變電站接地電阻的設計及校驗方法

郭彩麗

（宇超電力股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

隨著我國經濟生活水平的不斷發展，對電能的需求也在日益地加重，電網分布也越來越密集，其中110 kV變電站的建設占據了很大的比重，國家電網對110 kV變電站實行模塊化通用設計，在江蘇省內基本所有戶內的110 kV變電站均要求采用A2-6方案設計。

一個變電站接地網的布置方式關系到人身和設備的安全，合理的接地網設計對變電站的安全可靠運行至關重要。該文針對某市某110 kV變電站新建工程的接地網進行計算分析，并給出提高接觸電壓和跨步電壓允許值的方法。

某市某變建設規模：遠景3×50 MVA主變壓器，電壓等級為110 kV/10 kV；本期建設2臺50 MVA三相雙繞組變壓器。供電線路包括電纜和架空線2種，其中電纜（630 mm2）長度為2.4 km，單回路架空線（240 mm2鋼芯鋁絞線帶避雷線）長度為5.8 km。

1 變電站單相入地短路電流的計算

1.1 本期規模

1.1.1 系統參數

常用基準值：

根據系統收資，

（1）甲方提供系統短路容量為：1300 MVA。

系統阻抗標幺值為：

（2）線路正序（負序）阻抗標幺值為：

線路零序阻抗標幺值為：

（3）變壓器的阻抗標幺值：

1.1.2 本期規模系統接線圖（圖1～圖4）

1.1.2 單相短路時入地電流計算

單相短路電流正序分量：Id1（1）=Ij/ （X∑1’+X∑2’+ X∑0’）=0.502/（0.0977+0.0977+0.0858）=1.785kA

單相短路合成電流：Id（1）=3×Id1

（1）=5.355 kA

根據三相序網的基本概念，正序網絡和負序網絡中，流經系統中性點和變壓器中性點的電流為0，在零序網絡中，流經系統中性點的電流等于三相電流之和，即零序電流分量的3倍。所以流經變壓器中性點的電流為：

圖1 本期正序阻抗圖

圖2 本期負序阻抗圖

圖3 本期零序阻抗圖

圖4 單相短路電流計算復合網絡阻抗圖

流經變壓器中性點電流：

計算得Iz=1.35kA

變電站內發生短路時，流經接地裝置的電流：

I內=（Id（1）-Iz）×（1-Kf1）

變電站外發生短路時，流經接地裝置的電流：

I外=Iz×（1-Kf2）

Kf1：變電站內發生短路時避雷線的工頻分流系數，Kf1=0.5（經驗值）

Kf2：變電站外發生短路時避雷線的工頻分流系數，Kf2=0.1（經驗值）

經計算：

I內=2.0 kA

I外=1.22kA

因此，單相短路時入地電流

I入=I內=2.0 kA

1.2 遠景規模

1.2.1 系統參數

電力系統規劃設計的遠景短路電流一般采用簡化或者近似的計算，計算時假設故障前為空載；所有節點電壓均為平均額定電壓；系統各個元件的電阻略去；只計算短路電流的故障分量和基頻的周期分量。

（1）根據甲方提供的10年左右規劃預估系統短路容量為4000 MVA，系統阻抗標幺值為：

XS1’= XS2’= XS0’=100/4000=0.025

（2）變壓器的阻抗標幺值：

Xb1’= Xb2’= Xb0’=0.17×50/100=0.34

1.2.2 遠景規模系統接線圖（圖5～圖8）

圖5 遠景正序阻抗圖

圖6 遠景負序阻抗圖

圖7 遠景零序阻抗圖

圖8 單相短路電流計算復合網絡阻抗圖

1.2.3 單相短路時入地電流計算

單相短路電流正序分量：

單相短路合成電流：

流經變壓器中性點電流：

計算得Iz=1.41kA

變電站內發生短路時，流經接地裝置的電流：

I內=9.61 kA

變電站外發生短路時，流經接地裝置的電流：

I外=1.269 kA

因此單相短路時入地電流

I入=I內=9.61 kA

2 變電站接地電阻最大值計算

對于有效接地和低電阻接地的系統的變電所電氣裝置保護的接地電阻宜符合下列要求：

R≤2000/I

其中：R—考慮到季節變化的最大接地電阻，Ω。

I—計算用的流經接地裝置的入地短路電流；A。

經計算本期規模接地網電阻

R≤2000/2140=0.934Ω

經計算遠景規模接地網電阻得

R≤2000/9610=0.208Ω

3 變電站接地網設計方案的確定

變電站的主接地網為方孔接地網，均壓帶總根數為21根。

變電站接地網技術參數：變電站的主接地網以水平接地網為主，接地材料選用截面120 mm2銅絞線且邊緣閉合的復合接地體接地，垂直接地體為Φ14.2鍍銅接地棒，長度為2.5m，共79根。接地體總長度（垂直接地體+水平接地體）為：1 300 m；接地網外緣邊線總長度為：220 m；水平接地體埋深：0.8 m；接地網的總面積：2 675m2。經勘測變電站土壤電阻率ρ（Ω·m）=24.42。

