接地網(wǎng)短路電流分流系數(shù)及其地電位研究

在傳統(tǒng)的變電站接地網(wǎng)設計中判定其是否滿足使用需求，一般通過判斷電阻值是否滿足要求這一指標進行衡量[1]。在以往的研究理論中，以及經(jīng)過大量的實驗，表明在接地網(wǎng)的實際施工設計中可降低對接地電阻的要求，但接地網(wǎng)設計中的接觸電壓與跨步電壓對設備的影響不可忽略，接觸與跨步電壓的數(shù)值計算通過接地網(wǎng)地表電位實現(xiàn)。兩項電壓是在進行變電站接地網(wǎng)設計中不可忽視的重要因素[2]。

1 入地故障短路電流分析計算

在進行接地系統(tǒng)安全指標的計算與分析中，主要以入地故障短路電流為基礎。當變電站的工作系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)短路故障時，此時電流大部分在中性點的作用下自動流回系統(tǒng)當中，一部分電流經(jīng)由接地網(wǎng)流入土壤。變電站內(nèi)或站外系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過接地系統(tǒng)，最大的流入土壤的電流值或是土壤流入地網(wǎng)的電流最大值為掛賬電流最大值，這一數(shù)值有利于評估接地系統(tǒng)的設計參數(shù)[3]。接地網(wǎng)的設計參數(shù)選擇時，選用參數(shù)一般是最大入地短路電流。可應用以下步驟完成對最大接地短路電路的計算：

接地故障對稱電流If的確定：接地網(wǎng)故障電流分流系數(shù)Sf的計算依靠系統(tǒng)參數(shù)與設計線路，由分流系數(shù)計算得出入地對稱電流Ig。短路在變電站內(nèi)、外的表現(xiàn)有所不同，接地對稱電流的計算公式為：Ig=（Imax-In）Sf1，Ig=InSf2，式中Imax為系統(tǒng)故障時最大接地故障電流在數(shù)值上的有效值（A），In為站內(nèi)發(fā)生接地故障時流經(jīng)設備中性點的電流（A），Sf1、Sf2表述為分流系數(shù)，即變電站內(nèi)、外發(fā)生接地故障時；衰減系數(shù)Df的計算，最大接地故障不對稱電流有效值IG在數(shù)學關系上是衰減系數(shù)Df與入地對稱電流的乘積。在《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》GB/T50065-2011的附錄B 中，Df具體對應值在表B.0.3中有明確對應。進行變電站的內(nèi)外接地故障的分流系數(shù)確定的原理與方法過程如下。

1.1 當站內(nèi)發(fā)生接地故障時系統(tǒng)中對應的分流系數(shù)Sf1的計算

當變電站系統(tǒng)運行時出現(xiàn)單相接地故障事故時，假設桿塔接地電阻與每個檔距內(nèi)的導線參數(shù)相同（圖1）[4]。

圖1 站內(nèi)接地故障示意圖

零序電流在架空線路不通位置的計算見公式：

式中，ZS為地線阻抗在單位長度上的數(shù)值（Ω/km）；Zm為地線與相線之間在單位長度上的互阻抗（Ω/km）；D為檔距的平均長度（km）；rS為單位長度地線電阻數(shù)值（Ω/km）；aS為將電流化為表面分布后的地線的等值半徑（m）；k為地線的數(shù)量；DS為地線之間的距離（m）；Dm為地線之間的幾何均距（m），單地線時雙地線時為地線對地的等價鏡像距離，ρ為大地等值土壤電阻率（Ω·m）。當時n=1時，可以根據(jù)以下公式進行對分流系數(shù)的計算：

當s＞10時，簡化Sf1，獲得公式：

1.2 分流系數(shù)在出現(xiàn)站外接地故障時的計算

圖2 站外接地故障示意圖

在站外發(fā)生如圖2所示的單相接地故障時，零序電流在不同位置流過的電流數(shù)值可以利用如下公式計算：

當n=s時，將e-β計算表達式中的桿塔接地電阻R 替換原本的Rst，依據(jù)如下公式進行對分流系數(shù)Sf2的計算：

當s＞10時，對Sf2的形式進行簡化，求得公式：

在上述公式中，變電站內(nèi)外的相關公式計算系數(shù)代表的含義相同。

2 接地電阻相關要求

關于接地電阻的相關設計要求，當前主要參照的規(guī)范是《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997。接地電阻值不滿足的情況下，接地電阻的數(shù)值增加不應大于5Ω。

