變電站接地網(wǎng)安全評估方法

程 翔

（湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 400040）

0 引 言

接地，就是把電氣系統(tǒng)、電路或設(shè)備與大地連接，或者與范圍廣泛且能用來代替大地的等效金屬導(dǎo)體連接，其目的在于確定與之相連接的導(dǎo)體電位大致維持在大地電位，能在線路或電氣設(shè)備發(fā)生故障時為故障電流流回電源提供一條低阻抗的路徑。

變電站接地系統(tǒng)除了保證設(shè)備安全外，更重要的是在故障時保障工作人員的人身安全。發(fā)生接地短路故障時，若接地網(wǎng)設(shè)計合理，就能夠限制地電位升高、平衡地電位分布，減少工作人員受到危害[1-2]。

1 變電站接地網(wǎng)及其環(huán)境建模

1.1 變電站接地網(wǎng)建模

變電站接地網(wǎng)一般水平布置由金屬網(wǎng)和垂直接地極構(gòu)成。金屬接地網(wǎng)一般由銅棒組成，常排列成邊長數(shù)米到十米的矩形網(wǎng)格狀，埋在變電站地下0.5 m深；垂直接地極一般由銅包鋼或石墨制作，上端與水平接地網(wǎng)相連，下端埋入數(shù)米深的土壤中。

接地網(wǎng)的規(guī)模一般和變電站的占地形狀與規(guī)模相當(dāng)，但覆蓋范圍要包含變電站周邊10 m。

1.2 變電站接地網(wǎng)環(huán)境建模

變電站接地網(wǎng)接地電阻與其所在的土壤性質(zhì)有直接關(guān)系。一般通過文納法對變電站接地網(wǎng)土壤性質(zhì)進(jìn)行測量，然后建立土壤分層模型。圖1為四點(diǎn)文納法測量原理示意圖，將4個電極插入土壤，并在電極C1、C2間施加電壓，測量C1、C2間的電流與P1、P2間的電壓。調(diào)整電極的距離和插入深度，可以計算不同深度土壤的電阻率。對變電站各處進(jìn)行測試，取各測量點(diǎn)的平均值，就可以得到該區(qū)域土壤的特征，進(jìn)而建立土壤模型。

圖1 四點(diǎn)文納法測量原理示意圖

根據(jù)測量到的結(jié)果，可以建立土壤的分層模型。一般可以將土壤分為表層土壤和深層土壤，有時會增加中間層。一般深層土壤較濕潤，電阻率較小，而表層土壤電阻率較大。

2 變電站接地網(wǎng)安全性評估

對變電站接地網(wǎng)及土壤進(jìn)行建模后，需要對接地電阻、故障時的接觸電壓與跨步電壓進(jìn)行計算。除了利用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算外，利用CDEGS軟件可以更方便地獲得更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

2.1 接地電阻與地電位升高

在CDEGS軟件中建立變電站接地網(wǎng)的模型，并指定故障電流進(jìn)入地網(wǎng)的位置以及電流大小，即可計算出其等效接地電阻。按照規(guī)程規(guī)定，一般接地電阻RG應(yīng)滿足：

其中，IG為注入地網(wǎng)的故障電流，5 000為電壓。

同時，故障電流入地網(wǎng)將會在地網(wǎng)上形成壓降，從而引起地電位升高，對設(shè)備及地面上工作人員造成安全隱患。例如，圖2展示了某500 kV變電站接地網(wǎng)的接地電阻以及注入31.5 kA故障電流后的地電位升高。該接地網(wǎng)水平接地體為直徑13.4 mm的銅棒，埋深0.5 m，網(wǎng)格邊長10 m；垂直接地體為長6 m的銅包鋼棒。從計算結(jié)果可知，總接地電阻滿足規(guī)程要求，而發(fā)生接地故障時的地電位升高約為3 151 V。

圖2 接地電阻及地電位升高

2.2 接觸電壓計算

變電站的工作人員站在地面上，由于地網(wǎng)電位升高，土壤電位也會改變，因此人手觸摸較高的物體時與腳之間會產(chǎn)生電位差，即接觸電壓。

接觸電壓與地網(wǎng)電位升高、土壤電阻率及地表物質(zhì)電阻率都有關(guān)，其安全限值與故障清除時間也有關(guān)，一般故障清除時間越短，安全限值越高，即盡快清除故障有利于保護(hù)變電站工作人員人身安全。圖3為某變電站的接觸電壓分布，在安全限制以下的區(qū)域用白色顯示。

圖3 采用10 m網(wǎng)格接觸電壓分布

由圖3可知，該接地網(wǎng)設(shè)計存在安全隱患，接觸電壓超過了安全限制。

2.3 跨步電壓計算

接地故障時地面電位升高，且電位隨位置變化，變電站工作人員在地面上行走，兩腳之間會形成電位差，即跨步電壓。與接觸電壓類似，跨步電壓也受到地網(wǎng)電位升高、土壤電阻率及地表物質(zhì)電阻率影響，其限值與故障清除時間相關(guān)。一般跨步電壓的安全限值更容易滿足。只要接觸電壓滿足規(guī)程規(guī)定的安全限值要求，那么跨步電壓也會滿足要求。圖4為采用10 m網(wǎng)格跨步電壓分布。

圖4 采用10 m網(wǎng)格跨步電壓分布

由圖4可知，該變電站跨步電壓分布，白色部分為安全限值以下區(qū)域。該變電站及周邊區(qū)域跨步電壓均在安全限值以內(nèi)。

2.4 接地網(wǎng)安全性能優(yōu)化

初步設(shè)計的接地網(wǎng)不能滿足安全性要求。為了使接觸電壓滿足規(guī)程，可以將水平接地網(wǎng)的網(wǎng)孔加密，以進(jìn)一步降低接地電阻[3]。此外，在地表鋪設(shè)一層電阻率較大的隔離層，也可以降低地表工作人員的接觸電壓。將接地網(wǎng)網(wǎng)孔改為邊長2.5 m，同時在變電站地表鋪設(shè)一層15 cm碎石，碎石的電阻率約3 000 Ω·m，比土壤要大的多。

圖5和圖6展示了優(yōu)化變電站設(shè)計后的接觸電壓與跨步電壓分布。對接地網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行調(diào)整后，變電站內(nèi)的接觸電壓與跨步電壓都在安全限值以下，滿足了安全性要求。

圖5 采用2.5 m網(wǎng)格接觸電壓分布

圖6 采用2.5 m網(wǎng)格跨步電壓分布

3 結(jié) 論

本文介紹了變電站接地網(wǎng)安全評估的一般方法。對接地網(wǎng)及其環(huán)境進(jìn)行建模，再利用CDEGS軟件計算各安全指標(biāo)，從而對變電站接地網(wǎng)安全性作出評判，并給出對應(yīng)建議。