接地電阻計算公式：

經計算接地電阻：R=0.237Ω

本工程的接地裝置的接地電阻雖然不滿足遠景規模對接地電阻的要求。由于接地電阻值相差比較小，通過技術經濟比較，可適當地增大接地電阻值，根據標準DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》中5.1條的要求，接地電阻不得大于5Ω。但是必須根據遠景的情況校驗接觸電位差和跨步電位差。

4 變電站接觸電位差和跨步電位差的校驗

4.1 定義

接觸電位差定義：當接地短路電流流過接地裝置時，大地表面形成分布電位差，在地面上離距設備水平距離0.8 m處與沿設備外殼、架構或墻壁離地面的垂直距離為1.8 m處兩點間點電位差。

跨步電位差定義：地面上水平距離為0.8 m的兩點間的電位差。

4.2 遠景規模最大接觸電位差和跨步電位差計算

發生接地故障時，接地裝置的電位：

Ew=I入×R=9.61×0.237×1000=2277.57V

此時接地網最大接觸電位差：

Ejm=Kj×Ew=0.168×2277.57=382.6 V ；

此時接地網最大跨步電位差：

Ekm=Kk×Ew=0.071×2277.57=161.7 V ；

其中：跨步系數Kk=0.071

接觸系數Kj=0.0168

4.3 變電站接觸電位差和跨步電位差的允許值計算

根據DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中3.4條：110 kV及以上有效接地系統，發生單相接地或者同點兩相接地時，變電站接地裝置的接觸電壓和跨步電壓不應超過下列值：

Ej：接觸電位差，V。

Ek：跨步電位差，V。

ρf：人腳站立處地表面的土壤電阻率，Ω·m。

t：接地短路（故障）電流的持續時間，s（主保護動作時間+第一級后備保護動作時間+斷路器開斷時間）；t=0.7s

變電站的跨步電位差和接觸電位差需要根據遠景規模校驗，遠景最大接觸電位差Ejm= 382.6 V； 遠景最大跨步電位差Ekm=161.7 V ；變電站道路需要選擇水泥混凝土路面，在變電所圍墻和房屋附近鋪碎石，根據《電力工程電氣設計手冊》電氣一次部分中表16-3 “土壤和誰的電阻率參考值”中查的：

（1）水泥的電阻率：（在干土中）

ρf水泥=1000Ω·m

（2）水泥的電阻率：（在濕土中）

ρf水泥=200Ω·m

（3）碎石的電阻率：

ρf碎石=5000Ω·m

由于靠近建筑物附近的都是碎石，所以接觸電位差采用碎石的電阻率計算，道路是水泥路面，電阻率按照濕土中的電阻率計算。

根據上述條件計算得出接觸電位差和跨步電位差的值：

接觸電位差允許值：

Ej= 1223V＞Ejm= 382.6 V

跨步電位差允許值：

Ek=375V ＞Ekm=161.7 V

滿足遠景規模的要求。

5 結論

（1）該文采用系統單相接地短路電流減掉流經變壓器中性點短路電流法計算入地電流，從而對變電站接地網接地電阻、計算跨步電位差和接觸電位差進行計算，為變電站接地系統的設計和驗算提供了一種有效的方法。

（2）本工程在建筑物和圍墻的四周鋪設碎石，厚度大概20 cm，即具有經濟性維護又方便，增加計算接觸電位差允許值的地面土壤電阻率，增加接觸電位差的允許值。

（3）如變電站遠景單相接地短路時的最大接觸電位差和跨步電位差超出允許值時，可以采用下列的措施提高接觸電壓和跨步電壓的方法：1）在經常維護的通道、操作機構四周、保護網的附件增加局部的水平均壓帶，以降低人身承受電壓；2）鋪設礫石（碎石、卵石）地面或瀝青地面，以提高地表面的電阻率，以降低人身承受的電壓。