特高壓變電站接地優(yōu)化設計

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0 引言

隨著我國特高壓電網建設的不斷推進，“八交八直”的特高壓電網框架逐步形成，大量的特高壓變電站也將投產運行。特高壓系統(tǒng)的電壓等級高、容量大，因此接地短路電流將相當大[1-4]。為保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行，對接地系統(tǒng)的要求將更加嚴格。特高壓變電站接地系統(tǒng)的設計應充分考慮特高壓電網的特點，在滿足安全和經濟的原則上對接地設計不斷優(yōu)化。

接地網的優(yōu)化設計就是合理布置接地網中的水平導體，得以均勻導體的電流散流密度以及接地網地表的電位分布，提高導體的利用率，更好地確保人身和設備安全。文獻[5-6]考慮凍土層的影響，接地網埋設深度均建議超過1 m。文獻[7-10]中德國的Sverak 最早提出不等間距概念，加拿大的Dawalibi 在20 世紀70 年代末也展開了接地網水平導體優(yōu)化布置的探討，而陳先祿教授率先提出了均勻土壤中采用不等間距布置接地網均壓導體的規(guī)律，其他學者也探討了均勻土壤和雙層土壤中接地網的優(yōu)化布置。文獻[11-17]探討了垂直接地極在接地網中的應用。

本文以某1 000 kV 特高壓變電站為例，考慮變電站實際占地面積和幾何結構，結合地季節(jié)因素，在接地系統(tǒng)設計中對接地網埋深、不等間距布置、垂直接地極進行了優(yōu)化。通過優(yōu)化設計改善接地系統(tǒng)電位分布的不均勻性，降低接觸電壓和跨步電壓，確保故障時的人身安全。同時均衡電位，降低故障時二次電流施加在二次設備上的過電壓水平，提高電氣設備的安全性。

1 接地模型建立

1.1 接地尺寸的確定

某1 000 kV 特高壓變電站1 000 kV 和500 kV 配電裝置均采用戶外GIS（氣體絕緣封閉組合電器）設備，1 000 kV 配電裝置布置在站區(qū)東部，500 kV 配電裝置布置在站區(qū)西部，采用一列式布置。主變壓器采用單相自耦變壓器，布置在站區(qū)中部。變電站圍墻內東西向最大長度431 m，南北向最大長度268 m。變電站電氣平面布置圖如圖1 所示。變電站內區(qū)域按照上述尺寸敷設接地網。

圖1 1 000 kV 特高壓變電站電氣平面布置

1.2 土壤模型的確定

對于該變電站土壤模型的確定，本文選擇對稱四極法來測量土壤電阻率。在變電站站址選擇東西和南北2 條相互垂直的測量線，并選擇足夠長的測量線，至少達到變電站所占范圍邊長的2 倍。對比不同觀測線的數據，如果相互垂直方向的2 條觀測線數據差異不大，那么說明探測深度范圍內土壤各向異性不嚴重，可以把土壤看成是水平分層的多層土壤。依據該變電站4 個不同測試點的電阻率，其電阻率范圍在1 000～6 000 Ωm，結合地質報告資料及對當地土壤情況的搜資，計算中采用電阻率如表1 所示。

2 特高壓變電站接地優(yōu)化設計

2.1 接地埋深優(yōu)化

特高壓變電站占地面積較大，接地網設計比較復雜，為優(yōu)化接地設計，可對問題進行簡化研究。以特高壓變電站占地面積為參考，建立一個450 m×300 m 的等值尺寸接地網，網格邊長為20 m，共有40 根接地銅導體組成，導體截面為160 mm2，入地電流取31.5 kA，接地網模型見圖2。

表1 土壤電阻率取值

圖2 450 m×300 m 的等值接地網

改變水平接地網埋深，采用CDEGS 仿真計算，分析埋深對接地電阻的影響，結果見圖3。

圖3 埋深對接地電阻的影響

埋深對接觸電壓、跨步電壓和GPR（地電位升）的影響如表2 所示。

由表2 可知，最大接觸電壓隨水平接地網埋設深度的增加先減小后增加，在1 m 左右存在極小值，但是在0.8～1.2 m 范圍內最大接觸電壓變化不大。由于在所分析范圍內，除了最大跨步電壓，水平接地網埋設深度對接地網接地性能其他各項指標的影響很小，而最大跨步電壓值本身就很小，因此最大接觸電壓成為主要考慮因素，且埋深減小有利于降低施工難度，也能節(jié)省一部分接地引下線，故這里選擇0.8 m 作為水平接地網埋深。

