雙層接地系統(tǒng)在市區(qū)變電站中的應(yīng)用

張勁松，錢(qián) 鋒，吳棟良，葉 海，陳 遲，嚴(yán)龍陽(yáng)，周海軍

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210002；2.江蘇揚(yáng)州辰浩電力有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；3.北京加華賽時(shí)電力安全技術(shù)有限公司，北京 100080)

雙層接地系統(tǒng)在市區(qū)變電站中的應(yīng)用

張勁松1，錢(qián) 鋒2，吳棟良2，葉 海2，陳 遲1，嚴(yán)龍陽(yáng)3，周海軍3

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210002；2.江蘇揚(yáng)州辰浩電力有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；3.北京加華賽時(shí)電力安全技術(shù)有限公司，北京 100080)

為在有限的可用面積內(nèi)盡可能保證接地系統(tǒng)滿(mǎn)足安全要求，探討了在市區(qū)變電站采用雙層接地系統(tǒng)的可行性及有效性；比較了不同土壤結(jié)構(gòu)中，雙層接地系統(tǒng)與單層常規(guī)接地系統(tǒng)的接地性能；通過(guò)分析降阻率、下層接地系統(tǒng)的散流效果、接觸電壓和跨步電壓等接地參數(shù)，為市區(qū)變電站雙層接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

變電站；雙層接地系統(tǒng)；降阻率；散流；接地電阻

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，電力負(fù)荷，尤其是市區(qū)集中用電需求的不斷攀升，位于城市市區(qū)范圍內(nèi)的緊湊型、小型化高壓變電站也不斷出現(xiàn)。由于市區(qū)可用面積小、周邊設(shè)施眾多，如何保證市區(qū)變電站及周邊人員的安全，給市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。對(duì)常規(guī)的郊區(qū)變電站系統(tǒng)而言，可通過(guò)增加接地系統(tǒng)面積、外引接地、垂直接地棒等方法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但市區(qū)變電站可用面積小，有些變電站可能毗鄰住宅區(qū)、加油站、管道等設(shè)施，使得常規(guī)接地優(yōu)化手段，如引外接地、深井爆破等措施難以實(shí)施。

目前，市區(qū)接地系統(tǒng)主要采用長(zhǎng)距離的垂直接地棒(深井)或深井爆破等方式進(jìn)行改進(jìn)，但此種方式主要依靠深層低土壤電阻率的特性，不能適用于所有情況。同時(shí)，市區(qū)接地系統(tǒng)對(duì)周邊其他設(shè)施安全性的影響，也是限制深井或深井爆破在市區(qū)變電站中廣泛使用的主要原因。

為了更好地探究市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工方法，在有限的可用面積內(nèi)盡可能滿(mǎn)足接地系統(tǒng)的安全要求，本文從評(píng)價(jià)接地系統(tǒng)安全性的主要指標(biāo)，如接地電阻、接觸/跨步電壓等參數(shù)出發(fā)，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證的方法探討在市區(qū)變電站中使用雙層接地系統(tǒng)的可行性，研究與常規(guī)單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)在接地電阻、散流效果以及接觸/跨步電壓等方面的有效性，為市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和工程指導(dǎo)，具有實(shí)際意義。

本文使用的分析工具為CDEGS軟件包。對(duì)設(shè)計(jì)的雙層地網(wǎng)模型計(jì)算各參數(shù)的依據(jù)(規(guī)范)主要參考了GB/T50065—2011《交流電氣裝置接地設(shè)計(jì)規(guī)范》。

1 計(jì)算模型的選取

選取的雙層接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙層接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

標(biāo)準(zhǔn)市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的可用面積為60 m×80 m。上層接地系統(tǒng)埋深0.8 m，上層地網(wǎng)均壓帶間距S1=10 m，下層地網(wǎng)均壓帶間距S2=20 m。2個(gè)接地系統(tǒng)通過(guò)8根位于接地網(wǎng)邊緣的垂直連接導(dǎo)體連接，可最大程度地減少垂直連接導(dǎo)體間的屏蔽效應(yīng)。按照工程實(shí)際情況，選取的垂直連接導(dǎo)體長(zhǎng)度D的變化范圍為1-10 m。接地導(dǎo)體均選用40 mm×4 mm扁鋼。

