交流特高壓晉東南變電站1 100 kV GIS接地系統設計

方煜瑛，盧 鵬

（河南平高電氣股份有限公司，河南省平頂山市，467001）

0 引言

發展特高壓已列入我國中長期發展規劃，特高壓輸電具有廣闊的發展前景，必將對輸變電行業產生深遠的影響[1-4]。國家電網公司1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程已經成功投運。全面總結特高壓交流試驗示范工程變電站設計經驗，對指導后續1 000 kV變電站工程設計符合“安全可靠、技術先進、經濟合理、環境友好”的原則，促進電力工業可持續發展具有重要現實意義[5]。

1 晉東南變電站1 100 kV GIS

1.1 1 100 kV GIS總體介紹

晉東南1 000 kV變電站1 100 kV開關設備采用1 100 kV氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS），該設備是由我國自主研制，主接線為一進一出，共2個間隔，包含2臺斷路器、5組隔離開關、8組接地開關、3支避雷器、6支套管以及508 m長的管道母線。晉東南1 100 kV GIS主接線和總體布置見圖1，設備長度達到62 m，寬度達到43.5 m，最高處（套管）達到17 m[6]。

1.2 GIS的主要技術參數

晉東南特高壓變電站1 100 kV GIS額定電壓為1 100 kV，額定電流為6.3 kA（設備及分支母線）/8 kA（主母線）；額定短路短時耐受電流為50 kA，額定短路持續時間為2 s；斷路器為雙斷口臥式布置，額定短路開斷電流為50 kA，首開極系數為1.3，其分閘時間不大于30 ms，合閘時間不大于120 ms，每相分、合閘并聯電阻值為600 Ω[7]；機械壽命5 000次，配置液壓操動機構。

1.3 1 100 kV GIS接地網的特殊要求

常規超高壓變電站通常采用單網接地設計，材質為鋼，這種接地方案已不能滿足特高壓GIS變電站的要求。1 100 kV GIS通流容量大，工作電流呈正弦交變，使設備外殼對地之間感應出電動勢，產生持續的感應電流。同時，在GIS中存在快速暫態過程，在其作用下將產生快速暫態過電壓（very fast transient over-voltage，VFTO），在此過程中，可能在GIS接地的外殼上出現暫態地電位升高（transientground potentialrise，TGPR）。針對1 000 kV設備的特點，為了確保人身和設備的安全，GIS需要采用多種接地措施。

2 晉東南1 100 kV GIS接地要求

1 000 kV特高壓變電站電氣裝置的接地設計是確保系統正常運行和故障時電氣裝置、運行人員安全的重要技術安全措施。對于裝用1 100 kV GIS的變電站，按照GB 50065—200×《交流電氣裝置的接地設計規范》[8]送審稿設置變電站的接地網，還必須在GIS所在區域設置專用的輔助地網，并與變電站接地網相連。輔助地網的作用是：

（1）在系統正常運行時，將三相外殼上感應電流的不平衡電流引入地網；當系統發生故障時，將在外殼上感應的瞬時電流快速引入地網。

（2）將隔離開關開合母線充電電流引起的特高頻暫態電流快速引入地網，以降低對運行人員和二次設備的不利影響。

（3）將GIS正常運行和故障時在外殼上產生的接觸電壓和地面上的跨步電壓限制在安全范圍內。

1 100 kV GIS的專用輔助地網應由GIS設備廠商根據設備的具體結構布置、參數和接地要求進行計算和設計。輔助地網應使用銅質導體，網格的疏密和所用銅排的截面取決于設備的布置、接地點的數目和可能通過的工頻短路電流、雷電沖擊電流和特高頻電流的大小，其設計應能確保在正常運行時和故障狀態下，外殼上的感應電壓和地面上的跨步電壓滿足運行人員安全的要求以及二次設備的電磁干擾要求。

為了保證外殼上的大電流和特高頻電流能快速導入地網并有較強的防腐性能，要求1 100 kV GIS專用輔助地網與變電站主地網的連接應采用焊接。輔助地網的接地引下線應由可能通過的額定短路電流決定，三相外殼之間應裝設足夠數量的相間導流排并形成閉環回路，每個閉環回路應盡量以最短的距離與輔助地網相連，并能承載額定短路電流的作用，相間導流排應能承載額定電流。

3 晉東南1 100 kV GIS感應電流分析

3.1 GIS設備相間環流分析

由于特高壓GIS采用多點接地方式，殼體、接地線、接地網中都會流過感應電流，當主回路中電流增大時，接地線、接地網中的感應電流也將增大。為不使接地線過熱，應設置連接分相殼體的相間導流排，盡量通過相間導流排處理感應電流，而不通過輔助網、接地網來處理，圖2為相間環流示意圖。

通過對特高壓GIS向接地網注入電流的計算分析和對分相殼體上的感應電流估算，1 100 kV GIS接地線電流三維解析模型見圖3，1-18指測點位置，接地線電流解析結果見圖4。在回路的兩端設置相間導流排，殼體的感應電流大部分通過相間導流排處理，而通過垂直接地線中的電流可控制在額定電流的5%以內，其值小于350 A。套管部位接地線的感應電流最大，達到了額定電流的12%，其值約為800A。

