500 kV GIL管廊接地系統分析

趙新宇，張益賡，賈振宏，張瑞永，吳述關，譚沛文

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引 言

目前，城市用電需求越來越大，而大規模發電裝置通常遠離負荷中心，需要長距離、高可靠和高效的特高壓輸電線路[1-4]。由于采用架空線的特高壓長距離輸電線路的鐵塔很高、導線束很大，受場地限制，不能在任何地方都實現。而氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)具有輸電容量大、占地少、維護量小、環境影響小等顯著優點，逐漸成為特殊環境下替代架空線路的首選。

類似于輸電線路接地系統，GIL的接地系統對GIL穩定運行起著重要作用，它直接影響管廊內部工作人員的生命安全，對地面上的行人也有著影響。目前的研究主要是針對GIL外殼環流和外殼接地[5-7]，對于GIL接地系統少有涉及。

基于某實際GIL綜合管廊工程的設計參數，采用CDEGS軟件，建立GIL管廊三維仿真模型，研究分析接地網的深度、入地點的個數、混凝土電阻率、是否考慮鋼筋主結構等因素對GIL系統接地電阻、接觸電壓、跨步電壓以及電位升的影響，從經濟和安全的角度提出最合適的接地結構。

1 GIL接地模型

1.1 艙內結構及模型

GIL管廊建于地面下2 m處，總長度為330 m，混凝土墻壁厚度為0.25 m。管廊內有500 kV單回路交流輸電線路，布置在管廊的左側，沿管廊每隔20 m設置長0.843 m的金屬支架，GIL本體放置在金屬支架上，相間距為0.85 m。金屬支架固定于混凝土墻壁，并與接地母線相連，接地母線通過接地引線與管廊底部的接地網相連接。

圖1 GIL艙結構斷面

接地母線和接地引線均采用截面為50 mm×5 mm的銅排，接地網埋設在GIL管廊下方，面積為3 m×330 m。接地網橫向取20根導體棒，縱向取7根導體棒。此外銅排接地干線兩端引出與接地網相連，銅排與接地網不少于2個連接點[9]，這里取在前端位置連接。

根據實測數據和軟件仿真的結果，將土壤電阻水平分為1層，土壤電阻率為28 Ω·m。

根據上述條件，基于仿真軟件CDEGS建立GIL管廊接地模型，接地系統局部截面圖如圖2所示，其管廊局部截面圖如圖3所示，混凝土電阻率取值范圍為500～20 000 Ω·m[8]，接地網的深度取在GIL底部下側0.8～2 m處，觀測面設置在管廊隧道底部，距離地面深度為5.45 m。

1.2 接地系統電氣特性分析

基于上述GIL模型，將短路入地電流激勵設在接地網前端入地點上，設置短路入地電流激勵因子為10 kA，計算接地系統電氣特性參數；設置混凝土電阻率為3000 Ω·m，計算接地系統的接地電阻值為0.125 1 Ω。

觀測接地網電氣特性參數，其跨步電壓分布如圖4所示，跨步電壓最大值為282.76 V，主要分布在管廊的末端，中間管廊處跨步電壓很低，分布也比較均勻。

圖2 GIL接地系統Y-Z平面

圖3 GIL管廊三維平面

圖4 接地模型跨步電壓云圖

接觸電壓分布如圖5所示，可以看出，接觸電壓的最大值為480.668 V，位于兩邊的入地點附近，遠離入地點的方位，接觸電壓逐漸減小。

地面最大電位升為530.245 V，與接觸電壓相似，隨著遠離入地點的方向，地電位升逐漸降低，如圖6所示。

圖5 接地模型接觸電壓云圖

圖6 接地模型地電位升云圖

根據IEEE標準計算的接觸電壓和跨步電壓的安全閾值如表1所示。根據表1可知，在故障切除時間為0.250 s和0.500 s時，最大跨步電壓和接觸電壓小于允許的最大限值。所以，接地網設計總體符合計算要求，是較為接近實際的一種模型。

