民用建筑合建變電站接地系統優化設計

羌丁建 熊 靜 陳 晉

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，南京 210000）

合理的接地系統設計是變電站安全可靠運行的重要保障。接地不良有可能導致或造成事故擴大，從而危及系統運行安全[1-4]。隨著經濟社會的發展，越來越多變電站深入到城市負荷中心，并與民用建筑合并建設。民用建筑合建變電站不僅需要考慮變電站接地網的安全性與經濟性，也要考慮民用建筑內人員與設施的安全。由于民用建筑合建變電站通常建設面積較為狹小，接地電阻、接觸電勢和跨步電壓難以滿足要求，如何優化設計接地系統，成為需要重點研究的課題。

本文以某民用建筑合建220kV變電站為例進行優化設計研究，利用 CDEGS仿真精細化設計，提出同時滿足安全性和經濟性要求的接地網設計方案，同時針對民用建筑合建變電站接地設計中需要注意的問題作出簡要分析。

1 工程概況

1.1 工程概述

該220kV變電站位于商業中心，采用全戶內布置。地上部分變電站與購物中心為獨立建筑形式，地下部分為合建停車庫，如圖1所示。變電站與購物中心、停車庫均為一體化設計、建設。

該220kV變電站的建設規模見表1。

1.2 設計輸入條件

1）短路電流

220kV母線最大單相短路電流按47.8kA考慮。

2）土壤模型

按均勻土壤模型考慮，土壤電阻率 80Ω·m，土壤具有弱腐蝕性。

3）分流系數

站外分流系數按0.75考慮。

4）接地網設計

水平主接地網敷設范圍為90m×50m，水平接地體埋深為1m、平均間距約10m。

2 接地材料選擇

2.1 性能比較

選擇合適的接地材料，是變電站安全可靠運行的關鍵。工程中常用的接地材料有純銅、熱鍍鋅鋼、銅覆鋼等。本文從導電性能、耐腐蝕性能、熱穩定性能和經濟性等角度[5]，對接地材料選擇進行分析。

圖1 民用建筑合建變電站剖面圖

表1 建設規模及設備選型

1）導電性能

考慮接地材料在20℃時的電阻率，純銅、熱鍍鋅鋼和銅覆鋼分別為 17.24×10?6Ω·mm、138×10?6Ω·mm、71.66×10?6Ω·mm。銅的電阻率是上述材料中最低的，在接地網型式、土壤環境等相同的情況下，銅接地網的接地電阻和網格壓差均相對較小。

2）耐腐蝕性能

銅材的耐腐蝕性能較熱鍍鋅鋼強。當產生腐蝕時，銅材表面能夠產生附著性極強的氧化物，并阻止進一步腐蝕。具體工程中，還應根據土壤酸堿性和腐蝕性情況，選擇適用的材質。

3）熱穩定性能

鋼的熔點為1510℃，鋼接地網連接處最高允許溫度為 400℃；銅的熔點為 1083℃，采用放熱焊接時其接頭的最高允許溫度達到 900℃；銅覆鋼的熔點為 1115℃，其連接接頭最高允許溫度也可達到450℃。接地體截面相同時，銅材料熱穩定性最好。

4）經濟性

考慮接地材料經濟性時，一般結合不同材質接地網的使用年限，進行全壽命周期比較分析。鋼接地網初期投資較低，但因腐蝕速度較快，后期更新維護成本較高。銅和銅覆鋼接地網，基本滿足全壽命周期免維護的要求，總體經濟性與鋼接地網相當。

本工程220kV變電站與民用建筑合建，坐落于地下停車庫上方，其接地網敷設于停車庫下方土壤層中，后期維護困難。綜合上述性能與經濟性比較分析，建議優先選擇銅接地網。

2.2 截面選擇

接地體截面，應根據國家標準 GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》附錄E公式進行熱穩定校驗[6]。

式中，Sg為接地導體的最小截面（mm2）；Ig為流過接地導體的最大接地故障不對稱電流有效值，取47.8kA；te為接地故障的等效持續時間，取0.4s；C為熱穩定系數，取249。

經計算，接地引下線最小截面為 Sg=121mm2。按規程要求，水平接地體截面按接地引下線截面75%選取，即 91mm2。適當考慮腐蝕因素，接地網選用120mm2銅絞線。

3 接地網布置設計方案

3.1 不等間距接地網布置

本工程220kV變電站與民用建筑合建，其主接地網敷設于變電站建筑投影下方土壤層中。由于接地網敷設可利用面積較小，需通過對接地導體優化布置，使得接地電阻、地表電位分布、接觸電勢和跨步電壓等安全參數滿足要求[7-8]。

研究表明，按指數規律布置水平接地導體不僅可以降低地表電位梯度，從而很大程度上降低接觸電勢和跨步電壓，同時也是一種安全、經濟的設計方法[9]。指數規律布置設計方法如下。

