基于CDEGS變電站大型接地網(wǎng)安全性狀態(tài)診斷及分析

南方電網(wǎng)紅河供電局 余 煒 余云光 王允光 騰 飛 趙元東 何 磊

長期以來，在大型地網(wǎng)安全性檢測方面主要是進(jìn)行接地阻抗的測試，只要測試值符合規(guī)程要求和滿足設(shè)計值要求，就認(rèn)為接地網(wǎng)符合安全運(yùn)行的要求。忽略接地網(wǎng)除了為變電站各種電氣設(shè)備提供公共參考地，更重要的是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時能快速釋放故障電流和改善變電站的地電位分布，從而保證設(shè)備和人身的安全。因此，接地網(wǎng)的作用主要體現(xiàn)在安全性上，接地故障下地電位的升高和網(wǎng)內(nèi)電位差這兩個指標(biāo)反映了故障期間設(shè)備的安全性，跨步電位差和接觸電位差這兩個指標(biāo)則反映人員的安全性[1]。這4個指標(biāo)是大型接地網(wǎng)的安全性指標(biāo)，其中電位差是造成人身和設(shè)備安全風(fēng)險的主要原因。

隨著經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)容量、電壓等級、短路電流水平等的不斷增加，數(shù)字化電子設(shè)備和弱電子設(shè)備的普遍應(yīng)用，均對接地網(wǎng)的安全可靠性提出了越來越嚴(yán)格的要求。近年提出了大型接地網(wǎng)多維度評價理念和評價方法，以期摒棄只強(qiáng)調(diào)接地阻抗單一指標(biāo)的不科學(xué)評價模式[2]。本文針對某220kV變電站的接地網(wǎng)安全性診斷及分析，通過現(xiàn)場測試與仿真計算相結(jié)合的方式，提出接地網(wǎng)安全問題的解決方案，改變以往接地網(wǎng)只單一檢測接地阻抗的方式，提高接地網(wǎng)安全運(yùn)行水平。

1 安全性狀態(tài)診斷內(nèi)容及其意義

大型接地網(wǎng)安全性狀態(tài)是由散流性能（如接地阻抗、站址土壤特性和地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）、均壓性能（接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、短路電流水平和地線分流系數(shù)）和健康性（電氣完整性、導(dǎo)體腐蝕狀況和熱穩(wěn)定性）多方面來描述和表征[1]。雖然這幾個方面對接地網(wǎng)的安全性影響較多，但以往的評價卻考慮較少，難以對接地網(wǎng)安全性進(jìn)行科學(xué)、全面、準(zhǔn)確的評價。大型接地網(wǎng)安全性診斷及分析應(yīng)基于接地網(wǎng)最基本的安全性能來進(jìn)行，緊緊圍繞故障下地電位升、網(wǎng)內(nèi)電位差、跨步電位差和接觸電位差這4個安全性指標(biāo)進(jìn)行檢測和分析，主要工作內(nèi)容包括：

收集變電站接地網(wǎng)竣工和改造后的相關(guān)圖紙資料、測試報告，通過分析整理，掌握變電站接地網(wǎng)的基本情況；采用四極法測量出變電站土壤電阻率隨測量極間距變化的曲線，通過接地分析軟件CDEGS進(jìn)行分析計算，得出土壤的實(shí)際分層結(jié)構(gòu)模型，對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；通過收集的相關(guān)資料確認(rèn)目前的變電站接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、對變電站出線避雷線分流系數(shù)進(jìn)行測量和處理。測量得出接觸電壓、跨步電壓、接地阻抗和分流系數(shù)等接地網(wǎng)工頻特性參數(shù)。確定接觸電壓和跨步電壓是否超過安全限值；對接地網(wǎng)進(jìn)行導(dǎo)通試驗(yàn)，通過測量所得直流電阻值判斷接地網(wǎng)的腐蝕情況和對地網(wǎng)的電氣完整性進(jìn)行評估。

通過接地分析軟件CDEGS進(jìn)行仿真計算，得出土壤分層結(jié)果模型和接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，通過與分流系數(shù)和接地阻抗的實(shí)測值進(jìn)行分析對比，驗(yàn)證出仿真模型的可靠性。計算出變電站發(fā)生接地故障時避雷線對故障電流的分流系數(shù)，從而確定最大入地故障電流，計算變電站接地網(wǎng)接觸電壓和跨步電壓在不同區(qū)域發(fā)生單相接地故障時的分布情況。判斷是否能夠滿足人員和設(shè)備的安全性要求；通過接地分析軟件CDEGS建立的仿真模型和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，有針對性的給出接地網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)和改造方面的科學(xué)建議。

