基于全壽命周期的接地網方案優化設計

昝晶晶　閆鵬

摘? 要：變電站接地網設計是保障人身和設備安全的前提，接地設計時要綜合考慮接地材料的熱穩定校驗、接地網均壓校驗等，由于接地網改造具有工期長投資大的特點，接地網防腐問題也是重要的影響因素。以某戶內220kV變電站為例，制定出銅接地網和“扁鋼+犧牲陽極”兩種方案，均滿足接地網設計的各項安全指標。根據全壽命周期理論，統籌考慮初始投資、運行維護成本、故障停電費用以及殘值的全過程，通過對比，最終得出犧牲陽極的扁鋼接地網方案經濟最優。

關鍵詞：全壽命周期? 接地網? 防腐

中圖分類號：TM62 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0009-03

Abstract： The design of grounding grid in substation is the precondition of ensuring the safety of human body and equipment. It is necessary to consider the thermal stability check of ground material， the ground net pressure check and so on. Since the ground grid retrofit is a project with long construction period and large investment demand， grounding grid corrosion issues are also important factors. Taking an indoor 220kV substation for an example， two schemes of copper grounding network and "flat steel + sacrificial anode" are formulated， both schemes meet the safety indicators of ground grid design. According to the whole life cycle theory， the whole process of initial investment， operation and maintenance cost， power cut cost and residual value are considered as the whole process. By comparison， the flat steel grounding grid with sacrificial anode is the best plan.

Key Words： Full life cycle; Grounding grid; Anti-corrosion

變電站接地系統是保證電力系統安全運行的根本條件，接地網設計的目的是保證人身和設備的安全，接地裝置的主要作用是將短路電流經過接地引下線和接地體引入大地，變電站的接地裝置主要包括主接地網、室內環形接地網和接地引線。主接地網包括水平接地體和垂直接地極，圖1所示為某戶內220kV變電站接地系統示意圖。建筑防雷接地、電氣一次設備接地和電氣二次設備接地相互獨立，通過不同接地引線接入主接地網。電氣二次設備接入主接地網的接地點應遠離建筑防雷和電氣一次設備接地的接入主接地網的接地點，地中沿導體距離應不小于15m。

1? 接地材料的應用要求

接地導體主要應該滿足三個要求，一是熱穩定要求，即接地導體的截面積要滿足導體極限溫升，不至于因短路電流產生的高溫而熔斷。二是均壓要求，即要滿足接觸電壓和跨步電壓的校驗。三是壽命要求，因接地網開挖難度大、工期長、改造費用高等原因，接地裝置應具有較長的使用年限。

1.1 熱穩定要求

當系統發生接地短路時，流過接地體的電流將迅速產生高溫，可能導致接地體的熔斷，或者損壞接地體。因系統故障時間極短，接地體在短時間內不能將熱量散發到外界，所以，必須保證接地體有足夠大的散流面積，接地材料的截面積必須滿足熱穩定校驗的條件，校驗熱穩定的公式如下：

式中：Sg——接地線的最小截面，mm2;

Ig——流過接地導體的最大接地故障不對稱電流有效值，A;

te——短路的等效持續時間，s;

C——接地線材料的熱穩定系數，根據材料的種類、性能及最高允許溫度和短路前接地線的初始溫度確定。

熱穩定系數在《交流電氣裝置的接地設計規范》中已經有明確說明，進一步咨詢銅覆鋼生產廠家后確定，φ18銅覆鋼的熱穩定系數取128，導體截面積相當于254mm2。短路電流持續時間取0.56s，鋼材的熱穩定系數為70，銅的熱穩定系數為210，根據GB/T50065附錄E，當系統為有效接地方式時，IG取單相接地故障電流，以某220kV變電站為例，單相接地故障電流按22.45kA考慮。

經計算，在不考慮腐蝕的情況下，三種材料的截面如下表所示。國家電網公司十八項反措中指出，在新建工程設計中，校驗接地引下線熱穩定所用電流應不小于遠期可能出現的最大值，有條件地區可按照斷路器額定開斷電流考核;接地裝置接地體的截面積不小于連接至該接地裝置接地引下線截面積的75%。本站220kVGIS斷路器的額定開端電流為50kV，所以水平接地體和接地引下線均考慮了一定裕度。

