凍土地區某變電站接地方案研究

周圣枝，付磊，宋周

（湖北省電力勘測設計院，武漢430040）

凍土地區某變電站接地方案研究

周圣枝，付磊，宋周

（湖北省電力勘測設計院，武漢430040）

對凍土地區某變電站接地網設計了等間距地網和不等間距地網+均壓帶2種方案，經仿真計算，不等間距地網+均壓帶方案能滿足安全運行要求。為解決土體及接地體熱脹冷縮影響接地體的壽命，建議地下接地體設置伸縮節，伸縮節最大間距不大于30m。【Abstract】Two schemesfor the grounding grid of a substation in permafrost area are designed,namely equally spaced grounding grids and unequallyspacedgroundinggrids+uniformpressurezone.Throughsimulation,thesecondschemecansatisfytherequirementsofsafeoperation. Tosolvetheproblemthatexpansionandcontractionofthesoilandgroundingbodywillaffectthelifespanofthegroundingbody,itissuggested thatexpansionjointsaresetingroundingbody,withamaximaldistanceof30mbetweenthejoints.

凍土；變電站接地；不等間距地網

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.025

1 引言

凍土對接地電阻有很大影響。隨著溫度降低，土壤中鹽等化學物質溶解度將下降，使導電離子數目減少，同時水的粘度將增大，導致溶液中導電離子運動阻力增大，運動速度減緩，土壤電阻率升高。反之溫度升高，土壤中水分解凍，使得電離子數目增加，水的粘度降低，土壤電阻率降低[1]。

凍土土壤電阻率的跳變，對接地電阻影響很大。若將接地網直接敷設在凍土層，一是電阻率跳變會影響接地電阻；二是在夏季表層土壤部分融化，而下部土壤未融化，此時接地電阻仍較大，而接觸電壓和跨步電壓的允許值會下降，影響運行人員安全[2]。本文推薦將地網敷設在凍土層以下。

2 計算參數輸入

2.1 土壤地質情況

本站地域凍土深度為1.6m，下層電阻率約為80Ω·m，考慮季節系數及場地土方平整的影響，冬季最嚴重情況凍土土壤電阻率取400Ω·m。

2.2 入地短路電流

本站220kV母線短路時，三相短23kA，單相短24.7kA；66kV母短路時，三相短17.8kA，計算可得：

Ig=(Imax-Ibn)(1-kel)=11kA （1）

式中，Ig為入地短路電流，kA；kel為避雷線分流系數，取50%；Ibn為主變中性點入地電流，根據變電站接線形式計算取2.7kA；Imax為最大短路電流，取24.7kA。

2.3 接地體截面選擇

本站地下水及場地土對鋼材有微腐蝕性。結合腐蝕特性，本站選用鍍鋅扁鋼作接地材料。

根據《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T 50065—2011），求得接地導體最小截面：

式中，sg為導體最小截面積，mm2；Ig為入地短路電流，取11kA；C為短路等效持續時間，取0.5s;te為接地材料的熱穩定系數，取70。

考慮40a設計壽命，及腐蝕影響，求得接地導體截面為：

式中，a為接地扁鋼寬度，取60mm；b為接地扁鋼厚度，取6mm；γ為年腐蝕速度，取0.065mm/a；A為地網設計壽命，取40a。

接地導體選用60mm×6mm扁鋼滿足要求，接地引下線按不小于接地導體截面的75%選取，選60mm×8mm扁鋼。

3 地網設計及安全性分析

3.1 等間距地網設計方案

3.1.1 地網設計方案

采用軟件CDEGS進行建模，主地網埋深1.8m，采用100m×80m矩形地網，網孔大小10m×10m等間距布置。經仿真計算，接地電阻為0.45Ω，最大接觸電壓為1332V，最大跨步電壓為219V。

3.1.2 地網安全性分析

根據《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T 50065—2011），接觸電壓和跨步電壓允許值計算公式如下：

式中，ρs為土壤電阻率；Cs為表層衰減系數；Ut為接觸電勢允許值；Us為跨步電勢允許值；ts為短路持續時間。

經計算，若不采取絕緣處理措施，接觸電壓允許值為342V，跨步電壓允許值為642V，接觸電壓不滿足運行要求。

若設置絕緣地坪處理，采用150mm厚度碎石+瀝青絕緣地坪，電阻率為5000Ω·m，此時接觸電壓允許值為1193V，仍不滿足安全運行要求。

3.2 不等間距地網+均壓帶設計方案

3.2.1 地網設計方案

將等間距設計改為按最優壓縮比0.7設計，外圍敷設埋深2.0m深度的均壓帶，其他設計參數均不變，經仿真計算，其接地電阻為0.42Ω，接觸電壓和跨步電壓分布見圖1和圖2。

3.2.2 地網安全性分析

經仿真計算，做絕緣地面處理后，接觸電壓和跨步電壓最大值分別為922V和186V,小于對應允許值1193V和642V，滿足安全運行要求。

另外，地下接地體在極低溫狀態收縮變短，土體凍脹凍結具有較高的嵌固效果，容易使接地帶連接部位受拉斷裂；建議地下接地體在適當部位設伸縮節，伸縮節最大間距不宜大于30m。

圖1 接觸電壓分布圖

圖2 跨步電壓分布圖

4 結論

經CDEGS軟件仿真計算，本站采用等間距地網無法滿足安全運行要求。采取不等間距+均壓帶方案，地網接地電阻降為0.42Ω，做絕緣地坪處理后，接觸電壓和跨步電壓分別為922V和186V,小于對應允許值1193V和642V，滿足安全運行要求。

為解決土體及接地體熱脹冷縮影響接地體的壽命，建議地下接地體設置伸縮節，伸縮節最大間距不大于30m。

【1】陳慈萱，劉旭，青藏線凍土地區接地問題探討[J].鐵道通信信號，2006,42(8):6-8.

【2】李愛民，解廣潤，改善凍土地區接地安全性的措施[J]高電壓技術, 1991(2):10-12.

Study on Grounding Scheme of a Substation in Permafrost Area

ZHOU Sheng-zhi,FU Lei,SONG Zhou
(PowerchinaHubeiElectricEngineeringCorporation,Wuhan 430040,China)

permafrost;groundingsystemofthesubstation;unequallyspacedgroundinggrid

TM63

A

1007-9467（2016）10-0055-02

2016-10-03

周圣枝（1986～），男，湖北武漢人，工程師，從事變電站設計研究。