常規(guī)單層接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，與雙層接地系統(tǒng)的唯一區(qū)別在于：?jiǎn)螌咏拥叵到y(tǒng)不存在下層接地系統(tǒng)。

圖2 常規(guī)單層接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

對(duì)于分析中使用的土壤結(jié)構(gòu)，本文選取常用的典型土壤形式，分別為均勻和水平2層形式，具體參數(shù)如表1所示。定義折射率K=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1)，其中ρ1為上層土壤的電阻率，ρ2為下層土壤的電阻率。

表1 土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 降阻率

接地電阻是衡量接地系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，大多可以通過(guò)測(cè)量接地電阻值以判斷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工效果。為定量分析雙層接地系統(tǒng)的降阻效果，將其與單層接地系統(tǒng)做比較，定義降阻率為：Rr=(1-R雙/R單)×100 %，其中R單為圖2中的單層接地系統(tǒng)的接地電阻值，R雙為圖1中的雙層接地系統(tǒng)的接地電阻值。

在3種不同折射率K的土壤結(jié)構(gòu)中，降阻率Rr與層間距D的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，對(duì)于雙層接地系統(tǒng)，當(dāng)層間距D較小時(shí)，與單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果較??；隨著層間距D的增大，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果有所增加。這主要是隨著層間距D的增大，在故障電流通過(guò)接地系統(tǒng)散流時(shí)，2個(gè)接地系統(tǒng)間的導(dǎo)體之間屏蔽效果逐漸減弱，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果越為明顯；對(duì)于均勻土壤結(jié)構(gòu)形式（K=0），降阻率隨層間距D的增大緩慢上升，降阻比例在15 %以下。當(dāng)K=0.5時(shí)，即上層土壤電阻率小于下層土壤電阻率時(shí)，隨著層間距D的增大，雙層接地系統(tǒng)的降阻率雖然也保持上升趨勢(shì)，但并不明顯，降阻率最大不超過(guò)10 %。

圖3 雙層接地系統(tǒng)層間距對(duì)降阻率的影響

同時(shí)還可以看出，當(dāng)K=0.5時(shí)，即上層土壤電阻率小于下層土壤電阻率，層間距D為3-4 m時(shí)，雙層接地系統(tǒng)的降阻率有所降低。其主要原因在于：上層土壤厚度4 m，下層接地系統(tǒng)埋設(shè)于高電阻率土壤層，此時(shí)下層的高電阻率土壤層會(huì)影響下層接地系統(tǒng)的散流效果，造成雙層接地系統(tǒng)的接地電阻有所上升，使雙層接地系統(tǒng)的降阻率下降。當(dāng)K=-0.5時(shí)，即上層土壤電阻率大于下層土壤電阻率，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果最高可以達(dá)到29 %，但降阻率在D達(dá)到4 m后，出現(xiàn)趨于飽和現(xiàn)象。

由此可見(jiàn)，就降阻效果而言，隨著層間距D的增大，雙層接地系統(tǒng)的降阻率有所提高。但對(duì)于下層土壤電阻率較高的土壤結(jié)構(gòu)形式，降阻率始終保持在較低水平，所以此時(shí)使用雙層接地系統(tǒng)的意義不大。

3 散流效果

接地系統(tǒng)的一個(gè)主要功能是在變電站發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，故障電流可以快速通過(guò)接地系統(tǒng)流入土壤中。與單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)具有更多的接地導(dǎo)體接觸土壤，增加了故障電流流入大地的路徑，從而具有更好的散流效果。

為定量分析下層接地系統(tǒng)對(duì)散流效果的影響，將分析不同情況下故障電流通過(guò)下層接地系統(tǒng)散流的情況。此處定義散流因子Ri=(I底/I總)×100 %，其中，I底為雙層接地系統(tǒng)情況下通過(guò)下層接地系統(tǒng)流入土壤中的電流，I總為雙層地網(wǎng)故障點(diǎn)處注入的總?cè)氲仉娏鳎⒘饕蜃覴i為下層接地系統(tǒng)的散流效果提供定量解釋。

