接地網(wǎng)短路電流分流系數(shù)及其地電位研究

在傳統(tǒng)的變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中判定其是否滿足使用需求，一般通過判斷電阻值是否滿足要求這一指標(biāo)進(jìn)行衡量[1]。在以往的研究理論中，以及經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，表明在接地網(wǎng)的實(shí)際施工設(shè)計(jì)中可降低對接地電阻的要求，但接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的接觸電壓與跨步電壓對設(shè)備的影響不可忽略，接觸與跨步電壓的數(shù)值計(jì)算通過接地網(wǎng)地表電位實(shí)現(xiàn)。兩項(xiàng)電壓是在進(jìn)行變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要因素[2]。

1 入地故障短路電流分析計(jì)算

在進(jìn)行接地系統(tǒng)安全指標(biāo)的計(jì)算與分析中，主要以入地故障短路電流為基礎(chǔ)。當(dāng)變電站的工作系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)短路故障時(shí)，此時(shí)電流大部分在中性點(diǎn)的作用下自動(dòng)流回系統(tǒng)當(dāng)中，一部分電流經(jīng)由接地網(wǎng)流入土壤。變電站內(nèi)或站外系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過接地系統(tǒng)，最大的流入土壤的電流值或是土壤流入地網(wǎng)的電流最大值為掛賬電流最大值，這一數(shù)值有利于評(píng)估接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇時(shí)，選用參數(shù)一般是最大入地短路電流。可應(yīng)用以下步驟完成對最大接地短路電路的計(jì)算：

接地故障對稱電流If的確定：接地網(wǎng)故障電流分流系數(shù)Sf的計(jì)算依靠系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計(jì)線路，由分流系數(shù)計(jì)算得出入地對稱電流Ig。短路在變電站內(nèi)、外的表現(xiàn)有所不同，接地對稱電流的計(jì)算公式為：Ig=（Imax-In）Sf1，Ig=InSf2，式中Imax為系統(tǒng)故障時(shí)最大接地故障電流在數(shù)值上的有效值（A），In為站內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)流經(jīng)設(shè)備中性點(diǎn)的電流（A），Sf1、Sf2表述為分流系數(shù)，即變電站內(nèi)、外發(fā)生接地故障時(shí)；衰減系數(shù)Df的計(jì)算，最大接地故障不對稱電流有效值IG在數(shù)學(xué)關(guān)系上是衰減系數(shù)Df與入地對稱電流的乘積。在《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065-2011的附錄B 中，Df具體對應(yīng)值在表B.0.3中有明確對應(yīng)。進(jìn)行變電站的內(nèi)外接地故障的分流系數(shù)確定的原理與方法過程如下。

1.1 當(dāng)站內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)系統(tǒng)中對應(yīng)的分流系數(shù)Sf1的計(jì)算

當(dāng)變電站系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)單相接地故障事故時(shí)，假設(shè)桿塔接地電阻與每個(gè)檔距內(nèi)的導(dǎo)線參數(shù)相同（圖1）[4]。

圖1 站內(nèi)接地故障示意圖

零序電流在架空線路不通位置的計(jì)算見公式：

式中，ZS為地線阻抗在單位長度上的數(shù)值（Ω/km）；Zm為地線與相線之間在單位長度上的互阻抗（Ω/km）；D為檔距的平均長度（km）；rS為單位長度地線電阻數(shù)值（Ω/km）；aS為將電流化為表面分布后的地線的等值半徑（m）；k為地線的數(shù)量；DS為地線之間的距離（m）；Dm為地線之間的幾何均距（m），單地線時(shí)雙地線時(shí)為地線對地的等價(jià)鏡像距離，ρ為大地等值土壤電阻率（Ω·m）。當(dāng)時(shí)n=1時(shí)，可以根據(jù)以下公式進(jìn)行對分流系數(shù)的計(jì)算：

當(dāng)s＞10時(shí)，簡化Sf1，獲得公式：

1.2 分流系數(shù)在出現(xiàn)站外接地故障時(shí)的計(jì)算

圖2 站外接地故障示意圖

在站外發(fā)生如圖2所示的單相接地故障時(shí)，零序電流在不同位置流過的電流數(shù)值可以利用如下公式計(jì)算：

當(dāng)n=s時(shí)，將e-β計(jì)算表達(dá)式中的桿塔接地電阻R 替換原本的Rst，依據(jù)如下公式進(jìn)行對分流系數(shù)Sf2的計(jì)算：

當(dāng)s＞10時(shí)，對Sf2的形式進(jìn)行簡化，求得公式：

在上述公式中，變電站內(nèi)外的相關(guān)公式計(jì)算系數(shù)代表的含義相同。

2 接地電阻相關(guān)要求

關(guān)于接地電阻的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)前主要參照的規(guī)范是《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997。接地電阻值不滿足的情況下，接地電阻的數(shù)值增加不應(yīng)大于5Ω。

