淺談大型變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造

張友生

【摘要】隨著電壓等級的不斷提高以及電力系統(tǒng)容量的不斷增大，故障電流也隨之增大，若接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致接地電阻過高和地表電位升高，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，我們必須清楚認(rèn)識到大型變電站的接地網(wǎng)是電網(wǎng)非常重要的組成部分，直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，只有加強(qiáng)對接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造，使接地裝置的接地電阻達(dá)到較低值，確保短路電流、雷電流的安全疏散，才能提高地網(wǎng)運(yùn)行的安全水平。

【關(guān)鍵詞】大型變電站；接地網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行成了其中的關(guān)鍵。變電站接地的目的是通過接地裝置和接地系統(tǒng)將電氣設(shè)備、電力系統(tǒng)的某些部位、某點(diǎn)與大地相連，為故障電流、雷電流等提供泄漏通道，穩(wěn)定電位，提供零電位參考點(diǎn)，保證電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)保護(hù)工作人員人身安全。隨著電壓等級的不斷提高以及電力系統(tǒng)容量的不斷增大，發(fā)生接地故障時(shí)流入地網(wǎng)的電流也隨之增大，若接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致接地電阻過高和地表電位升高，進(jìn)而引發(fā)安全事故，造成人員傷亡，并給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此，加強(qiáng)對接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

一、大型變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.均勻土壤下大型變電站接地網(wǎng)優(yōu)化布置

大型變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)合理性在于改善接地網(wǎng)散流電流密度分布和接地網(wǎng)上方地表面電位分布，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中，除了要考慮降低接地電阻，還要考慮地表電位的分布。一般接地設(shè)計(jì)中，常采用導(dǎo)體等間距布置的方法，這就使得接地電阻存在過大，接地網(wǎng)邊角網(wǎng)孔處的接觸電壓高于孔中心的接觸電壓。為改變接地網(wǎng)電流分布不均勻的情況，使接地網(wǎng)中心導(dǎo)體得到充分利用，使接地網(wǎng)上方地表電位分布均勻，基于均勻土壤的情況，筆者提出了接地網(wǎng)不等電位模型下的優(yōu)化布置方案。

以某省500kV變電站為例，該變電站接地網(wǎng)接觸電壓位于接地網(wǎng)邊角和網(wǎng)孔中心處的電位差，經(jīng)測量，接地網(wǎng)土壤電阻率為60Ω·m，接地網(wǎng)面積289m×289m，網(wǎng)孔大小17m×17m，接地導(dǎo)體電阻率1.5×10-7Ω·m，地網(wǎng)埋深0.5m，入地電流1kA。在等電位數(shù)學(xué)模型下，通過對其模型的分析，在等間距設(shè)計(jì)時(shí)，地表電位分布不均，邊角網(wǎng)電位較大，且邊角網(wǎng)電位在一定范圍變動時(shí)，接地導(dǎo)體與接地網(wǎng)面積無直接關(guān)系，只和接地網(wǎng)中長、寬方向的導(dǎo)體根數(shù)有關(guān)。

該變電站曾在系統(tǒng)調(diào)試過程中開展了單相短路接地試驗(yàn)，結(jié)果顯示電流入地點(diǎn)的地網(wǎng)電位明顯高于地網(wǎng)邊緣電位，說明接入點(diǎn)不同，電位也會不同，所以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用不等電位模型下的設(shè)計(jì)方案，這就需對網(wǎng)孔電壓進(jìn)行重新定義，若原有接地網(wǎng)均壓帶不等間距布置不合理，還要對導(dǎo)體間距進(jìn)行重新布置，在故障入地點(diǎn)附近加密導(dǎo)體，使中間、邊緣導(dǎo)體較密布置，其他網(wǎng)孔導(dǎo)體較稀布置，使網(wǎng)孔電壓均勻分布，減小相差。