表1 CDEGS 電氣特性安全閾值標準

2 接地網的組成對接地特性參數的影響

2.1 入地點的個數對接地特性參數的影響

由于工程要求，此GIL接地系統的入地點不少于2個，將多個入地點加入系統中，為電流提供了多個路徑，起到了一定的分流作用。入地點個數對接地系統電氣特性的影響如表2所示。

隨著入地點個數的增加，接地電阻、接觸電壓、跨步電壓、地電位升會略微下降，但下降幅度很小。入地點個數對接地特性參數基本沒有影響。

2.2 地網的深度對接地特性參數的影響

出于人身安全考慮，設計院一般規定的標準為接地網距離GIL管廊底部0.8 m以上[10]。這里的GIL接地網沿著GIL管廊鋪設，埋設的難度不大，所考慮的接地網距離GIL底部0.8～2 m。接地網入地深度對接地系統特性的影響如表3所示。可以看出，隨著接地網入地深度的增加，接地電阻值分別下降了2.7%、4.6%、8.2%、10.39%、11.83%，接觸電壓、跨步電壓、地電位升也有明顯下降。接地網入地深度對接地網特性的影響較大。

表2 入地點個數對接地系統接地特性的影響

表3 接地網與GIL管廊距離對接地系統接地特性的影響

3 混凝土結構鋼筋對特性參數的影響

3.1 混凝土電阻率對接地電阻的影響

混凝土中主結構鋼筋可形成2個豎直平面的輔助接地系統，起到了良好的分流效果。同時混凝土的電阻率與周圍水分聯系緊密，會在晴天與下雨天有所不同[9]。表4為不同混凝土電阻率條件下接地系統的接地電阻，其接觸電壓、跨步電壓分別如圖7、圖8所示。

表4 混凝土電阻率對接地系統接地電阻的影響

由計算結果可知，當混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為1200 Ω·m時，接地電阻下降了7.3%；當混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為500 Ω·m時，接地電阻下降了14.2%。接觸電阻下降對接觸電壓和跨步電壓也有較大影響，當混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為1200 Ω·m時，接觸電壓最大值由480.67 V下降為368.41 V，跨步電壓最大值由282.78 V變為188.8 V。當混凝土電阻率降低時，接地網的電阻值降低，從而導致接觸電壓和跨步電壓減小。

3.2 不考慮混凝土主結構鋼筋對接地系統的影響

斷開混凝土主結構鋼筋與銅排接地干線和接地網的連接，計算接地網電氣特性，結果如表5所示。

表5 鋼筋結構對接地系統電氣特性的影響

同考慮主結構鋼筋作為輔助接地系統時相比，不考慮主結構鋼筋時的接地電阻值升高了約13.6%，跨步電壓、接觸電壓、地電位升的最大值在相同條件下分別增加了45.6%、81.9%和103.78%，超過所允許的最大接觸電壓限值。這是因為主結構鋼筋鑲嵌在混凝土里組成輔助接地網，輔助接地網與接地網串聯形成接地系統。不考慮主結構鋼筋時，入地電流的路徑減少，接地系統的接地電阻值增加，導致了接觸電壓、跨步電壓和地電位升的增加。根據上述分析可知，鋼筋混凝土結構可以有效降低接觸電壓、跨步電壓和地電位升，在實際應用中應該考慮。

4 結 語

針對某500 kV線路改遷工程的GIL管廊接地系統進行了分析研究，主要分析了GIL在故障情況下的接觸電壓、跨步電壓、地電位升，研究了入地點個數、接地網的入地深度、混凝土電阻率和混凝土鋼筋結構對接地網特性的影響，結果表明：

1)入地點個數對接地特性影響很小，一般設置2個比較好。

2)接地網的埋設深度對接地特性影響較大，接地網埋設越深，接地電阻、接觸電壓和跨步電壓越小，但是綜合成本考慮最好埋設在GIL管廊底部1.2～1.5 m處。

3)在考慮鋼筋支撐結構的條件下，混凝土電阻率對接地特性影響很大。GIL接地設計時不可忽略鋼筋主結構對接地系統的影響。