表2 1 000 kV GIS 變電站接地網埋深對接地網性能的影響

2.2 接地網不等間距優(yōu)化

接地系統(tǒng)優(yōu)化的目的是使接地系統(tǒng)的地表電位分布均勻，接地系統(tǒng)的接地電阻、地表最大接觸電壓及跨步電壓最小。所以，非均勻土壤中接地系統(tǒng)優(yōu)化的思路就是尋找一種合理的接地系統(tǒng)水平接地導體的排列方式，在這種接地系統(tǒng)布置方式下，接地系統(tǒng)表面的電位分布最均勻，接地系統(tǒng)的接地電阻、地表的最大接觸電壓和最大跨步電壓達到最小值。

研究發(fā)現，按指數規(guī)律布置地網導體不僅能夠降低地表電位梯度，也可以很大程度上降低跨步電壓和接觸電壓，同時它也被證明是一種安全、經濟的設計方法。針對該變電站，當給定地網邊長L 和導體根數N 時，只要確定壓縮比C 便可得到地網的布置方案。因此接地系統(tǒng)優(yōu)化設計工作的目標就是尋找最優(yōu)壓縮比，使接地電阻、最大接觸電壓和最大跨步電壓達到最小值。利用接地系統(tǒng)電氣參數分析軟件，計算不同壓縮比對應的接地系統(tǒng)地表最大接觸電壓、最大跨步電壓以及接地系統(tǒng)的接地電阻，將接地電阻、最大接觸電壓和最大跨步電壓最小時的壓縮比定義為最優(yōu)壓縮比，在最優(yōu)壓縮比時接地系統(tǒng)的布置方式就是最優(yōu)布置方式。

壓縮比主要和土壤模型相關，因此可以在該變電站土壤分型模型上，建立不同壓縮比的不等間距接地網，以確定最優(yōu)壓縮比。

構建450 m×300 m 范圍的不等間距接地網，埋深為0.8 m，長度方向有23 個網格，寬度方向有15 個網格，共40 根接地銅導體，導體截面取160 mm2，入地電流取31.5 kA，改變不等間距布置的壓縮比，利用CDEGS 軟件得到仿真結果如表3所示。

表3 1 000 kV GIS 變電站接地網壓縮比對接地網性能的影響

由表3 可知，改變壓縮比后，接地電阻、接觸電壓、跨步電壓和GPR 都有變化，接觸電壓的變化最為明顯。壓縮比為0.6 時，接觸電壓處于最小值，接地網其他各項參數也處于最小狀態(tài)。故可選擇0.6 作為該1 000 kV GIS 變電站接地網的最優(yōu)壓縮比來設計地網。

保守起見，先按照特高壓示范站的接地網設計思路進行初步優(yōu)化設計，接地網中央部分采用等間距布置，邊緣40 m 范圍采用不等間距優(yōu)化設置，按照指數規(guī)律排布，壓縮比為0.6，設計接地網如圖4 所示。

圖4 中央等間距布置、邊緣不等間距優(yōu)化設置的變電站平面圖

為了比較優(yōu)化設計前后接地網的性能，對未進行不等間距優(yōu)化布置的接地網一同進行了仿真。分別構建網孔邊長為20 m 和10 m 的均勻接地網，如圖5 和圖6 所示。

圖5 網格邊長為20 m 的均勻接地網

圖6 網格邊長為10 m 的均勻接地網

3 個接地網面積完全相等，所用材料都是截面積為180 mm2的銅絞線，埋深都是0.8，用同一土壤模型。表4 列出了3 種設計方案的CDEGS仿真計算結果。

可以看到，采用最優(yōu)壓縮比設計的不等間距接地網性能有了很大的提升。接觸電壓有較明顯的下降，接地電阻、跨步電壓也都略有下降。值得注意的是，優(yōu)化設計方案較10 m×10 m 均勻接地布置方案，在使用導體總量減少34.5%的前提下，接觸電壓降低了33.1%。

表4 3 種設計方案的CDEGS 仿真計算結果

可見，采用最優(yōu)壓縮比設計的不等間距優(yōu)化布置，散流更加均勻，每根導體得到了更加充分的利用，是一個提高性能、節(jié)省預算行之有效的方法。

2.3 深垂直接地極的優(yōu)化

鑒于所采用的變電站土壤模型，中間層有一層2 000 Ωm 的巖石層，而越過巖石層，深層土壤的導電性非常好，因此可以考慮設置深垂直接地極穿透高阻巖石層來降低接地電阻，從而減小變電站的GPR。

根據深垂直接地極盡量分布在接地網邊角的原則，選取6 根長度為60 m、橫截面積為300 mm2的深垂直接地極布置在接地網的6 個凸出的直角上，通過CDEGS 仿真得到表5 所示結果。