2 安全性狀態(tài)診斷分析

某220kV變電站敷設(shè)了由40×4mm扁鋼構(gòu)成的以水平接地體為主的接地網(wǎng)，接地網(wǎng)埋深0.6m，使用鋼材長度為3770m；共打85個∠50×50×5mm，L=2500mm的垂直接地體。接地阻抗設(shè)計值為0.5Ω，核算的變電站最大單相接地短路電流為14.93kA。

2.1 接地網(wǎng)接地阻抗測試

根據(jù)接地網(wǎng)圖紙資料，接地網(wǎng)對角線長度約280m，采用電流—電壓表三級法進(jìn)行測量，電流極dCG為980m，按照DL/T 475-2017《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》要求，電壓極dpG通常為0.5～0.6倍電流極dCG。電位極P應(yīng)在被測接地裝置G與電流極C連線方向移動三次，每次移動的距離為電流極dCG的5%左右，如三次測試的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)即可（表1）。在637m、588m、539m三個位置移動的距離沒有超過5%，接地阻抗未超過5%，因此以這三個位置的阻抗值的平均值為地網(wǎng)接地阻抗值，接地阻抗測試結(jié)果為0.2396Ω。避雷線分流系數(shù)為0.7916，接地網(wǎng)接地阻抗為0.3027Ω，顯然滿足小于0.5Ω的設(shè)計要求。

表1 接地網(wǎng)接地阻抗測試結(jié)果

2.2 接觸電位差和跨步電位差及場區(qū)地表電位梯度分布

圖1 場區(qū)地表電位分布測試路線

圖2 場區(qū)地表電位梯度分布曲線圖

接觸電位差和跨步電位差都是衡量變電站發(fā)生接地短路故障下與接地網(wǎng)相關(guān)的站內(nèi)人員安全水平的重要指標(biāo)[3]。對于變電站來說，其單相接地故障電流總體水平比較高，據(jù)此選取了220kV場區(qū)和110kV場區(qū)作為故障點(diǎn)，計算出最大的跨步電位差和接觸電位差，分別為28.83/24.30，22.37/25.61；場區(qū)地表電位梯度分布測試路線如圖1，圖中●為曲線參考點(diǎn)，測試結(jié)果如圖2，場區(qū)地表電位梯度分布曲線8起伏較大，接地裝置狀況存在不良情況。

2.3 接地網(wǎng)接地導(dǎo)體腐蝕診斷

根據(jù)變電站接地網(wǎng)設(shè)計圖紙編寫接地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和支路，在編制時根據(jù)設(shè)計圖紙中的尺寸和連接情況輸入到診斷軟件中。在腐蝕診斷軟件里面形成接地網(wǎng)腐蝕及診斷模型。按照DL/T475的要求，選擇一個與主接地網(wǎng)連接的接地引下線為參考點(diǎn)進(jìn)行地網(wǎng)導(dǎo)通試驗(yàn)，測量各電氣設(shè)備與參考點(diǎn)之間的直流電阻，如果測量數(shù)據(jù)偏大，應(yīng)重新更換參考點(diǎn)，對地網(wǎng)的電氣完整性通過直流電阻的測試結(jié)果進(jìn)行判斷，得出的測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入CDEGS接地分析軟件進(jìn)行仿真（圖3）。

圖3 變電站接地網(wǎng)腐蝕診斷結(jié)果

由腐蝕診斷軟件運(yùn)行結(jié)果可知，65支路和77支路電阻值增大10倍，其中183節(jié)點(diǎn)為35kV線路耦合電容器、194節(jié)點(diǎn)為35kV線路T線耦合電容器。參照DL/T1532-2016《接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)導(dǎo)則》7.3.3接地網(wǎng)腐蝕診斷判斷依據(jù)（接地網(wǎng)支路電阻增大倍數(shù)0～1為輕度腐蝕、2～9為中度腐蝕、＞9為嚴(yán)重腐蝕），判斷兩處設(shè)備與主接地網(wǎng)連接導(dǎo)體屬于嚴(yán)重腐蝕。

2.4 站址土壤電阻率測試和土壤結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)DL/T475-2017《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》，采用四級法測試土壤電阻率，根據(jù)接地網(wǎng)設(shè)計資料，接地網(wǎng)對角線長度約280m，設(shè)置最大的間距a為150m，設(shè)備放置在中間，左右兩邊均布置電流極與電壓極。在不同間距下的U（mV）、I（mA）、R（Ω）、ρ（Ωm）值分別如下：