2.非均勻土壤下大型變電站接地網(wǎng)優(yōu)化布置

在非均勻土壤下，本文以雙層土壤為例，采用不等電位模型對上文舉出的500kV變電站接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，相關(guān)土壤參數(shù)為上層土壤電阻率為33.33Ω·m，下層為100Ω·m，厚度2m，其他參數(shù)與均勻土壤下的參數(shù)相同。若采用等間距布置方法，經(jīng)分析，接地網(wǎng)地表電位分布不均勻，中心網(wǎng)孔電壓比其他網(wǎng)孔電壓要高，因而，建議利用相關(guān)軟件先在等間距情況下將接地網(wǎng)地表電位分布圖求出來，然后對導(dǎo)體間距進(jìn)行重新布置，使中間導(dǎo)體較密布置，邊緣導(dǎo)體較稀布置，得到一組水平導(dǎo)體最優(yōu)布置方案，并對各個(gè)方案的接地網(wǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到最佳布置方案，使得優(yōu)化后的方案能最大限度改善變電站接地網(wǎng)安全性能。

二、大型變電站接地網(wǎng)改造

1.土壤電阻率測量

土壤電阻率是決定接地阻抗的主要因素之一，由于土壤類型、含水量、水分性質(zhì)不同，土壤電阻率也會相應(yīng)變化，傳統(tǒng)的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一作均勻土壤下的設(shè)計(jì)，但是對于大型變電站來說，其面積較大，很大一部分故障電流會從深層土壤流走，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮深層土壤對接地性能可能帶來的影響，這就要求我們在設(shè)計(jì)前就深入考察并掌握接地網(wǎng)所在處的土壤類型。測量土壤電阻率的方法包括三極法和等距四極法，其中后者能消除接觸電阻的影響，測量布線圖見圖1。

2.數(shù)據(jù)反演

采用四極法對土壤進(jìn)行測量后，建立目標(biāo)函數(shù)，采用土壤反演程序?qū)y量得到的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，得到均勻、非均勻土壤下的基本參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。某市220kV一次變電站原接地網(wǎng)大小為164m×184m，網(wǎng)孔大小10m×10m，水平接地體扁鋼規(guī)格5cm×5cm，根據(jù)等效半徑原則，接地導(dǎo)體半徑0.011m，埋深0.6m，電阻測量值為0.67Ω，接地網(wǎng)周圍土壤電阻率為270Ω·m-300Ω·m，經(jīng)土壤反演程序分層，上層土壤電阻率44Ω·m，下層396Ω·m，厚8.6m。當(dāng)土壤電阻率取值270Ω·m時(shí)，接地電阻計(jì)算值0.66Ω，在非均勻土壤下，經(jīng)計(jì)算，土壤電阻值0.65Ω，與測量值都較為接近，表明土壤模型、接地阻抗比較可靠，下一步大可采用均勻土壤和非均勻土壤進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計(jì)與改造。

3.降低接地電阻的措施

在接地網(wǎng)初步設(shè)計(jì)中，綜合考慮土壤結(jié)構(gòu)、原有接地網(wǎng)面積大小的情況下，可通過引外接地、在其他參數(shù)不變情況下增加接地網(wǎng)埋設(shè)深度、利用鋼筋混凝土的鋼骨架和水電站引水管等自然接地、局部換土等方法降低接地電阻。接地電阻可通過以下公式計(jì)算：

由公式可知，變電站接地電阻和接地網(wǎng)面積呈負(fù)相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，接地電阻隨著接地網(wǎng)面積的增加而減小，因而還可通過擴(kuò)大變電站接地網(wǎng)面積來降低接地電阻。

三、結(jié)語

總之，接地系統(tǒng)是電力生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分和保護(hù)設(shè)施，目的是保證電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)保護(hù)工作人員人身安全。本文采用相關(guān)數(shù)值分析法和MATLAB語言編寫相應(yīng)軟件得到了均勻和非均勻土壤下大型變電站最優(yōu)接地網(wǎng)優(yōu)化布置方案，并以工程實(shí)例為支撐提出了大型變電站接地網(wǎng)改造過程，計(jì)算得到了一些數(shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)比較，證明了接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性和正確性。上述方法可有效提高地網(wǎng)運(yùn)行的安全水平。未來，我們還需對三層以上及復(fù)合土壤結(jié)構(gòu)下大型變電站接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，切實(shí)保證電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全運(yùn)行。

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