降低變電站接觸電勢(shì)的措施分析及應(yīng)用

單 蒙

（廣東天聯(lián)電力設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510600）

0 引言

電氣裝置接地是電力工程設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，它關(guān)系到電力設(shè)備能否正常運(yùn)行及變電站內(nèi)工作人員的生命安全。隨著國(guó)家對(duì)土地資源使用的限制，變電站的用地面積逐漸縮小，而電網(wǎng)規(guī)模、系統(tǒng)容量逐年擴(kuò)大，系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，變電站內(nèi)入地短路電流不斷增加，使變電站內(nèi)跨步電勢(shì)及接觸電勢(shì)很難滿(mǎn)足允許值的要求，尤其是接觸電勢(shì)。如何有效地將跨步電勢(shì)及接觸電勢(shì)控制在允許范圍內(nèi)成為目前變電站接地裝置設(shè)計(jì)急需解決的問(wèn)題。

1 措施分析

在110 kV及以上有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或兩點(diǎn)同時(shí)接地時(shí)，變電站接地裝置的接觸電勢(shì)

Us——跨步電勢(shì)允許值，V；

Ut——接觸電勢(shì)允許值，V；

ρf——人腳站立處地表面的土壤電阻率，Ω?m。

變電站接地裝置除利用自然接地極外，通常采用水平接地極為主，垂直接地極為輔的復(fù)合接地網(wǎng)，接地網(wǎng)的工頻接地電阻近似按下式計(jì)算：

和跨步電勢(shì)不應(yīng)超過(guò)下列數(shù)值[1-3]：

ρ——土壤電阻率，Ω?m；

S——接地網(wǎng)面積，m2。

接地網(wǎng)地表面的最大接觸電勢(shì)為Utmax=Ktmax?I?R，接地網(wǎng)地表面的最大跨步電勢(shì)為Usmax=Ksmax?I?R。式中I為計(jì)算用入地短路電流。

十多年前，當(dāng)斯普金斯還是丹娜-法伯癌癥研究所的研究員的時(shí)候，她曾接觸過(guò)急性淋巴細(xì)胞白血病患者。急性淋巴細(xì)胞白血病是一種血液癌癥，癌細(xì)胞很容易轉(zhuǎn)移到大腦和脊椎，因此所有該病的患者都要接受脊髓液化療。

變電站接地裝置是否滿(mǎn)足要求的判據(jù)如下：

（1） Ut≥Utmax并且 Us≥Usmax。

（2）有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)中變電所電氣裝置保護(hù)接地的接地電阻但實(shí)際工程驗(yàn)收時(shí)通常要求R≤0.5 Ω。

由上述判據(jù)可見(jiàn)，滿(mǎn)足變電站內(nèi)跨步電勢(shì)及接觸電勢(shì)的要求可以從以下兩個(gè)方面入手，一方面，提高電勢(shì)的允許值；另一方面，降低接地網(wǎng)地表面的最大電勢(shì)。在工程實(shí)施時(shí)提高電勢(shì)的允許值的方法有：1）提高人腳站立處地表面的土壤電阻率；2）縮短斷路器動(dòng)作時(shí)間。降低接地網(wǎng)地表面的最大電勢(shì)的方法有：1）減少系統(tǒng)短路后入地短路電流；2）增大接地網(wǎng)面積；3）變電站站址選在土壤電阻率低的地方。