關(guān)于高土壤電阻率地區(qū)對接地電阻的要求可以參照《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》。當(dāng)在高土壤電阻率地區(qū)，即ρ＞500Ω·m，如果只考慮接地電阻的數(shù)值，那么必然會(huì)在經(jīng)濟(jì)上造成損失浪費(fèi)，所以在此地區(qū)的電阻允許值可以適當(dāng)降低。在短路電流流入大地情況時(shí)，可以將電阻值放寬到5Ω，同時(shí)不可忽視對接觸電壓與跨步電壓的校驗(yàn)。當(dāng)在獨(dú)立避雷針系統(tǒng)設(shè)備中接入電阻值時(shí)，這一電阻值的數(shù)值應(yīng)當(dāng)小于10Ω，在變電站接地網(wǎng)的實(shí)際施工過程中，如果難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，那么對接地電阻的數(shù)值要求可以采用放寬處理。避雷針中的接地裝置與主接地網(wǎng)相連，二者在連接長度上有規(guī)定，即35kV及以下設(shè)備和主網(wǎng)連接點(diǎn)連接時(shí)，其長度應(yīng)大于15m，同時(shí)對空氣中距離與地中距離進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。

3 地電位升及相應(yīng)隔離措施

3.1 地電位升的確定分析

在變電站中，接地網(wǎng)的電位上升與二次設(shè)備安全之間存在著極為密切的關(guān)聯(lián)。變電站接地系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)的地表電位數(shù)值會(huì)隨之升高，二次電纜通過絕緣保護(hù)套與大地相連，激增的電位會(huì)對二次電纜造成不可逆的傷害。

在我國的電氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確規(guī)定地電位升不大于2000V，詳見《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997，這一數(shù)值規(guī)定源自二次電纜設(shè)備外部的絕緣保護(hù)難以抵抗高電壓，可以假設(shè)一種環(huán)境，變電站接地系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，但是感應(yīng)電壓并未出現(xiàn)在二次電纜芯線上，那么此電壓為二次設(shè)備及屏蔽層電壓。

以單端接地的方式進(jìn)行電纜連接時(shí)，如果短路故障發(fā)生時(shí)，屏蔽層中并未有電流流入流出，則可以忽略電纜芯線感應(yīng)電壓，交流耐壓值決定了地電位升；應(yīng)用雙端接地方式處理電纜，短路故障發(fā)生時(shí)，較高的感應(yīng)電壓會(huì)表現(xiàn)在芯線周圍，主要是流經(jīng)的電流導(dǎo)致的，形成較小的電勢差。在變電站內(nèi)，兩個(gè)不同測試點(diǎn)之間的電位差的數(shù)值不會(huì)超出地網(wǎng)電位升數(shù)值幅度的40%，根據(jù)這一實(shí)踐原理數(shù)據(jù)，充分考慮到極端的環(huán)境情況與設(shè)備受到其他因素干擾的情況，應(yīng)用二次電纜進(jìn)行雙端接地的條件是其數(shù)值達(dá)到2kV，通過40%的范圍區(qū)間，則放寬地電位升到2000V/40%=5000V。

3.2 工頻反擊過電壓及其隔離措施

當(dāng)變電站在高土壤電阻率地區(qū)實(shí)際施工中，對于難以滿足大接地短路電流系統(tǒng)要求的電阻值設(shè)計(jì)值時(shí)，可以降低對電阻值的要求，但同樣不可忽視對接觸和跨步電壓的驗(yàn)算工作，變電站內(nèi)的3～10kV閥型避雷器即使在電位升高時(shí)也不動(dòng)作，將變電站內(nèi)電位進(jìn)行隔離。

3.2.1 3～10kV閥型避雷器的工頻放電電壓驗(yàn)算

在變電站的接地電阻系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)致部分短路電流直接流入土壤，此時(shí)對于變電站內(nèi)3～10kV閥型避雷器動(dòng)作來說，電位的升高極容易導(dǎo)致其發(fā)生爆炸。為解決這一隱患問題，整個(gè)變電站內(nèi)的整體接地電阻的數(shù)值不應(yīng)過大，其中計(jì)算允許接地電阻公式為：

式中，Ugf為3～10kV閥型避雷器工頻放電電壓下限值（kV）；I為短路電路在計(jì)算用的數(shù)值，并且此值需要計(jì)入短路電流的非周期分量（kA）；Ue為額定線電壓。

3.2.2 隔離接地電位在低壓線路中的措施

對低壓線路進(jìn)行一定的隔離處理，是防止低電位引入與高電位引出的情況發(fā)生。應(yīng)用絕緣性強(qiáng)的架空線路將變電站區(qū)域外的低壓線路引出，電源的中性點(diǎn)接地位置設(shè)置在戶外，為了避免引出高電位，接地形式為單獨(dú)接地；將變電站外的低壓線路引出，當(dāng)?shù)蛪罕芾揍槹惭b在電源側(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)接入一個(gè)額定電流為5A的一組熔斷器。隔離接地電位的操作是將處于接地網(wǎng)中的暫態(tài)電位升高，激發(fā)能量使避雷針對其造成擊穿，形成短路與熔斷熔體；對用戶的供電應(yīng)用電纜實(shí)現(xiàn)應(yīng)用戶外接地的只有電源中性點(diǎn)。