表5 全站不等間距并帶6 根深垂直接地極的接地網性能比較

上述計算結果表明，增加深垂直接地極可以明顯降低該1 000 kV GIS 變電站的接地電阻、最大接觸電壓和最大跨步電壓。由于深垂直接地極施工較困難，耗費人力物力較多，所以應當盡可能少地布置。另外參考晉東南示范站的經驗，在邊角增加深垂直接地極后，降阻效果開始變緩，每根深垂直接地極的利用率下降。因此，建議工程中使用6 根深垂直接地極作為接地網的輔助。

2.4 短垂直接地極的應用

該1 000 kV GIS 變電站所處區(qū)域氣候比較溫暖，冬季凍土層僅有10 cm 左右，在設計接地網時可以不予考慮，但在炎熱干旱季節(jié)，站址內表層土壤可能因水分缺失而導致電阻率變高。干旱影響到的土壤厚度有可能達到1.5～2 m，超過了地網埋設深度，研究證明，與接地網接地體直接接觸的土壤對接地網的性能有著很大的影響。

可見，干旱會使接地電阻升高，甚至有可能產生危險的接觸電壓和跨步電壓，在接地網設計中必須加以考慮。為了使接地網在干旱季節(jié)也能順利散流，可以在接地網邊角和接地網中間接地極交叉部位設置長度為5 m 的短垂直接地極。由于有6 根長垂直接地極，并且接地網材質為銅，不存在明顯的不等電位現象，所以短垂直接地極不必非常密集，相隔40 m 設置一根即可。

3 特高壓變電站接地設計確定

根據前文分析并結合變電站的實際情況，最終采用中間均勻分布（網孔邊長20 m）、邊緣按壓縮比0.6 不等間距布置的接地網布置方案。如圖7 所示，其中接地網埋設深度為0.8 m，接地體外圍和部分中間交點上加5 m 長的短垂直接地極（共65 根），用于平衡季節(jié)因素帶來的影響。

圖7 變電站最終優(yōu)化接地設計方案

CDEGS 的仿真計算表明：接地網的接地電阻為0.132 14 Ω，最大接觸電壓為489.83 V（如圖8所示），最大跨步電壓為100.85 V（如圖9 所示），最大入地電流導致的GPR 為4 135.9 V；另外在地表敷設5 cm 厚電阻率為5 000 Ω 的高阻層后，最大接觸電壓和最大跨步電壓能滿足人身安全，而且有足夠的裕度。

圖8 圍墻范圍內接觸電壓

圖9 跨步電壓

但當GPR 高于2 000 V 時，接地電阻也偏大。考慮到工程場地地勢起伏較大，地形復雜，多種因素均不同程度影響了土壤電阻率測試的準確度。后期需在場地平整后對土壤電阻率進行詳細測試，取得準確的土壤電阻率后再次進行計算評估，若GPR 和接地電阻仍然偏大，需采取進一步的措施，如通過設置接地模塊、采用降阻劑等措施提高接地網的性能。

4 結論

特高壓變電站占地面積大，接地系統(tǒng)設計復雜，應結合變電站實際占地尺寸對接地網進行優(yōu)化設計。本文以某1 000 kV 特高壓變電站為例，從接地網埋深優(yōu)化、接地網不等間距優(yōu)化、深垂直接地極優(yōu)化、短垂直接地極應用來分析接地優(yōu)化設計對提高接地降阻水平的影響。

（1）最大接觸電壓隨水平接地網埋設深度的增加先減小后增加，在1 m 左右存在極小值，但是在0.8～1.2 m 范圍內最大接觸電壓變化不大。

（2）改變壓縮比后，接地電阻、接觸電壓、跨步電壓和GPR 都有變化，其中接觸電壓的變化最為明顯。當壓縮比為0.6 時，接觸電壓處于最小值，地網其他各項參數也處于最小的狀態(tài)。

（3）增加深垂直接地極可以明顯降低該1 000 kV GIS 變電站的接地電阻、最大接觸電壓和最大跨步電壓。在實際應用中，由于深垂直接地極施工較困難，耗費人力物力比較多，所以應當盡可能少地布置。

（4）需考慮季節(jié)因素對接地設計的影響，干旱季節(jié)將會使接地電阻升高，甚至有可能產生危險的接觸電壓和跨步電壓，在接地網設計中必須加以考慮。為了使接地網在干旱季節(jié)也能順利散流，可以在接地網邊角和接地網中間接地極交叉部位設置長度為5 m 的短垂直接地極。