高土壤電阻率地區(qū)變電站接地設(shè)計研究

張名祥，劉 靜

（1.中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230601；2.國家電網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000）

在設(shè)計變電站接地系統(tǒng)時，若接地電流處于最大值時，跨步及接觸電壓將達到最大值，進而會對人身及設(shè)備造成威脅；若變電站出現(xiàn)短路，并不意味著所有障礙電流流入大地，實際上，部分障礙電流借助避雷線進行分流?；诮拥鼐W(wǎng)，部分電流直接回流至變壓器，部分短路電流直接流入大地。因此，在計算電流時，應(yīng)充分考慮分流情況。分流系數(shù)是指故障電流與總故障電流的比值，受到多種因素的影響，如土壤特性及檔距等。

1 系統(tǒng)模型

以某220kV變電站為例，計劃進行6回220kV出線，此次進行2回，依次接入220kV龍泉及惠灃變電站，2回接入500kV中華變電站、1回接入南定熱電廠、接入220kV龍泉變電站1回、接入220kV惠灃變電站2回。依據(jù)遠景及新建線路長度，預(yù)算臨近站與220kV變電站之間線路長度，具體如表1所示。

表1 某220kV變電站至各個相鄰站的線路長度

依據(jù)變電站遠景系統(tǒng)方案，6回線路采用架空線的方式，初始端塔檔距為310m，終端塔檔距為110m。該設(shè)計接地網(wǎng)尺寸規(guī)格為長95.5m、寬43.5m，在布置不等間距時，以11m間距為標準，入地深度為0.9m。接地裝置為十字形，裝置單臂長度為4m，一般而言，接地電阻為11Ω。

2 站內(nèi)外接地網(wǎng)對分流系數(shù)的影響

如變電站出現(xiàn)短路，系統(tǒng)電流分布直接決定分流系數(shù)，短路中的故障電流未全部流入大地，部分障礙電流借助避雷線分流，部分障礙電流直接流至變壓器，部分短路電流流至大地。剩下短路電流能安全檢驗跨步電壓及接觸電勢，是真正發(fā)揮作用的入地短路電流，可以用以下公式表示：

式中：基于變電站發(fā)生短路故障，Imax為最大對稱電流有效值，A；In為中性點電流，A；Kf1為分流系數(shù)。若短路故障出現(xiàn)于線路，在短路電流流回變壓器中性點的過程中，基于架空地線，部分短路電流流回，計算入地短路電流可用以下公式表示：

式中：Kf2為變電站外分流系數(shù)。一般而言，影響分流系數(shù)的因素主要包括接地網(wǎng)接地阻抗、塔桿接地電阻及電氣參數(shù)等。接地網(wǎng)接地阻抗越小，流入大地的故障電流越多；若接地阻抗較大，基于接地網(wǎng)，部分短路電流流入大地，借助架空線及電纜，部分短路電流回流至變電站。接地阻抗值極容易發(fā)生改變，因此分流系數(shù)隨之發(fā)生一定的改變?？傊?，接地阻抗是影響分流系數(shù)的重要因素之一。塔桿接地電阻越小，借助架空線，故障電流更容易流入大地，進而降低分流系數(shù)；若塔桿接地電阻越大，則故障電流難以經(jīng)過桿塔流入大地。地線的電氣參數(shù)中的地線導(dǎo)電能力越強，分流系數(shù)越小；地線導(dǎo)致性能越低，接地網(wǎng)的分流系數(shù)越大。進出線回路數(shù)越多，分流效果越好，流入大地的故障電流越少，分流系數(shù)進而降低；當線路檔數(shù)與檔距增加時，分流系數(shù)隨之增大。

3 最大入地電流的計算

依據(jù)掌握的變電站資料，220kV變電站及臨近變電站的短路回流（分單相與三相兩種）處于35kA以下，得出該變電站系統(tǒng)阻抗，如表2所示。

表2 系統(tǒng)阻抗

該變電站入土深度低于0.9m，因此季節(jié)性凍土不影響分流系數(shù)。變電站內(nèi)發(fā)生短路故障時，基于地線參數(shù)能影響分流系數(shù)（分流系數(shù)取0.62），將其帶入公式得知，變電站進入大地最大短路電流為13.96kA（電壓為220kV）。變電站外發(fā)生短路故障時，基于地線參數(shù)能影響分流系數(shù)（分流系數(shù)取0.15），將其帶入公式得知，變電站進入大地最大短路電流為12.57kA（電壓為220kV）。通過以上分析可以得出，變電站（220kV）流入大地的短路電流應(yīng)取13.96kA。

