特高壓變電站接地系統設計的探究

劉　騏，史　柳，姜龍杰，孔　深

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

0　引　言

近年來，我國政府加大了電網建設。其中，特高壓系統具有電能容量大、電壓等級高的特性，其安全隱患大，一旦發生故障，不僅會影響電能的正常輸送，而且容易損壞電氣設備，造成經濟損失。要使特壓變電站安全穩定的運行，就必須做好接地系統的設計[1-2]。本文結合特高壓變電站自身的運行特性，分析變電站站址的周圍環境和電路情況，采取合理科學的設計方案，完成對特高壓變電站接地系統的優化和完善，充分發揮其作用。

1　特高壓變電站短路電流分析

由于特高壓變電站的電能容量大、電壓等級高，接地系統一旦發生故障，所引起的瞬間短路電流非常大[3，4]。有專家認為，需要進一步的提高變電站系統的地電位[5]。我國特高壓變電站主要采用光纜通信線路，并在此基礎上盡量使用瀝青混凝土鋪設地面，以此提高接觸電壓[6]。正常工作中電纜線路絕緣層的耐受值為2 kV，實驗表明，二次電纜接地時會提升40%的地電位，即使電纜線路絕緣層的耐受值將達到5 kV，因此可將變電站系統原來承受的2 kV提升到5 kV，由于處在承受的最大電壓下，必須高度警惕通信線路對變電站系統的影響，以防造成電位升過高的問題。特高壓變電站接地電阻和短路電流的關系密切，經過對晉東南變電站線路實驗分析可知，當變電站接地電阻減小，其短路電流的分流系數會增大，即其入地短路電流越多[7，8]。短路電流和接地電阻呈反比關系，所以接地電阻和入地電流是決定變電站系統地電位升的兩大因素。因此在分析特壓變電站短路電流時必須重視裕度問題。

2　土壤模型分析

根據對晉東南變電站站址的視在土壤電阻率測試的結果分析，可知在測試范圍內，土壤的各向異性大致相同。土壤為沿水平分層的多層土壤，所以，變電站站址一般選擇地勢平坦的平原。北京西1 000 kV變電站站址處于山前沖洪積平原，地層主要分布粉土、砂類土、粉質粘土等。對變電站站址的土壤電阻率的測試一般采用對稱四級法。晉東南變電站站址采用最小二乘法對測量點進行擬合反演過程從而進行土壤建模，大致過程是，通過假設模型的計算結果與實測結果比較、調整，直至兩者誤差達標。北京西變電站站址使用CDEGS軟件對測量結果的平均值進行建模，大致原理與前者相同。

3　分流系數和接地電阻分析

北京西特高壓變電站包括4回1 000 kV出線和4回500 kV出線。由于二者在側短路時的分流系數不同，就需要計算出各自的短路電流分流系數。根據計算結果繪制圖表，由圖表顯示的分流系數與接地電阻之間的關系得到500 kV側短路時的分流系數要小于1 000 kV側短路時的分流系數。由此得到變電站的接地電阻與其短路電流分流系數的關系，即變電站的接地電阻越大，其短路電流分流系數越小，入地電流越少，兩者呈反比關系。

入地電流和接地電阻是決定變電站地電位升的兩大因素，需要綜合考慮接地電阻和變電站地電位升的關系。變電站接地電阻對分流系數影響明顯。變電站接地電阻越小，變電站地網分流系數越大，即入地電流越大。但是分流系數又與變電站應達到的接地電阻有關，與前者形成矛盾，為了調節其中的矛盾，需要留出充分的裕度。針對該情況，可以將分流系數與變電站接地電阻的關系通過函數表現出來，然后再分析變電站接地網應當達到的接地電阻，并在此基礎上留出充分的裕度。

總結上述接地電阻和變電站接地網分流系數、入地電流的關系，即接地電阻與變電站分流系數呈反比，與入地電流呈正比，但在此基礎上，還需要結合反面關系來分析。例如，按照要求，接地電阻應當小于5000/I，但是變電站接地網分流系數與接地電阻有關，而變電站應達到的接地電阻與變電站接地網分流系數有關，所以需要在要求的接地電阻基礎上留出充分的裕度，即變電站要求達到的電阻要比理論電阻偏大。

當變電站接地電阻在0.05～0.5 Ω時，變電站接地電阻與分流系數的關系大致呈線性關系。500 kV側短路時，接地電阻為0.05 Ω時，分流系數為0.56；接地電阻為0.5 Ω時，分流系數為0.34。根據要求計算，接地電阻應小于0.121 Ω。1 000 kV側短路時，當接地電阻為0.05 Ω時，分流系數為0.59；當接地電阻為0.5 Ω時，分流系數為0.31。根據要求計算得出：變電站的接地電阻應當小于0.116 Ω。綜上，變電站接地電阻應當小于0.116 Ω。