本文通過(guò)工程實(shí)例分析在接地電阻符合工程驗(yàn)收的條件下，如何降低變電站內(nèi)的接觸電勢(shì)。

2 案例分析

2.1 變電站現(xiàn)狀描述

某500 kV變電站采用復(fù)合雙層接地網(wǎng)，測(cè)得站內(nèi)接地電阻為0.113 1 Ω，人腳站立處地表面的土壤電阻率為125Ω?m，電氣設(shè)備接地引下線(xiàn)與主地網(wǎng)可靠連接，現(xiàn)存接地網(wǎng)完整。經(jīng)計(jì)算，站內(nèi)接觸電勢(shì)及跨步電勢(shì)的允許值分別為：330 V和442 V。根據(jù)電科院提供的《基于CDEGS軟件的變電站接地網(wǎng)狀態(tài)數(shù)值評(píng)估》得知，當(dāng)220 kV配電裝置發(fā)生單相短路接地故障時(shí)，站內(nèi)接觸電勢(shì)最大值為367.54 V，跨步電勢(shì)最大值為179.94 V，接觸電勢(shì)不滿(mǎn)足允許值的要求。

2.2 解決方案

結(jié)合該站接地現(xiàn)狀，建議通過(guò)增加人腳站立處地表面的土壤電阻率的方法解決接觸電勢(shì)超標(biāo)的問(wèn)題。在全站配電裝置區(qū)域的綠化帶內(nèi)，鋪設(shè)高電阻率特性的礫石路面，厚度不小于200 mm，此時(shí)，地表電阻率可達(dá)到2 500 Ω·m。系統(tǒng)單相接地短路（故障）電流持續(xù)時(shí)間t=0.35 s，計(jì)算得接觸電勢(shì)允許值為1 012.49 V，由此可見(jiàn)，站內(nèi)的接觸電勢(shì)滿(mǎn)足要求。

2.3 方案校驗(yàn)

選取Sb=100 MVA，Vb=525 kV、230 kV，站內(nèi)500 kV及220 kV母線(xiàn)短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 短路電流計(jì)算結(jié)果表

本站500 kV母線(xiàn)處系統(tǒng)等值阻抗標(biāo)么值：（不含本站主變壓器）正（負(fù)）序電抗： X1=0.001 952 1；零序電抗：X0=0.002 556。本站220 kV母線(xiàn)處系統(tǒng)等值阻抗標(biāo)么值：（不含本站主變壓器）正（負(fù)）序電抗：X1=0.021 731；零序電抗：X0=0.006 855 4。

本站3臺(tái)主變壓器均采用自耦變壓器，根據(jù)自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，220 kV母線(xiàn)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，流過(guò)主變中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)短路電流（有效值）為500 kV和220 kV單相接地短路電流之差，保守估算，此處不計(jì)入分流影響。在出線(xiàn)構(gòu)架上帶著500 kV、220 kV避雷線(xiàn)和OPGW光纖地線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)下，采用CDEGS模擬計(jì)算，架空地線(xiàn)分流系數(shù)為59.1%。

根據(jù)DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》中推薦的入地電流公式I=(Imax-In)(1 -Ke1)，當(dāng)220 kV母線(xiàn)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，I=19.19 kA。接觸電壓計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 接觸電壓計(jì)算結(jié)果表

3 結(jié)論

（1）通過(guò)在站內(nèi)鋪設(shè)高電阻率結(jié)構(gòu)的礫石路面的方法（厚度不小于200 mm），地表電阻率可達(dá)到2 500Ω?m，接觸電壓勢(shì)允許值為1 012.49 V，遠(yuǎn)大于鋪設(shè)礫石前的接觸電勢(shì)允許值及最近一次實(shí)測(cè)的接觸電勢(shì)最大值367.54 V。

表3 接觸電壓校驗(yàn)結(jié)果表

（2）利用2020年系統(tǒng)遠(yuǎn)景規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)得知，當(dāng)220 kV母線(xiàn)發(fā)生單相接地故障時(shí)最大接觸電壓為767.4 V，小于接觸電壓允許值（詳見(jiàn)表3），保證了變電站內(nèi)巡視及維護(hù)人員的安全。

［1］DL/T621-1997.交流電氣裝置的接地［S］.

［2］ GB 50065-2011.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］水利電力西北設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)：電氣一次部分［K］.北京：中國(guó)電路出版社，1989.