新立變電站接地系統安全性能研究

魯志偉，馬文婧，宋文國，尹相愛

(1.東北電力大學輸變電技術學院，吉林吉林132012;2.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;3.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林吉林132011)

中華人民共和國電力行業標準《交流電氣裝置的接地》［1］是國內接地網的設計準則。《交流電氣裝置的接地》規定:工頻短路電流下的接地網最大電位升高不大于2 000 V。隨著電力系統電壓等級的提高和系統容量的增大，接地故障電流和發變電站接地網的面積不斷增大，發變電站接地電阻很難滿足R≤2 000/I01的標準要求，而過高接地網電位升高嚴重威脅變電站接地系統的安全運行［2］。變電站接地系統的安全性包括人身安全和設備安全兩方面內容:一是接觸電壓和跨步電壓不超過允許值，保證人身安全;二是地電位升高小于允許值，保證發變電站設備特別是二次設備的安全［3］。在土壤電阻率較高且地網面積受限制的情況下，要使接地電阻滿足標準要求，導致技術經濟均極不合理。本文以220 kV新立變電站為例，對接地系統的安全性開展深入研究，提出了變電站接地電阻超標時確保接地系統安全運行的措施。

1 變電站接地網工頻接地參數的數值計算

1.1 有二次電纜的接地網工頻接地參數的計算

電路圖是電路拓撲結構的描述。若圖中任一支路都賦予一個參考方向，則稱該圖為有向圖。一條支路聯接于兩個節點，則稱該支路與這兩個節點相關聯，節點與支路的關聯性質可以用關聯矩陣來描述。設有向圖的節點數為m，支路數為n。則該有向圖的關聯矩陣A為(m×n)階的矩陣。它的行對應于節點，列對應于支路。它的任一元素aij定義如下:aij=1，表示支路j與節點i關聯并且它的方向背離節點;aij=-1，表示支路j與節點i關聯并且它的方向指向節點;aij=0，表示支路j與節點i無關聯。

一個簡單的田字形接地網如圖1所示。電網的短路電流從一個邊角節點入地，并假設每段導體的漏電流集中在導體中點入地。應用節點分析方法建立節點關聯矩陣。節點編號需按如下規則:先橫排后豎列，先下后上和先左后右，先中點后節點。這樣對于一個有n條支路和m個節點的網絡，由于每條支路在中點有漏電流入地，則整個網絡變成有2n條支路和n+m個節點。對于該接地網絡可以求得阻抗矩陣Z為:

圖1 接地網的節點編號

式中:z0、Mi，i和 Mi，j分別為網絡變成 2n 條支路后，每條支路導體的內阻抗、外自感和不同導體間的互感;f為入地電流的頻率。令:Y=z-1，若節點關聯矩陣為A，則節點導納矩陣Yn+m為:

對圖1所示電路列出節點電壓方程:

式中:φd=，n維列向量為第i段導體的中點電位;φc=，m 維列向量為第n+j個節點的電位;［Ik］=［I1，I2，…，In］T，n維列向量，Ii為第i段導體的漏電流;［I01］

其中:Rii稱為自電阻，Rij稱為互電阻。其計算問題在地網等電位的接地參數計算中已解決［4］。采用點匹配矩量法將式(4)寫成矩陣的形式，并令R-1=G，則有Ik=Gφd，代入式(4)，整理后可得:= ［I0，0，…，0］T，m 維列向量，為接地網注入電流。

每段導體的漏電流都會在所有導體表面上產生電位，則第j段導體上的總電位為

本文的數學模型全面地考慮了導體電阻、自感和導體間的互感，計算結果更符合實際。基于上述方法，編制了接地計算軟件。該軟件可以分析水平多層土壤中，接地網的接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓和網內電位差等接地參數，并能給出地表面的電位分布。

二次電纜的屏蔽層雙端接地，此時接地系統相當于含有內阻的電壓源。計算沒有電纜時電纜屏蔽層的兩個接地點之間的電位差(即接地網的網內電位差)，并在電纜的一個接地點向接地網注入單位電流，同時在電纜的另一個接地點從接地網抽出單位電流，計算電纜的兩個接地點之間的電位差，由該電位差除以單位電流便可得到接地網等效阻抗。再由屏蔽層的阻抗就可以計算屏蔽層流過的電流。

圖2 二次電纜的分布參數計算模型

1.2 二次電纜芯皮電位差的數值計算

求出電纜屏蔽層流過的電流后，就可以由二次電纜分布參數等值電路計算電纜的芯皮電位差。短路電流通過地網對二次電纜芯線產生干擾時的二次電纜分布參數等值計算電路如圖2所示。圖2中ZP為電纜屏蔽層電流回路的自阻抗，YP為電纜屏蔽層的對地容抗，YC為電纜芯線與屏蔽層之間的容抗，ZC為電纜芯線電流回路的自阻抗，ZT為電纜芯線與屏蔽層之間的轉移阻抗，YT為傳遞導納。這些參數的詳細求解見文獻［5］。

以電纜芯皮回路和皮地回路中的壓降和電流為變量，由圖2可以列出方程:

上述矩陣方程以電纜芯皮回路和皮地回路中的壓降和電流為變量，需要改成以大地作為參考點的回路壓降和芯皮中實際通過的電流，這樣才適于線路方程的計算需要。以VC和VP表示電纜芯、屏蔽層的對地電壓，IC和IP表示在電纜芯、屏蔽層中通過的電流，由圖2可得:

1.3 二次電纜芯皮電位差的數值計算

圖3 二次電纜及地網布置

本文計算了幾組芯皮電位差占地電位升的比例，與文獻［2］的結果進行比較，驗證本文計算結果的正確性。二次電纜布置在圖3所示的中心導體上方(位置A)。接地網面積分別為100 m×100 m和200 m×200 m，導體間隔距離10 m，接地網埋設深度為1 m，土壤電阻率100 Ω·m，二次電纜長100 m，10 kA短路電流從邊導體C點注入。地網邊長100 m，本文的計算結果為:芯皮電位差177.4 V，芯皮電位差占地電位升的比例17.80%，文獻［2］的計算結果為:芯皮電位差210.6 V，芯皮電位差占地電位升的比例21.13%;地網邊長200 m，本文的計算結果為:芯皮電位差140.2 V，芯皮電位差占地電位升的比例45.99%，文獻［2］的計算結果為:芯皮電位差139.4 V，芯皮電位差占地電位升的比例45.70%。所以本文的計算結果與文獻［2］的計算結果吻合。

2 新立變電站人身安全性分析

2.1 新立變電站內允許的最大接觸電壓和跨步電壓

新立變電站接地網的接地電阻0.7，接地網的最大入地電流為12 kA，接地網最大電位升高為8 400 V，超出國家標準4.2倍。圖4給出了新立變電站接地網布置，并對圖4中曲線1-曲線5的地面電位分布進行了分析計算。其中電流由A點入地曲線1的電位分布如圖5所示，變電站最大接觸電壓和跨步電壓如表1所示。

圖4 新立一次變接地網及二次電纜布置

圖5 曲線1上電位分布

表1 接地網內的最大接觸電壓和跨步電壓

2.2 接地網內接觸電壓和跨步電壓

在大接地短路電流系統發生單相接地或同點兩相接地時，發電廠，變電所電氣設備接地的接觸電壓和跨步電壓不應超過下列數值:

式中:Ucp為接觸電壓;Ukp為跨步電壓;ρ1為人腳站立處地面的土壤電阻率;M為存在高土壤電阻率路面層時人腳接地電阻的校正系數;t為接地短路電流的持續時間。取t=0.5 s計算可得容許最大接觸電勢為321 V，跨步電壓為549 V;在變電站地面鋪設20 cm厚的瀝青混凝土路面后，人體可承受的接觸電勢和跨步電壓分別達到1 463 V和5 249 V。所以，新立變電站鋪高土壤電阻率路面后即可保證人身安全。

3 二次設備安全性分析

3.1 二次電纜芯皮電位差及皮電流計算與分析

變電站的接地電位升高會直接影響到二次系統的安全性。為提高二次電纜抗電磁干擾的能力，通常采用屏蔽層雙端接地的方式。短路電流將有一部分流過屏蔽層，并在二次電纜的芯線上感應出電位，屏蔽層和芯線的電位差施加在二次電纜的屏蔽層上。二次電纜與二次設備直接相連，二次電纜的芯皮電位差也直接施加在二次設備上。芯皮電位差過高將導致二次電纜和二次設備的絕緣損壞［2］。

微機保護裝置是變電站內絕緣最薄弱的設備，其耐壓標準為2 kV。所以二次電纜的芯皮電位差必須小于2 kV才能保證設備安全。根據新立變電站地網及二次電纜的布置圖，計算出電纜最長和短路電流在電纜一端注入時，二次電纜的芯皮電位差為2 390 V，屏蔽層電流336 A。所以新立變電站工頻短路故障可能威脅二次設備安全運行。

3.2 銅排流線對芯皮電位差和皮電流的影響

國內已發生多次因電纜雙端接地導致故障電流流過電纜屏蔽層而燒毀二次電纜的事故。電力系統通常采用在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅排流線，并使排流線與二次電纜可靠連接。這樣短路故障時，由于排流線的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，故障電流主要從排流線中流過，而流過二次電纜屏蔽層的電流較小，可以克服電纜雙端接地時可能燒毀二次電纜的問題。銅排流線還可以顯著降低二次電纜的芯皮電位差。計算結果表明:在電纜溝中與二次電纜平行布置一條6 mm銅排流線芯皮電位差降低至402 V，屏蔽層電流降至53 A。所以加設排流線后的芯皮電位差小于2 000 V，屏蔽層電流小于100 A，可確保二次電纜及二次設備的安全運行。

4 結 論

新立變電站發生工頻短路故障時地電位升高達到國家標準的4.2倍，而通過降低接地電阻使地電位升高達到標準在技術和經濟上均極不合理。在采取下列措施后，可以在不降低接地電阻的情況下，保證人身和設備安全:

(1)敷設瀝高土壤電阻率路面，可以有效地提高人體能夠承受的接觸電壓和跨步電壓，保證接地電阻超標接地網內的人身安全;

(2)在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅排流線，不僅可以減小流過屏蔽層的電流，避免燒毀的事故，而且可以顯著地降低二次電纜的芯皮電位差，保證二次電纜和二次設備的安全運行。新立變電站在未敷設銅排流線時，二次電纜芯皮電位差超過2 kV，而在敷設6 mm銅排流線后，二次電纜的芯皮電位差降低到402伏，保證了二次設備的安全運行。

［1］中華人民共和國電力行業標準(DL/T621-1997).交流電氣裝置的接地［S］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］于剛.發變電站接地系統的安全性研究［D］.北京:清華大學博士學位論文，2006.

［3］何金良，曾嶸.電力系統接地技術［M］.北京:科學出版社，2007.

［4］魯志偉，文習山，史艷玲等.大型變電站接地網工頻接地參數的數值計算［J］.中國電機工程學報，2003，23(12):89-93.

［5］VanceE F.Coupling to shielded cables［M］.New York，Wiley-Interscience publication，1978.