高土壤電阻率110 kV變電站接地電阻達標研究

曾 聰，王群江

高土壤電阻率110 kV變電站接地電阻達標研究

曾 聰，王群江

（中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙 410114）

接地系統是電網的重要組成部分，其好壞直接關乎系統的正常運行和人身、設備安全。本文詳細論述了110 kV變電站發生接地故障后地電位升超過2000 V時，與二次電纜屏蔽層并聯敷設的扁銅，其截面如何選擇以及金屬氧化物避雷器吸收能量安全性怎樣評估的問題。結論數據可供變電站接地設計參考。

接地電阻 熱穩定 工頻反擊電壓 金屬氧化物避雷器

0 引言

國內外由于接地網不合格引發的接地網事故中，有些不但燒毀了一次設備，而且還通過控制電纜將高壓引入控制室，使監測或控制設備發生誤動或是拒動，造成事故進一步擴大。因此，一個合格的地網在變電所的安全運行中發揮著重要作用。按《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB/T50065-2011)第4.2.1條規定，有效接地系統接地網的接地電阻應符合下面公式：

1 接地網穩態電位升高至5kV的附加要求

《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB/T50065-2011)第4.3.3條，提出了對有效接地系統中變電站接地網，發生接地故障后地電位升高至5 kV時，接地網及有關電氣裝置應符合的五點要求。其中第一、第四及第五條可實施性比較強,本文不再論述。但仍有部分條文，如第二、三條，并沒有給出具體的數值，在變電站接地設計時，以上要求該如何落實呢?

2 與接地網連接的扁銅其截面的選擇

2.1 扁銅的作用

為了減小電纜芯線和電纜屏蔽層之間的感應電位差，規范要求二次電纜屏蔽層兩端接地。接地故障時，由于地網不同點的電位差，會有部分電流從屏蔽層流過。如果故障電流較大，屏蔽層有穿孔的可能。鑒于扁銅的阻抗較屏蔽層小得多，因此會有大部分電流從扁銅流過。可見扁銅或銅絞線的主要作用是為了將流過電纜屏蔽層的電流限制在屏蔽層的載流量允許范圍內，使得屏蔽層不至于被熔化[5]。實驗證明，扁銅也可以降低控制電纜芯線和屏蔽層(或接地網)之間的工頻電位差，即工頻反擊過電壓[3]。下面，我們來分析其原理。

圖1 電纜溝電纜的反擊過電壓

解上述方程組，流過電纜屏蔽層和接地線的電流分別為：

電纜芯線的電壓等于芯線電流和芯線自阻抗的乘積，扁銅接地線的電流和扁銅接地線與芯線互阻抗乘積，屏蔽層的電流和屏蔽層與芯線互阻抗乘積之和。即：

屏蔽層電壓為：

但是，用上式是不能直接計算出反擊過電壓的，因為流過電流芯線和屏蔽層的電流，用解析的方法，通過計算得出。是非常困難的。這種困難在于接地線和電纜屏蔽層，實際上正是發生接地故障時，與接地網并聯的分流支路，類似的分流支路，不僅數量多，而且結構相當復雜。困難更在于，這些電流的數值與電纜在電磁場中布線路徑相關。正是這些原因導致對反擊電壓的研究，目前還停留在現場試驗和模擬實驗階段，流過電纜屏蔽層和接地線的電流，目前也只能用試驗的方法獲得。

2.2 扁銅的截面選擇

熱穩定校驗需要一個重要參數是流過導體的故障電流值。因此，扁銅的熱穩定校驗也很難用解析的方法計算出來的。但是我們可以做定量的分析。接地導體的最小截面應符合下式的要求[1]：

C——接地導體材料的熱穩定系數。

計算用接地故障電流原則上應選擇變電站工程設計水平年（15年～20年后）接線情況下，站內發生接地故障時的接地故障電流和各對端有電源線路所提供的接地故障電流。當系統遠景不是十分明確時，我國華東某省電力公司的《變電站銅質接地網應用導則》中提出的“110 kV配電裝置的總接地故障電流選25 kA”的推薦意見可供參考。