4 設(shè)計目標

基于相關(guān)規(guī)范及規(guī)定，接地電阻應(yīng)滿足一定條件，可以用以下公式表示：

式中：R為入地最大電阻，Ω；IG為不對稱電流有效值，A。基于變電站（220kV）流入大地的短路電流取13.96kA，將其帶入公式，接地電阻應(yīng)滿足R≤2000÷IG=2000÷13960=0.1432Ω。一般而言，流入大地的短路電流較大，要使接地電阻小于0.1432Ω，這是難以實現(xiàn)的，所需造價成本較高，且不科學(xué)合理，因此若該變電站（220kV）接地電阻與上述要求不符，為確?？绮郊敖佑|電位差滿足要求，可以采用加大絕緣與隔離得以實現(xiàn)?；谌氲刈畲箅娏骷霸O(shè)計目標，得出該變電站跨步及接觸電壓最大安全值，如表3所示。

表3 最大接觸及跨步電壓安全值（t取0.6s）

通過表中數(shù)據(jù)可以得知，對于該變電站（220kV）的設(shè)計目標而言，若無碎石，跨步電壓應(yīng)處于370.9V以下，接觸電勢處于276.5V以下；若有22cm厚，潮濕狀態(tài)下電阻率為2550Ω·m的碎石，該區(qū)域跨步電壓應(yīng)處于2720.8V以下，接觸電勢應(yīng)處于847.2V以下。

5 不等間距和等間距接地網(wǎng)電位分布比較

對于變電站傳統(tǒng)接地設(shè)計而言，為便于連接及布置地網(wǎng)，在滿足跨步及接觸電壓的基礎(chǔ)上，采用等間距的方式來布置均壓導(dǎo)體，主要基于鄰近效應(yīng)，地網(wǎng)中心處泄漏電流遠小于邊角處，進而導(dǎo)致地網(wǎng)電位不均勻分布，地網(wǎng)中心網(wǎng)孔接觸電勢遠小于邊角處，且這種差值與網(wǎng)孔數(shù)及地網(wǎng)面積呈正比例關(guān)系。具體而言，隨著網(wǎng)孔數(shù)及地網(wǎng)面積的增加，這種差值隨之變大。一般在對接地網(wǎng)進行優(yōu)化時，存在多個可優(yōu)化的參數(shù)，如接觸電勢及電阻，甚至包括跨步電壓。若導(dǎo)體數(shù)與接地網(wǎng)面積保持不變，布置方式（分非均勻及均勻兩種）基本不影響接地電阻值，但改變布置方式能影響跨步電壓及接觸電壓。

通常情況下，若跨步電壓滿足要求，則接觸電勢也滿足要求。通過布置合適間距的接地體，能降低系統(tǒng)短路故障的地電位升，也能降低過電壓水平，因此設(shè)備安全性得以提升，進而確保二次系統(tǒng)具備一定的可靠性及安全性?？偠灾?，采用最佳的布置方式能降低跨步電壓，在確保安全的基礎(chǔ)上，能降低成本費用，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益及社會效益。

另外，不等間距布置能降低接地電阻。采用不等間距的方式布置能降低土壤邊角電位，土壤表面中心電位隨之升高，進而促使分布于電網(wǎng)中的電位均勻，不僅能有效降低跨步電壓，同時還能減小接觸電勢。在對接地網(wǎng)進行布置時，采用不等間距的方式，能促使網(wǎng)孔電位趨于一致，在此情況下，變電站安全水平得以提高，不等間距布置能減少電流差別。

6 結(jié)論

通過以上分析可知，接地阻抗越小，流入大地的故障電流越多；接地阻抗較大，部分短路電流回流至變電站；塔桿接地電阻越大，故障電流難以經(jīng)過桿塔流入大地；當線路檔數(shù)與檔距增加時，分流系數(shù)隨之增大；為確?？绮郊敖佑|電位差滿足要求，可以采用加大絕緣與隔離得以實現(xiàn)。對于該變電站（220kV）的設(shè)計目標而言，若無碎石，跨步電壓應(yīng)處于370.9V以下，接觸電勢應(yīng)處于276.5V以下；采用不等間距的方式布置，能降低土壤邊角電位，有效降低跨步電壓，還能減小接觸電勢。