0.5：264/12.8/20.6/164.7；1.0：51.6/12.5/4.15/26.1；2.0：17.5/9.72/1.80/22.7；3.0：9.03/14.6/0.62/11.7；5.0：4.98/11.5/ 0.43/13.6；7.0：4.33/14.1/0.31/13.6；10：8.96/51.1/0.18/11.0；20：2.26/27.7/0.08/20.3；30：2.90/65.6/0.04/28.3；50：1.43/37.4/0.04/42.0；100：0.46/19.5/0.02/114.9；150：2.45/19.9/ 0.12/186。利用CDEGS軟件的RESAP模塊[4]，根據(jù)土壤電阻率的測試結(jié)果計算土壤分層結(jié)構(gòu)。變電站站址不同深度（m）土壤電阻率土壤電阻率（Ωm）計算結(jié)果為：0.246/656.55，3.359/15.820，8.244/7.293，infinite/1119.9。

2.5 接地網(wǎng)接地阻抗仿真計算

根據(jù)接地網(wǎng)圖紙，利用CDEGS軟件中的MALZ（接地網(wǎng)分析）模塊和土壤分層計算結(jié)果，對接地網(wǎng)的接地阻抗進(jìn)行計算。根據(jù)地網(wǎng)竣工圖建立的地網(wǎng)導(dǎo)體矩陣拓?fù)鋱D如圖4。依據(jù)土壤電阻率測試結(jié)果，得到的地網(wǎng)接地阻抗為0.3476Ω。仿真結(jié)果比實(shí)際測量結(jié)果0.3027Ω大，誤差14.83%。考慮現(xiàn)場測試有眾多干擾因素，而CDEGS模擬計算對土壤水平分層結(jié)構(gòu)等效，能更好反映地網(wǎng)的真實(shí)情況，故取模擬計算值0.3476Ω作為變電站接地網(wǎng)狀態(tài)評估的接地電阻值，該值滿足變電站設(shè)計和運(yùn)行要求（0.50Ω）。

2.6 變電站發(fā)生單相接地故障時跨步電壓和接觸電壓

圖4 變電站接地網(wǎng)示意圖

圖5 變電站場區(qū)跨步電壓和接觸電壓三維分布圖

向MALZ模塊輸入故障點(diǎn)和故障電流，計算得到變電站地網(wǎng)場區(qū)和地網(wǎng)延長導(dǎo)體區(qū)域的接觸電壓和跨步電壓分布。變電站發(fā)生設(shè)備單相接地故障時，變電站場區(qū)跨步電壓和接觸電壓三維分布見圖5，可看出變電站設(shè)備場區(qū)內(nèi)跨步電壓分布較為均衡，接觸電壓則呈現(xiàn)與接地網(wǎng)金屬網(wǎng)格相同的分布規(guī)律，臨近發(fā)生單相接地短路故障的設(shè)備區(qū)域的接觸電壓則比較高；而地網(wǎng)邊緣的跨步電壓呈突變式分布，且跨步電壓水平比較高，需要重點(diǎn)考察。

3 結(jié)語

變電站接地網(wǎng)的接地電阻、接觸電壓、跨步電壓、土壤電阻率及其結(jié)構(gòu)情況等是接地網(wǎng)安全性狀態(tài)診斷及分析的重要參數(shù)，CDEG軟件能準(zhǔn)確分析土壤的結(jié)構(gòu)情況，并能建立復(fù)雜的接地模型，能準(zhǔn)確進(jìn)行狀態(tài)評估；通過某220kV變電站接地網(wǎng)安全性狀態(tài)評估，發(fā)現(xiàn)雖然接地阻抗已滿足規(guī)程及設(shè)計值要求，但通過接地網(wǎng)腐蝕診斷發(fā)現(xiàn)其中有兩處一次設(shè)備與主接地網(wǎng)連接導(dǎo)體已嚴(yán)重腐蝕。通過場區(qū)地表電位梯度分布發(fā)現(xiàn)變電站內(nèi)有一條曲線起伏較大，反應(yīng)接地裝置狀況不良。通過CDEGS仿真軟件發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)邊緣跨步電位水平較高；接地網(wǎng)安全性狀態(tài)不能僅通過接地阻抗單一指標(biāo)進(jìn)行判斷，應(yīng)結(jié)合多個方面的檢測結(jié)果進(jìn)行綜合分析評估，進(jìn)而有針對性的提出接地網(wǎng)安全問題的解決方案，提高接地網(wǎng)安全運(yùn)行水平。