變電站內、外發生接地短路時，經接地網入地的故障對稱電流可分別按下列公式計算[2]：

即銅導體截面不小于50.2 mm2時，完全可滿足熱穩定要求。

《火力發電廠電氣一次設計》第十五章、第四節發電廠二次系統的接地，中指出“應在控制室、繼電器室、敷設二次電纜的溝道、配電裝置的就地端子箱及保護用結合濾波器等處，使用截面積不小于100 mm2的裸銅排（纜）敷設與主接地網連接的等電位接地網[2]”、“沿二次電纜的溝道敷設截面積不小于100 mm2的裸銅排（纜），構建室外的等電位接地網[2]”。

因此工程設計時，電纜溝中可采用截面積不小于100 mm2扁銅（或銅絞線）與二次電纜屏蔽層并聯敷設，是安全的，可采用的。

3 評估金屬氧化鋅避雷器吸收能量的安全性

當變電站有6 kV或10 kV架空線路向接地網外的用戶供電時，應避免在暫態反擊過電壓的作用下，6 kV或10 kV閥型避雷器應不動作，即要求閥型避雷器的工頻放電電壓大于工頻暫態反擊過電壓以免6 kV或10 kV閥型避雷器不能熄弧而損壞，甚至爆炸危及附近設備和人身安全。

避雷器受到的反擊過電壓，取決于避雷器端子處的對地電容和線路對地電容所組成的電容分壓器的分壓比。參考圖2，可以寫出避雷器受到的反擊過電壓為：

考慮到避雷器端子還受到正常運行交流電壓的作用，在最不利的情況下，運行電壓恰好和接地網電位的極性相反。因此，6 kV或10 kV閥型避雷器的工頻放電電壓應等于或大于：

1.8—計入非周期分量的系數。

可以由上式求出6 kV或10 kV閥型避雷器的工頻放電電壓下限所要求的全廠接地電阻值為：

表1 中閥型避雷器工頻放電電壓下限值，可在《交流三相組合式有串聯間隙金屬氧化物避雷器》JB/T10609-2006，避雷器電氣性能要求中查得，如表1所示[4]。

查表1知，6 kV站用避雷器工頻放電電壓不小于16 kV；10 kV站用避雷器工頻放電電壓不小于24 kV。將數值帶入式18計算，得出6 kV或10 kV系列閥型避雷器工頻放電電壓下限值允許的全廠接地網電阻值，如表2所示。

其它類型的避雷器，可依據相關國標或廠家提供的電氣參數，參考以上的分析方法，推導出變電站允許的接地電阻值，此處不再一一贅述。

表1 典型的電站用避雷器電氣特性（相-相、相-地）（kV）

表2 6～10 kV閥型避雷器工頻放電電壓下限值和允許的全廠的接地電阻

4 結論

接地是一個看似簡單、而實際上卻非常復雜且至關重要的問題。變電站接地的研究涉及到接地網的均壓、工頻反擊過電壓及轉移電位隔離等諸多問題。本文通過分析得出變電站接地網在發生接地故障后，地電位升高至5 kV時，與二次電纜并聯敷設的扁銅截面可選擇100 mm2及由金屬氧化物避雷器工頻放電電壓下限值決定的變電站接地電阻的最大值（詳見表2）。以上結論數據可供變電站接地設計使用。

[1] 中國電力企業聯合會. 交流電氣裝置的接地設計規范. GB/T50065-2011[S]. 北京: 中國計劃出版社，2011J

[2] 中國電力工程顧問集團有限公司. 火力發電廠電氣一次設[M]. 北京: 中國電力出版社, 2018: 816, 831

[3] 李景祿, 胡毅, 劉春生. 實用電力接地技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002: 174

[4] 中國機械工藝聯合會. 交流三相組合式有串聯間隙金屬氧化物避雷器. JB/T10609-2006[S]. 北京: 機械工業出版社, 2007

[5] IEEE Power and Energy Society. IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. IEEE Std 80[S]. 2013

Study on 110 kV substation grounding resistance up to standard in high soil resistivity area

Zeng Cong，Wang Qunjiang

（China Light Industry Changsha Engineering Co., Ltd., Changsha 410114, Hunan, China）

TM862

A

1003-4862（2022）09-0035-04

2022-06-09

曾聰(1981-)，碩士，高級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。E-mail: zengcong@cecchina.com