1.2 均壓要求

布置接地網時主要校驗跨步電壓和接觸電壓是否在安全值范圍內，接地網的布置方式主要分為等間距接地網和不等間距接地網，根據土壤電阻率和短路持續時間計算出跨步電壓和接觸電壓的允許值，再根據不同方案的網格設置進行校驗，選擇技術和經濟最優的方案。表2是某220kV工程采用不等間距接地網布置時的計算結果，地網面積86.5×55m2，-80x6扁鋼，埋深0.8m。均壓帶非等間距布置時，最小采用網格6×8根即可滿足人身安全要求。而采用等間距布置最小網格7×11根時，接地網網孔為8.6m×9.17m，且不能滿足人身安全要求。根據《交流電氣裝置的接地設計規范》，等間距布置時，接地網的水平接地極采用10m～20m的間距布置。7×11根的等間距布置已經違反了規程規定，從經濟性上看也不如非等間距布置，可以看出，不等間距接地方案經濟和技術指標都更優。

1.3 壽命要求

《國家電網公司輸變電工程提高設計使用壽命指導意見》中指出，“接地材料的選型要充分考慮土壤的腐蝕狀況。戶內變電站接地材料應與建筑物使用壽命相匹配。戶外變電站接地材料使用壽命達到40年。”影響接地材料壽命的最主要原因就是腐蝕，因此，解決接地網的腐蝕問題，延長接地網的使用壽命，是變電站安全穩定運行的重要保障。

2? 基于全壽命周期的方案比選

資產全壽命周期管理的目的是在保證電網安全運行的前提下，做到全壽命周期內成本最低，綜合考慮規劃、設計、采購、建設、運行、檢修、技改、報廢的全過程，實現經濟技術方案的最優。

《電力工程地下金屬構筑物防腐技術導則》指出，變電站土壤電阻率在20～50Ω·m之間時，可采用碳鋼加陰極保護或碳鋼加熱鍍鋅的防腐措施。對于全戶內變電站、緊湊型變電站，在經濟技術合理時也可采用銅材作為接地體。土壤電阻率在10Ω·m以上時，采用鎂合金犧牲陽極，鎂合金犧牲陽極材料性能應符合GB/T17731的規定。本站土壤電阻率30～40Ω·m之間，因此，從技術上看，選擇銅材或者“鋼材+鎂合金犧牲陽極”兩種方案都可以，表3對兩種方案的材料選擇進行了詳細說明。

2.1 兩種不同方案的接地材料選擇

如表3所示。

2.2 全壽命周期成本計算

采用全壽命周期成本簡稱（LCC）的方法，對兩種接地方案進行對比論證。從變電站LCC計算模型看，LCC的計算方法，需大量的詳細、真實、可靠的數據支持，為此必須掌握有關設備、維護、檢修等費用的歷史數據。在缺乏部分數據的現狀下，本工程LCC計算，將做一下簡化處理，主要考慮初始的投資C1、運行維護成本CO、故障停電費用CF以及殘值CD。即LCC=C1+CO+CF+CD。

（1）一次性投資成本。

一次投資成本主要考慮兩種接地網的材料費和安裝費。扁鋼單價按6000元/t考慮，鎂合金犧牲陽極費用為1.75萬元左右，銅按60000元/t考慮，根據材料表計列的長度，計算出材料費。兩種地網初始投資成本（C1）詳見表5。

（2）運行成本。

變電站內運行成本考慮試驗費用、安裝調試、檢修費和維護費。對比銅接地網和犧牲陽極的扁鋼接地網，根據廠家預估，兩種情況的試驗費用、安裝調試費和維護費大抵相同，犧牲陽極的扁鋼接地網方案在全壽命周期內考慮2次檢修，銅接地網考慮1次檢修。

（3）故障停電費用。

本次比較認為兩種方案的中斷供電損失成本（CF）均為0，均取同一基準值。

（4）殘值統計。

主要考慮接地網拆除及接地材料的殘值。銅接地網運行30年無需改造，腐蝕非常小，故銅地網殘值較大。采用犧牲陽極的防腐措施后，鍍鋅扁鋼接地網的方案拉近了與銅接地網的差距。

因LCC最終的比較結果取其差價決策，由表6可知：通過兩個方案的LCC的差價比較，犧牲陽極的扁鋼接地網方案比銅地網方案少14.64萬元。

3? 結語

本文綜合分析了影響接地材料選擇的三個因素，在國家標準要求下，進行變電站接地材料的選擇，截面的確定，接地網的布置等。在接地網設計時引入全壽命周期的理念，目的是在保證電網安全運行的前提下，選擇最優的接地方案，實現更大的經濟效益。

參考文獻

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