雙層接地系統(tǒng)的散流因子Ri與層間距D的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 雙層接地系統(tǒng)層間距對(duì)底層分流比例的影響

從圖4可以看出，采用雙層接地系統(tǒng)后，故障電流在通過(guò)接地系統(tǒng)散流時(shí)會(huì)有很大一部分電流流入下層接地系統(tǒng)，并通過(guò)下層接地系統(tǒng)流入土壤中。隨著層間距D的增大，通過(guò)下層接地系統(tǒng)散流的電流比例也有所增加；即使在層間距D較小的情況下，也約有40 %入地故障電流通過(guò)下層接地系統(tǒng)散流，尤其當(dāng)下層土壤電阻率較低(K=-0.5)時(shí)，在下層接地系統(tǒng)接觸到下層土壤后，散流因子甚至接近80 %。但需注意的是，下層接地系統(tǒng)接觸到下層土壤時(shí)(上層土壤厚度為4 m)，分流比例很快趨于飽和。在均勻土壤中，分流比例穩(wěn)步上升，層間距D為10 m，下層接地系統(tǒng)的散流比例達(dá)到60 %。而對(duì)于K=0.5的土壤結(jié)構(gòu)形式，在下層接地系統(tǒng)剛接觸下層電阻率較高的土壤層時(shí)，由于下層高電阻率土壤的阻礙，故障電流多通過(guò)上層低電阻率土壤層散流，此時(shí)下層接地系統(tǒng)分流效果有所減弱，之后逐步緩慢回升到最大40 %左右，這與下層接地系統(tǒng)深入下層土壤2-3 m深度時(shí)的分流比例接近，所以此后再增加層間距意義不大。

從圖3和圖4還可以看出，雙層接地系統(tǒng)提供了更多的電流散流通道，可以在接地電阻降低比例較小的情況下，將更多的電流導(dǎo)入深層土壤，降低地表附近的電流密度，從而減少地表處的電位值?；诖舜窝芯恐械牟蓸訑?shù)據(jù)可知：對(duì)于水平雙層接地系統(tǒng)，如果在下層接地系統(tǒng)接觸到下層土壤一定深度后再繼續(xù)增加層間距，其降阻和分流效果并沒(méi)有明顯增加，在一定層間距內(nèi)甚至不如剛接觸下層土壤時(shí)的效果，尤其是分流效果。即在增加層間距的同時(shí)，需要考慮將下層接地系統(tǒng)敷設(shè)在低土壤電阻率層，將更有助于降低接地電阻或散流。

4 接觸/跨步電壓

接觸電壓和跨步電壓是評(píng)估接地系統(tǒng)安全性能的重要參數(shù)，在各個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于接觸/跨步電壓均明確提出了安全要求。

在雙層接地系統(tǒng)情況下，接觸電壓最大值的變化情況如圖5所示。此處定義接觸電壓降低比例為Rt=(1-VT雙/VT單)×100 %，其中VT單為單層接地系統(tǒng)情況接觸電壓的最大值，VT雙為采用雙層接地系統(tǒng)后接觸電壓的最大值。

圖5 雙層接地系統(tǒng)層間距對(duì)接觸電壓的影響

從圖5可以看出，當(dāng)市區(qū)變電站接地系統(tǒng)采用雙層接地系統(tǒng)后，各種土壤結(jié)構(gòu)下接觸電壓最大值均有所降低，其主要原因是：增加下層接地系統(tǒng)使得層間土壤的電位更平均，更接近于導(dǎo)體電位，從而降低了接觸電壓最大值。

在雙層接地系統(tǒng)情況下，跨步電壓最大值的變化情況如圖6所示。此處定義跨步電壓降低比例為：RS=(1-VS雙/VS單)×100 %，其中VS單為單層接地系統(tǒng)情況跨步電壓的最大值，VS雙為采用雙層接地系統(tǒng)后跨步電壓的最大值。