4　特高壓變電站接地系統設計

4.1　水平接地網分析

變電站接地網的埋置很有講究，不僅要結合要求來布置接地網，還要考慮接地網的布置對工作人員人身安全的影響。實踐證明，特高壓變電站接地網應該埋在凍土層以下，通常為地表以下1.0 m以下。確定好位置后，再根據要求均勻地布置導體。根據晉東南特高壓變電站的計算結果顯示，這樣的布置使地電位升小于5 kV，為了確保特高壓變電站的電氣設備安全運行；跨步電壓的值遠小于其安全限值，因此就算不鋪高阻層也可以滿足人身安全。但是，接觸電壓卻遠超其安全限值，綜上所述，需要鋪設高阻層以保障人身安全。將接地網埋在凍土層以下的原因在于凍土層比較薄，對接地電阻造成的影響小。其中，導體間隔15 m，特高壓變電站地電位升最佳值為3 943 V，跨步電壓安全限值為520 V，高阻層安全限值為460 V，為保障人身安全，需設高阻層厚度約為6 cm。數據根據各個變電站的實際情況不同而有所改變。

4.2　深垂直接地級降低接觸電壓的效果

特高壓變電站接地系統的設計需要考慮土壤的導電性、厚度；在此情況下，通過合理的布置垂直地級，可以有效地降低特高壓變電站的接地電阻，減小變電站的接觸電阻，并明顯地降低跨步電壓和接觸電壓，達到地表均壓的效果。不同垂直接地極布置方案對地網接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的影響計算結果如表1所示。

由于垂直地級的長度與特高壓變電站的整體占地面積比值小，會造成降阻不均，但是連續增加接地電阻的長度會對降低接觸電阻的效果不明顯，原因在于隨著地極的增加，其對最大接觸電壓的降低效果趨于飽和。以晉東南變電站的垂直地極工作情況的調查和結果為例。晉東南變電站中間的土壤厚且導電性非常好，很適合通過加深垂直地極來降低接地電阻，從而減小接觸電壓。結果表明，通過增加深垂直接地極能夠明顯的降低變電站的接觸電壓、跨步電壓。其原因在于垂直地極起到了地表均壓的作用。但是變電站仍需鋪設高阻層，以更好地保障人身安全。

表1　垂直接地極對接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的影響

4.3　水平接地網的均壓優化布置

由于凍土會降低接地系統的安全性，且一年四季的土壤模型有所不同，但是接地系統只能按一種方案布置，因此只能采用比較分析來確定最佳方案。即分析融凍季節的優化設計在冰凍季節的安全性以及冰凍季節的優化設計在融凍季節的安全性。通過綜合兩種情況來確立最佳方案。

接地網的優化設計就是在已有的接地系統基礎上，通過調整水平接地網中接地導體的布置電阻、電壓達標，即得到最優壓縮比。通過比較融凍季節接地網優化壓縮比和不優化值，冰凍季節接地網的優化壓縮比和不優化值；融凍季節的優化設計冰凍季節的接地電阻、最大接觸電壓、跨步電壓，冰凍季節的優化設計在融凍季節的接地電阻、接觸電壓、跨度電壓的值。可知在優化設置后，接地系統的安全性得到大大的改善，并得到接地網按照冰凍季節的最優壓縮比進行設計時，在融凍季節接地系統的安全性也有所改善。綜上所述，采用冰凍季節的最優壓縮比最佳。

4.4　接地系統設計方案

變電站占地面積大，1 000 kV側短路點和500 kV側短路點可能會影響接地阻抗，從而影響分流系數值。由于兩側入地電流不同，導致電壓分布不同，因此需要逐一分析、比較可行性接地系統設計方案，提出符合實際情況的接地網設計方案。采用優化設計能明顯的改善接地系統的電位分布不均，提高接地系統的安全性能，提高電氣設備的安全性。以北京西特高壓變電站為例，采用均勻布置時，接地網的電阻比不等距時增加2.1%，地電位升與最大接觸電勢均增加，因此該變電站應采用不均勻地網布置。

5　結束語

綜上所述，特高壓變電站接地系統的優化設計對于保障變電站系統的安全有著極為重要的作用。上文結合了對特高壓變電站的土壤、短路電流、分流系數和接地電阻的分析，在此基礎上，通過對同模型下可行性方案的比較，提出合理的接地系統最佳設計方案。減小安全事故，降低經濟損失，在保證特高壓變電站正常運行的前提下，進一步提高變電站的安全性能，為我國

的電氣發展提供良好的前提條件。

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