變電站接地電阻的設(shè)計及校驗方法

郭彩麗

（宇超電力股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)生活水平的不斷發(fā)展，對電能的需求也在日益地加重，電網(wǎng)分布也越來越密集，其中110 kV變電站的建設(shè)占據(jù)了很大的比重，國家電網(wǎng)對110 kV變電站實行模塊化通用設(shè)計，在江蘇省內(nèi)基本所有戶內(nèi)的110 kV變電站均要求采用A2-6方案設(shè)計。

一個變電站接地網(wǎng)的布置方式關(guān)系到人身和設(shè)備的安全，合理的接地網(wǎng)設(shè)計對變電站的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。該文針對某市某110 kV變電站新建工程的接地網(wǎng)進(jìn)行計算分析，并給出提高接觸電壓和跨步電壓允許值的方法。

某市某變建設(shè)規(guī)模：遠(yuǎn)景3×50 MVA主變壓器，電壓等級為110 kV/10 kV；本期建設(shè)2臺50 MVA三相雙繞組變壓器。供電線路包括電纜和架空線2種，其中電纜（630 mm2）長度為2.4 km，單回路架空線（240 mm2鋼芯鋁絞線帶避雷線）長度為5.8 km。

1 變電站單相入地短路電流的計算

1.1 本期規(guī)模

1.1.1 系統(tǒng)參數(shù)

常用基準(zhǔn)值：

根據(jù)系統(tǒng)收資，

（1）甲方提供系統(tǒng)短路容量為：1300 MVA。

系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值為：

（2）線路正序（負(fù)序）阻抗標(biāo)幺值為：

線路零序阻抗標(biāo)幺值為：

（3）變壓器的阻抗標(biāo)幺值：

1.1.2 本期規(guī)模系統(tǒng)接線圖（圖1～圖4）

1.1.2 單相短路時入地電流計算

單相短路電流正序分量：Id1（1）=Ij/ （X∑1’+X∑2’+ X∑0’）=0.502/（0.0977+0.0977+0.0858）=1.785kA

單相短路合成電流：Id（1）=3×Id1

（1）=5.355 kA

根據(jù)三相序網(wǎng)的基本概念，正序網(wǎng)絡(luò)和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中，流經(jīng)系統(tǒng)中性點(diǎn)和變壓器中性點(diǎn)的電流為0，在零序網(wǎng)絡(luò)中，流經(jīng)系統(tǒng)中性點(diǎn)的電流等于三相電流之和，即零序電流分量的3倍。所以流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流為：

圖1 本期正序阻抗圖

圖2 本期負(fù)序阻抗圖

圖3 本期零序阻抗圖

圖4 單相短路電流計算復(fù)合網(wǎng)絡(luò)阻抗圖

流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)電流：

計算得Iz=1.35kA

變電站內(nèi)發(fā)生短路時，流經(jīng)接地裝置的電流：

I內(nèi)=（Id（1）-Iz）×（1-Kf1）

變電站外發(fā)生短路時，流經(jīng)接地裝置的電流：

I外=Iz×（1-Kf2）

Kf1：變電站內(nèi)發(fā)生短路時避雷線的工頻分流系數(shù)，Kf1=0.5（經(jīng)驗值）

Kf2：變電站外發(fā)生短路時避雷線的工頻分流系數(shù)，Kf2=0.1（經(jīng)驗值）

經(jīng)計算：

I內(nèi)=2.0 kA

I外=1.22kA

因此，單相短路時入地電流

I入=I內(nèi)=2.0 kA

1.2 遠(yuǎn)景規(guī)模

1.2.1 系統(tǒng)參數(shù)

電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的遠(yuǎn)景短路電流一般采用簡化或者近似的計算，計算時假設(shè)故障前為空載；所有節(jié)點(diǎn)電壓均為平均額定電壓；系統(tǒng)各個元件的電阻略去；只計算短路電流的故障分量和基頻的周期分量。

（1）根據(jù)甲方提供的10年左右規(guī)劃預(yù)估系統(tǒng)短路容量為4000 MVA，系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值為：

