路應(yīng)盡量以最短的距離與輔助地網(wǎng)相連，并能承載額定短路電流的作用，相間導(dǎo)流排應(yīng)能承載額定電流。

3 晉東南1 100 kV GIS感應(yīng)電流分析

3.1 GIS設(shè)備相間環(huán)流分析

由于特高壓GIS采用多點(diǎn)接地方式，殼體、接地線、接地網(wǎng)中都會(huì)流過(guò)感應(yīng)電流，當(dāng)主回路中電流增大時(shí)，接地線、接地網(wǎng)中的感應(yīng)電流也將增大。為不使接地線過(guò)熱，應(yīng)設(shè)置連接分相殼體的相間導(dǎo)流排，盡量通過(guò)相間導(dǎo)流排處理感應(yīng)電流，而不通過(guò)輔助網(wǎng)、接地網(wǎng)來(lái)處理，圖2為相間環(huán)流示意圖。

通過(guò)對(duì)特高壓GIS向接地網(wǎng)注入電流的計(jì)算分析和對(duì)分相殼體上的感應(yīng)電流估算，1 100 kV GIS接地線電流三維解析模型見(jiàn)圖3，1-18指測(cè)點(diǎn)位置，接地線電流解析結(jié)果見(jiàn)圖4。在回路的兩端設(shè)置相間導(dǎo)流排，殼體的感應(yīng)電流大部分通過(guò)相間導(dǎo)流排處理，而通過(guò)垂直接地線中的電流可控制在額定電流的5%以內(nèi)，其值小于350 A。套管部位接地線的感應(yīng)電流最大，達(dá)到了額定電流的12%，其值約為800A。

3.2 輔助網(wǎng)格間距對(duì)接地線中感應(yīng)電流的影響

通過(guò)計(jì)算不同輔助網(wǎng)格間距對(duì)感應(yīng)電流的影響，認(rèn)為網(wǎng)格間距為3～6 m時(shí)，網(wǎng)格間距對(duì)流入接地網(wǎng)的電流值沒(méi)有較大的影響；若網(wǎng)格過(guò)密，會(huì)造成接地線中流過(guò)的電流增大，雖然不會(huì)對(duì)接地網(wǎng)的溫升造成影響，但必須要考慮接地引下線的溫升。

3.3 GIS設(shè)備中暫態(tài)地電位升高的分析

通過(guò)分析開(kāi)關(guān)設(shè)備操作時(shí)產(chǎn)生暫態(tài)地電位升高（transientground potentialrise，TGPR）的原理可知，母線殼體上不存在不連續(xù)的部分時(shí)，就不會(huì)在殼體上產(chǎn)生TGPR。由于晉東南變電站1 100 kV GIS沒(méi)有絕緣法蘭，因此在殼體上不會(huì)產(chǎn)生TGPR現(xiàn)象，而僅在套管出線處產(chǎn)生TGPR。該處的TGPR幅值與殼體對(duì)地的阻抗Z成正比，由于在高頻領(lǐng)域，接地線的阻抗（ωL）很大，通過(guò)降低ωL來(lái)降低Z是比較困難的，因此采用相間導(dǎo)流排將GIS三相殼體短接來(lái)降低Z，也即采用解決GIS環(huán)流時(shí)采用的相間導(dǎo)流排來(lái)解決TGPR的問(wèn)題。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)接地線連接在輔網(wǎng)的網(wǎng)格交叉點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)格間距不同對(duì)TGPR的影響很小。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，再考慮到方便土建施工、便于連接接地線等方面，最終確定輔網(wǎng)網(wǎng)格間距為5 m。

4 晉東南1 100 kV GIS接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工

4.1 GIS接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）通過(guò)降低各接地線處主網(wǎng)的接地電阻來(lái)確保GIS對(duì)地閃絡(luò)電流的接地安全性。GIS本體采用多點(diǎn)接地構(gòu)造，可以使對(duì)地閃絡(luò)電流中的交流分量上升值控制在100 V以下。