關于高土壤電阻率地區(qū)對接地電阻的要求可以參照《電力工程電氣設計手冊》。當在高土壤電阻率地區(qū)，即ρ＞500Ω·m，如果只考慮接地電阻的數(shù)值，那么必然會在經(jīng)濟上造成損失浪費，所以在此地區(qū)的電阻允許值可以適當降低。在短路電流流入大地情況時，可以將電阻值放寬到5Ω，同時不可忽視對接觸電壓與跨步電壓的校驗。當在獨立避雷針系統(tǒng)設備中接入電阻值時，這一電阻值的數(shù)值應當小于10Ω，在變電站接地網(wǎng)的實際施工過程中，如果難以實現(xiàn)設計要求，那么對接地電阻的數(shù)值要求可以采用放寬處理。避雷針中的接地裝置與主接地網(wǎng)相連，二者在連接長度上有規(guī)定，即35kV及以下設備和主網(wǎng)連接點連接時，其長度應大于15m，同時對空氣中距離與地中距離進行檢驗[5]。

3 地電位升及相應隔離措施

3.1 地電位升的確定分析

在變電站中，接地網(wǎng)的電位上升與二次設備安全之間存在著極為密切的關聯(lián)。變電站接地系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，相應的地表電位數(shù)值會隨之升高，二次電纜通過絕緣保護套與大地相連，激增的電位會對二次電纜造成不可逆的傷害。

在我國的電氣標準規(guī)范中明確規(guī)定地電位升不大于2000V，詳見《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997，這一數(shù)值規(guī)定源自二次電纜設備外部的絕緣保護難以抵抗高電壓，可以假設一種環(huán)境，變電站接地系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，但是感應電壓并未出現(xiàn)在二次電纜芯線上，那么此電壓為二次設備及屏蔽層電壓。

以單端接地的方式進行電纜連接時，如果短路故障發(fā)生時，屏蔽層中并未有電流流入流出，則可以忽略電纜芯線感應電壓，交流耐壓值決定了地電位升；應用雙端接地方式處理電纜，短路故障發(fā)生時，較高的感應電壓會表現(xiàn)在芯線周圍，主要是流經(jīng)的電流導致的，形成較小的電勢差。在變電站內(nèi)，兩個不同測試點之間的電位差的數(shù)值不會超出地網(wǎng)電位升數(shù)值幅度的40%，根據(jù)這一實踐原理數(shù)據(jù)，充分考慮到極端的環(huán)境情況與設備受到其他因素干擾的情況，應用二次電纜進行雙端接地的條件是其數(shù)值達到2kV，通過40%的范圍區(qū)間，則放寬地電位升到2000V/40%=5000V。

3.2 工頻反擊過電壓及其隔離措施

當變電站在高土壤電阻率地區(qū)實際施工中，對于難以滿足大接地短路電流系統(tǒng)要求的電阻值設計值時，可以降低對電阻值的要求，但同樣不可忽視對接觸和跨步電壓的驗算工作，變電站內(nèi)的3～10kV閥型避雷器即使在電位升高時也不動作，將變電站內(nèi)電位進行隔離。

3.2.1 3～10kV閥型避雷器的工頻放電電壓驗算

在變電站的接地電阻系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，導致部分短路電流直接流入土壤，此時對于變電站內(nèi)3～10kV閥型避雷器動作來說，電位的升高極容易導致其發(fā)生爆炸。為解決這一隱患問題，整個變電站內(nèi)的整體接地電阻的數(shù)值不應過大，其中計算允許接地電阻公式為：

式中，Ugf為3～10kV閥型避雷器工頻放電電壓下限值（kV）；I為短路電路在計算用的數(shù)值，并且此值需要計入短路電流的非周期分量（kA）；Ue為額定線電壓。

3.2.2 隔離接地電位在低壓線路中的措施

對低壓線路進行一定的隔離處理，是防止低電位引入與高電位引出的情況發(fā)生。應用絕緣性強的架空線路將變電站區(qū)域外的低壓線路引出，電源的中性點接地位置設置在戶外，為了避免引出高電位，接地形式為單獨接地；將變電站外的低壓線路引出，當?shù)蛪罕芾揍槹惭b在電源側(cè)時，應當接入一個額定電流為5A的一組熔斷器。隔離接地電位的操作是將處于接地網(wǎng)中的暫態(tài)電位升高，激發(fā)能量使避雷針對其造成擊穿，形成短路與熔斷熔體；對用戶的供電應用電纜實現(xiàn)應用戶外接地的只有電源中性點。