1）確定中心網孔間距：

2）確定n級的網孔間距：

式中，L為地網邊長；N為接地導體根數；C為壓縮比。

利用 CDEGS軟件仿真，尋求水平接地體布置的最優壓縮比，結果見表 2。當 C=0.7時，接地電阻值最優。

表2 不同壓縮比對接地網性能的影響

3.2 斜長接地極降阻設計

當接地電阻仍不滿足要求時，可考慮采用降阻措施，主要有物理降阻和化學降阻兩類[10-11]。

1）物理降阻措施主要有：敷設外引接地體以擴大水平接地體面積、采用深井接地極、充分利用自然接地體接地等。

2）化學降阻措施主要有：利用化學降阻劑來改善接地體周圍土壤的電阻率、采用高導活性離子接地單元加強散流能力等。

本工程220kV變電站與民用建筑合建，位于城市中心，不具備外引接地體的條件，同時化學降阻方式易對城市環境造成污染。本文提出采用不等間距水平接地網結合斜長接地極的設計方案。斜長接地極一方面能夠起到深井接地極的作用，滿足縱深散流要求；另一方面亦能在不另征地的條件下等效擴大接地網面積；斜長接地極之間的相互屏蔽影響，較同等的垂直接地極小，故降阻效果更佳[1]。文獻[12]研究了斜長接地極的降阻效果，利用 CDEGS軟件仿真分析了斜長接地極布置位置、角度、長度、根數等對不同面積接地網的降阻效果和特征，進而確定了斜長接地極的布置型式。本文引用該文獻的研究成果，在不等間距水平主接地網的基礎上，最終形成如下設計方案：

1）水平主接地網敷設范圍為 90m×50m，水平接地體埋深為1m、平均間距約10m，按照C=0.7的壓縮比不等間距布置。

2）在水平接地網外緣，增設16根斜長接地極。

3）斜長接地極單根長度25m，與水平面成20°角。

圖2 水平接地網結合斜長接地極設計方案示意圖

3.3 接地電阻、接觸電勢、跨步電壓校驗

經 CDEGS軟件仿真計算，采用不等間距水平接地網結合斜長接地極的設計方案，其接地電阻R=0.43Ω，較水平接地網方案減小 24%；接觸電勢Ut=699V（不滿足 296V限值要求），跨步電壓 Us=127V（滿足363V限值要求）。在可觸及的設備周圍1m范圍設置絕緣地坪后，提高接觸電勢允許限值，亦能滿足要求。

圖3 接觸電勢分布圖

圖4 跨步電壓分布圖

4 民用建筑合建變電站接地設計其他問題

1）短路電流分流系數

民用建筑合建變電站一般均為全電纜出線，220kV及110kV單芯電纜通常為護套雙端接地，因此短路故障時，大部分故障電流將通過電纜金屬護套回流。與架空出線變電站相比，短路電流分流系數將大大提高。常規接地設計中，為簡化計算，分流系數通常按0.5估算。在民用建筑合建變電站中，可考慮適當增大分流系數，以簡化接地網設計。

2）站外安全性

根據GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》定義，最大跨步電位差為接地網外的地面上水平距離 1m處對接地網邊緣接地極的最大電位差。民用建筑合建變電站位于中心城區，一般毗鄰馬路，往來人員密集，因此必須將可能存在危險的最大跨步電壓差限制在變電站內部。在不影響接地電阻的情況下，宜考慮將接地網邊緣（僅考慮水平主接地網）設置在變電站內側1m左右。

5 結論

本文針對民用建筑合建變電站受占地面積小等因素的限制，使用常規接地網設計方案難以滿足接地系統的安全性與經濟性要求，提出不等間距接地網結合斜長接地極的接地設計方案。經 CDEGS軟件仿真分析，接地電阻、接觸電勢和跨步電壓均能滿足校驗要求。同時針對民用建筑合建變電站在分流系數、站外安全性等方面的特殊問題進行了分析。

參考文獻

[1] 莊池杰, 曾嶸, 張波, 等. 高土壤電阻率地區變電站接地網設計思路[J]. 高電壓技術, 2008(5): 893-897.

[2] 靳小喜, 陳清鶴. 全戶內變電站接地系統優化設計[J]. 電氣技術, 2014(12): 61-64.

[3] 陸然, 張廣明. 城區變電站接地網設計探討[J]. 天津電力技術, 2011, (4): 39-41, 45.

[4] 張勁松. 城市變電站的接地設計[C]//廣東省電機工程學會2003—2004年度優秀論文集, 2005: 2.

[5] 朱文強. 變電站接地網腐蝕及防腐措施[J]. 電氣技術, 2011, 12(12): 108-110.

[6] 中國電力科學研究院. GB/T 50065—2011交流電氣裝置的接地設計規范[S]. 北京: 中國計劃出版社,2011.

[7] 徐彬鑫, 李祥飛, 黎德. 變電站三維立體接地網的研究與應用[J]. 湖南工業大學學報, 2015, 29(6):58-63.

[8] 葉軍. 上海城市變電站接地設計探討和改進[J]. 上海電力, 2003(4): 301-303.

[9] 常湧, 王明磊, 許崇武, 等. 接地網網內電位差的均衡優化[J]. 電網技術, 2008(22): 98-102.

[10] 余曉東. 高土壤電阻率地區變電站接地設計與降阻技術研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2009.

[11] 陸德琳. 接地模塊在降低變電站接地電阻中的應用[J]. 電氣技術, 2012, 13(1): 107-109.

[12] 劉渝根, 張競, 田資. 斜接地極對正方形地網降阻效果的優化研究[J]. 高壓電器, 2013, 49(2): 92-97.