XS1’= XS2’= XS0’=100/4000=0.025

（2）變壓器的阻抗標(biāo)幺值：

Xb1’= Xb2’= Xb0’=0.17×50/100=0.34

1.2.2 遠(yuǎn)景規(guī)模系統(tǒng)接線圖（圖5～圖8）

圖5 遠(yuǎn)景正序阻抗圖

圖6 遠(yuǎn)景負(fù)序阻抗圖

圖7 遠(yuǎn)景零序阻抗圖

圖8 單相短路電流計算復(fù)合網(wǎng)絡(luò)阻抗圖

1.2.3 單相短路時入地電流計算

單相短路電流正序分量：

單相短路合成電流：

流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)電流：

計算得Iz=1.41kA

變電站內(nèi)發(fā)生短路時，流經(jīng)接地裝置的電流：

I內(nèi)=9.61 kA

變電站外發(fā)生短路時，流經(jīng)接地裝置的電流：

I外=1.269 kA

因此單相短路時入地電流

I入=I內(nèi)=9.61 kA

2 變電站接地電阻最大值計算

對于有效接地和低電阻接地的系統(tǒng)的變電所電氣裝置保護(hù)的接地電阻宜符合下列要求：

R≤2000/I

其中：R—考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω。

I—計算用的流經(jīng)接地裝置的入地短路電流；A。

經(jīng)計算本期規(guī)模接地網(wǎng)電阻

R≤2000/2140=0.934Ω

經(jīng)計算遠(yuǎn)景規(guī)模接地網(wǎng)電阻得

R≤2000/9610=0.208Ω

3 變電站接地網(wǎng)設(shè)計方案的確定

變電站的主接地網(wǎng)為方孔接地網(wǎng)，均壓帶總根數(shù)為21根。

變電站接地網(wǎng)技術(shù)參數(shù)：變電站的主接地網(wǎng)以水平接地網(wǎng)為主，接地材料選用截面120 mm2銅絞線且邊緣閉合的復(fù)合接地體接地，垂直接地體為Φ14.2鍍銅接地棒，長度為2.5m，共79根。接地體總長度（垂直接地體+水平接地體）為：1 300 m；接地網(wǎng)外緣邊線總長度為：220 m；水平接地體埋深：0.8 m；接地網(wǎng)的總面積：2 675m2。經(jīng)勘測變電站土壤電阻率ρ（Ω·m）=24.42。

接地電阻計算公式：

經(jīng)計算接地電阻：R=0.237Ω

本工程的接地裝置的接地電阻雖然不滿足遠(yuǎn)景規(guī)模對接地電阻的要求。由于接地電阻值相差比較小，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可適當(dāng)?shù)卦龃蠼拥仉娮柚?，根?jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》中5.1條的要求，接地電阻不得大于5Ω。但是必須根據(jù)遠(yuǎn)景的情況校驗接觸電位差和跨步電位差。

4 變電站接觸電位差和跨步電位差的校驗

4.1 定義

接觸電位差定義：當(dāng)接地短路電流流過接地裝置時，大地表面形成分布電位差，在地面上離距設(shè)備水平距離0.8 m處與沿設(shè)備外殼、架構(gòu)或墻壁離地面的垂直距離為1.8 m處兩點(diǎn)間點(diǎn)電位差。

跨步電位差定義：地面上水平距離為0.8 m的兩點(diǎn)間的電位差。

4.2 遠(yuǎn)景規(guī)模最大接觸電位差和跨步電位差計算

發(fā)生接地故障時，接地裝置的電位：

Ew=I入×R=9.61×0.237×1000=2277.57V

此時接地網(wǎng)最大接觸電位差：

Ejm=Kj×Ew=0.168×2277.57=382.6 V ；

此時接地網(wǎng)最大跨步電位差：

Ekm=Kk×Ew=0.071×2277.57=161.7 V ；

其中：跨步系數(shù)Kk=0.071

接觸系數(shù)Kj=0.0168

4.3 變電站接觸電位差和跨步電位差的允許值計算

根據(jù)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中3.4條：110 kV及以上有效接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地或者同點(diǎn)兩相接地時，變電站接地裝置的接觸電壓和跨步電壓不應(yīng)超過下列值：

Ej：接觸電位差，V。

Ek：跨步電位差，V。

ρf：人腳站立處地表面的土壤電阻率，Ω·m。

t：接地短路（故障）電流的持續(xù)時間，s（主保護(hù)動作時間+第一級后備保護(hù)動作時間+斷路器開斷時間）；t=0.7s

變電站的跨步電位差和接觸電位差需要根據(jù)遠(yuǎn)景規(guī)模校驗，遠(yuǎn)景最大接觸電位差Ejm= 382.6 V； 遠(yuǎn)景最大跨步電位差Ekm=161.7 V ；變電站道路需要選擇水泥混凝土路面，在變電所圍墻和房屋附近鋪碎石，根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊》電氣一次部分中表16-3 “土壤和誰的電阻率參考值”中查的：

（1）水泥的電阻率：（在干土中）

ρf水泥=1000Ω·m

（2）水泥的電阻率：（在濕土中）

ρf水泥=200Ω·m

（3）碎石的電阻率：

ρf碎石=5000Ω·m

由于靠近建筑物附近的都是碎石，所以接觸電位差采用碎石的電阻率計算，道路是水泥路面，電阻率按照濕土中的電阻率計算。

根據(jù)上述條件計算得出接觸電位差和跨步電位差的值：

接觸電位差允許值：

Ej= 1223V＞Ejm= 382.6 V

跨步電位差允許值：

Ek=375V ＞Ekm=161.7 V

滿足遠(yuǎn)景規(guī)模的要求。

5 結(jié)論

（1）該文采用系統(tǒng)單相接地短路電流減掉流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)短路電流法計算入地電流，從而對變電站接地網(wǎng)接地電阻、計算跨步電位差和接觸電位差進(jìn)行計算，為變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計和驗算提供了一種有效的方法。

（2）本工程在建筑物和圍墻的四周鋪設(shè)碎石，厚度大概20 cm，即具有經(jīng)濟(jì)性維護(hù)又方便，增加計算接觸電位差允許值的地面土壤電阻率，增加接觸電位差的允許值。

（3）如變電站遠(yuǎn)景單相接地短路時的最大接觸電位差和跨步電位差超出允許值時，可以采用下列的措施提高接觸電壓和跨步電壓的方法：1）在經(jīng)常維護(hù)的通道、操作機(jī)構(gòu)四周、保護(hù)網(wǎng)的附件增加局部的水平均壓帶，以降低人身承受電壓；2）鋪設(shè)礫石（碎石、卵石）地面或瀝青地面，以提高地表面的電阻率，以降低人身承受的電壓。