（2）為了減少對(duì)控制系統(tǒng)配線的感應(yīng)過(guò)電壓影響，GIS本體采用多點(diǎn)接地以減少外部泄漏磁場(chǎng)（電磁波）。通過(guò)GIS殼體自身的電氣連續(xù)構(gòu)造，為低阻抗連接結(jié)構(gòu)，而且不論是工頻電壓，還是VFTO方面產(chǎn)生的電位差都很小，以此來(lái)降低對(duì)控制系統(tǒng)的感應(yīng)過(guò)電壓。

（3）對(duì)于主回路上發(fā)生的VFTO，主要通過(guò)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)上設(shè)置電阻的方法抑制。

（4）為了抑制接地系統(tǒng)的電位擺動(dòng)，接地系統(tǒng)需要降低接地電阻。

4.2 GIS接地網(wǎng)構(gòu)成

晉東南變電站1 100 kV GIS接地網(wǎng)由主網(wǎng)和輔助網(wǎng)構(gòu)成，接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，接地網(wǎng)連接示意圖如圖6所示，接地線連接示意圖如圖7所示。

4.3 GIS接地網(wǎng)施工

（1）1 000 kV變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)體積較大，設(shè)備基礎(chǔ)混凝土一般分為2次施工，輔助接地網(wǎng)鋪設(shè)于GIS基礎(chǔ)的二次澆筑層以下。

（2）采用接地線直接與主地網(wǎng)連接方式，其施工難度大，因此鋪設(shè)5 m間距的輔助地網(wǎng)；接地線盡可能從接地網(wǎng)（包括主接地網(wǎng)和輔助網(wǎng)）的交叉點(diǎn)引線，并且盡量縮短引出接地線的長(zhǎng)度，從而降低引出接地線的阻抗，抑制暫態(tài)地電位升高。

（3）1 100 kV GIS基礎(chǔ)表面上設(shè)置與GIS連接的接地端子，接地端子與輔助接地網(wǎng)交叉點(diǎn)用70 mm× 6 mm銅板可靠連接。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)特高壓交流試驗(yàn)示范工程的成功投運(yùn)，1 100 kV GIS的接地問(wèn)題得到了解決，對(duì)后續(xù)特高壓工程具有較好的示范作用。

（1）為了減小接地電阻，同時(shí)考慮便于施工，晉東南變電站1 100 kV GIS最終確定接地網(wǎng)采用主網(wǎng)和輔助網(wǎng)并用的結(jié)構(gòu)，采用多點(diǎn)接地方式，罐體的接地安全可靠性較高。

（2）接地線盡可能從接地網(wǎng)（包括主接地網(wǎng)和輔助網(wǎng)）的交叉點(diǎn)引線，并且盡量縮短引出接地線的長(zhǎng)度，從而降低引出接地線的阻抗，抑制暫態(tài)地電位升高。

（3）為了滿足1 100 kV GIS外殼感應(yīng)電流的釋放、開(kāi)關(guān)設(shè)備操作引起的VFTO的快速流散等，應(yīng)就近設(shè)置GIS區(qū)域輔助接地網(wǎng)。

（4）GIS設(shè)置相間導(dǎo)流排，最大程度上抑制了感應(yīng)電流幅值，滿足正常和事故狀態(tài)下設(shè)備外殼和支架上感應(yīng)電壓的要求。

（5）接地線的材料及連接方式，因要長(zhǎng)期使用，所以要求采用穩(wěn)定性能結(jié)構(gòu)，連接線在出基礎(chǔ)混凝土后的500 mm的范圍內(nèi)做防腐處理。

（6）與單點(diǎn)接地相比，此接地網(wǎng)具有罐體外電磁強(qiáng)度較低、故障狀態(tài)下接觸電壓較低、感應(yīng)電流在二次電纜中引發(fā)的干擾較低等優(yōu)點(diǎn)。

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