3.2 輔助網格間距對接地線中感應電流的影響

通過計算不同輔助網格間距對感應電流的影響，認為網格間距為3～6 m時，網格間距對流入接地網的電流值沒有較大的影響；若網格過密，會造成接地線中流過的電流增大，雖然不會對接地網的溫升造成影響，但必須要考慮接地引下線的溫升。

3.3 GIS設備中暫態地電位升高的分析

通過分析開關設備操作時產生暫態地電位升高（transientground potentialrise，TGPR）的原理可知，母線殼體上不存在不連續的部分時，就不會在殼體上產生TGPR。由于晉東南變電站1 100 kV GIS沒有絕緣法蘭，因此在殼體上不會產生TGPR現象，而僅在套管出線處產生TGPR。該處的TGPR幅值與殼體對地的阻抗Z成正比，由于在高頻領域，接地線的阻抗（ωL）很大，通過降低ωL來降低Z是比較困難的，因此采用相間導流排將GIS三相殼體短接來降低Z，也即采用解決GIS環流時采用的相間導流排來解決TGPR的問題。根據計算，當接地線連接在輔網的網格交叉點時，網格間距不同對TGPR的影響很小。

綜合以上計算結果，再考慮到方便土建施工、便于連接接地線等方面，最終確定輔網網格間距為5 m。

4 晉東南1 100 kV GIS接地系統設計與施工

4.1 GIS接地系統設計

（1）通過降低各接地線處主網的接地電阻來確保GIS對地閃絡電流的接地安全性。GIS本體采用多點接地構造，可以使對地閃絡電流中的交流分量上升值控制在100 V以下。

（2）為了減少對控制系統配線的感應過電壓影響，GIS本體采用多點接地以減少外部泄漏磁場（電磁波）。通過GIS殼體自身的電氣連續構造，為低阻抗連接結構，而且不論是工頻電壓，還是VFTO方面產生的電位差都很小，以此來降低對控制系統的感應過電壓。

（3）對于主回路上發生的VFTO，主要通過斷路器、隔離開關上設置電阻的方法抑制。

（4）為了抑制接地系統的電位擺動，接地系統需要降低接地電阻。

4.2 GIS接地網構成

晉東南變電站1 100 kV GIS接地網由主網和輔助網構成，接地網結構如圖5所示，接地網連接示意圖如圖6所示，接地線連接示意圖如圖7所示。

4.3 GIS接地網施工

（1）1 000 kV變電站GIS設備基礎體積較大，設備基礎混凝土一般分為2次施工，輔助接地網鋪設于GIS基礎的二次澆筑層以下。

（2）采用接地線直接與主地網連接方式，其施工難度大，因此鋪設5 m間距的輔助地網；接地線盡可能從接地網（包括主接地網和輔助網）的交叉點引線，并且盡量縮短引出接地線的長度，從而降低引出接地線的阻抗，抑制暫態地電位升高。

（3）1 100 kV GIS基礎表面上設置與GIS連接的接地端子，接地端子與輔助接地網交叉點用70 mm× 6 mm銅板可靠連接。

5 結論

隨著我國特高壓交流試驗示范工程的成功投運，1 100 kV GIS的接地問題得到了解決，對后續特高壓工程具有較好的示范作用。

（1）為了減小接地電阻，同時考慮便于施工，晉東南變電站1 100 kV GIS最終確定接地網采用主網和輔助網并用的結構，采用多點接地方式，罐體的接地安全可靠性較高。

（2）接地線盡可能從接地網（包括主接地網和輔助網）的交叉點引線，并且盡量縮短引出接地線的長度，從而降低引出接地線的阻抗，抑制暫態地電位升高。

（3）為了滿足1 100 kV GIS外殼感應電流的釋放、開關設備操作引起的VFTO的快速流散等，應就近設置GIS區域輔助接地網。

（4）GIS設置相間導流排，最大程度上抑制了感應電流幅值，滿足正常和事故狀態下設備外殼和支架上感應電壓的要求。

（5）接地線的材料及連接方式，因要長期使用，所以要求采用穩定性能結構，連接線在出基礎混凝土后的500 mm的范圍內做防腐處理。

（6）與單點接地相比，此接地網具有罐體外電磁強度較低、故障狀態下接觸電壓較低、感應電流在二次電纜中引發的干擾較低等優點。

6 參考資料

[1]吳敬儒，徐永禧.我國特高壓交流輸電發展前景[J].電網技術，2005，29（3）：1-4.

[2]虞菊英.我國特高壓交流輸電研究現狀[J].高電壓技術，2005，31（12）：23-25.

[3]舒應彪.1 000 kV交流特高壓技術的研究與應用[J].電網技術，2005，29（19）：1-6.

[4]張運洲.對我國特高壓規劃中幾個問題的探討[J].電網技術，2005，29（19）：11-14.

[5]龐亞東，倪 敏.1 000 kV GIS（HGIS）接地設計方案[J].電力建設，2010，31（1）：49-52.

[6]賀 虎，韓書謨，王延豪，等.交流特高壓晉東南變電站1 100 kV GIS設備的現場安裝管理[J].電網技術，2009，33（4）：15-17.

[7]盧 鵬，韓書謨，趙文強，等.1 100 kV GIS關鍵技術研究[J].高壓電器，2010，46（3）：1-5.

[8]GB50065—200×交流電氣裝置的接地設計規范[S].北京：中國電力科學研究院，2007.

[9]詹英華.GIS變電站接地裝置設計問題探討[J].廣東電力，2008，21（7）：15-17.