從圖5和圖6可以看出，在不同土壤結(jié)構(gòu)下，接觸電壓和跨步電壓降低比例的趨勢(shì)基本相同；但根據(jù)定量分析，其數(shù)值結(jié)果還是有所不同。如在均勻土壤中和K=-0.5的土壤中，接觸電壓和跨步電壓降低比例幅值基本相似；在K=0.5的土壤中，接觸電壓最大值可降低約為40 %，而跨步電壓最大值降低僅約為17 %。原因在于單層接地系統(tǒng)均壓帶間距僅約為10 m，此時(shí)均壓效果較好，已經(jīng)將跨步電壓降低到較低水平；所以即使采用雙層接地系統(tǒng)，對(duì)于跨步電壓而言，其降低的比例也不甚明顯。

圖6 雙層接地系統(tǒng)層間距對(duì)跨步電壓的影響

總之，采用雙層接地系統(tǒng)會(huì)降低地表處接觸電壓和跨步電壓的最大值。從散流角度來(lái)看，增加下層接地系統(tǒng)后，為故障電流提供更多的散流路徑，使得更多故障電流通過(guò)下層接地系統(tǒng)流向土壤深處，降低了地表附近電流強(qiáng)度，從而降低了接觸/跨步電壓值。

5 結(jié)論

(1) 從接地電阻值來(lái)看，與傳統(tǒng)單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)不具有明顯優(yōu)勢(shì)；但由于增加了電流在土壤深處的散流路徑，雙層接地系統(tǒng)對(duì)故障電流的快速深層散流和對(duì)地表接觸(跨步)電壓的降低效果表現(xiàn)顯著，其效果與層間距趨于正相關(guān)，在很大程度上提高和保障了變電站及其周邊區(qū)域的電力安全性。

(2) 在不同土壤結(jié)構(gòu)下，雙層接地系統(tǒng)的接地性能也各不相同。當(dāng)?shù)讓咏拥鼐W(wǎng)接觸到下層高電阻率土壤層時(shí)，會(huì)降低接地系統(tǒng)的接地性能；當(dāng)接觸到下層低電阻率土壤層時(shí)，可更大幅提高其接地性能。對(duì)于水平雙層土壤，建議將雙層接地系統(tǒng)間的層間距保持在土壤的上層厚度附近，這樣既可在一定范圍內(nèi)得到最佳的接地性能，又可避免繼續(xù)增加層間距造成工程成本的浪費(fèi)。但應(yīng)特別注意的是，如果使用該層間距仍然不能滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)重新進(jìn)行接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。對(duì)于均勻土壤，持續(xù)地增加層間距可以緩慢地提高接地效果，但也需要考慮達(dá)到一定層間距后的飽和現(xiàn)象和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的限制。

(3) 目前，雙層地網(wǎng)在中國(guó)的應(yīng)用主要以城市地下變電站(多層地網(wǎng)結(jié)構(gòu))以及GIS專(zhuān)有網(wǎng)與主地網(wǎng)構(gòu)成雙層網(wǎng)等形式為代表。本文對(duì)變電站雙層接地系統(tǒng)的研究為此類(lèi)變電站的設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 陳先祿.接地[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.

2 GB/T50065—2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京，2012.

3 何金良，曾 嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2007.

4 付龍海，吳廣寧，王 顥，等.青藏鐵路格拉段變電站立體接地網(wǎng)的分析研究[J].高電壓技術(shù)，2005，31(3)：28-30.

5 林幼暉.變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟[J].電力建設(shè)，2001，22(1)：32-34.

6 張永生，胡旭東，王 偉，等.變電站直流系統(tǒng)接地故障分析[J].電力安全技術(shù)，2012，14(1)：49-51.

7 付龍海.水平雙層土壤對(duì)接地網(wǎng)電氣特性的影響[J].電氣應(yīng)用，2008，27(14)：42-44，47.

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2015-08-15。

張勁松(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)高電壓研究工作，email：15905166808@163.com。

錢(qián) 鋒(1964-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)電氣一次設(shè)計(jì)工作。

吳棟良(1981-)，男，副高級(jí)工程師，主要從事變電一次設(shè)計(jì)工作。

葉 海(1975-)，女，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)研究。

陳 遲(1983-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)高壓電研究工作。

嚴(yán)龍陽(yáng)(1991-)，男，工程師，主要從事電磁干擾分析與接地系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)工作。

周海軍(1979-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)接地安全分析與評(píng)估、公用走廊電磁干擾分析與設(shè)計(jì)及雷擊暫態(tài)與屏蔽分析工作。