國內外工程變電站接地網設計的比較

□ 楊立成

上海思源輸配電工程有限公司 上海 201108

1 研究背景

良好的接地系統設計是電力工程的一項重要工作內容,也是確保運行人員安全、變電站穩定運行的基礎保障。近年來,隨著國民經濟的高速發展,電力系統的規模和負荷日益增大,對接地網設計的要求越來越高。另一方面,隨著國家“一帶一路”倡議和“走出去”戰略的實施,越來越多的國內電力設備企業和設計、施工單位開始涉足國際電力工程項目。在此背景下,對采用國際標準的變電站接地網設計進行研究和應用具有現實意義。

目前,國內工程的接地網設計和接地電阻計算主要依據GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》、DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》、相關電力工程電氣設計手冊等,國際工程則主要依據IEEE 80—2013 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding。筆者對大接地短路電流系統下國內外工程變電站接地網設計的標準規范、相關概念、計算方式等內容做介紹和分析,并結合工程經驗進行比較,使廣大工程技術人員和管理人員更加深入了解、掌握兩者的異同點和適用的工況范圍,以便更有針對性地實現應用。

2 國內工程變電站接地網設計

2.1 基本原則

根據國內相關標準及規范,在大接地短路電流系統,即110 kV及以上電壓等級電網中,一般土壤電阻率區域的接地電阻計算式為:

R≤2 000/I

(1)

式中:R為考慮季節變化的最大接地電阻;I為流經接地裝置的計算用入地短路電流,一般應考慮電力系統未來10～15 a最大運行方式。

2.2 接地故障時系統短路電流與入地短路電流

需要特別強調的是,發生故障時,系統短路電流和流經接地裝置進入地網的短路電流是兩個不同的概念,很多初級技術人員往往會混淆。

變電站接地計算時,一般以系統兩相接地短路電流、單相接地短路電流的大值作為計算的故障電流,根據電網未來10～15 a規劃的等值阻抗模型分別計算高壓側、中壓側母線短路電流水平。以220 kV變電站為例,等值阻抗網絡如圖1所示。以此等值阻抗網絡分別計算220 kV側母線、110 kV側母線兩相及單相接地短路電流水平,進而確定系統的最大故障電流水平。

變電站內或外發生接地短路時,短路電流可以分為三個部分:流經接地裝置的流入地網的短路電流、變壓器中性點流過的短路電流、架空避雷線所分得的接地短路電流。

若要計算入地短路電流I,則只需要先計算出接地故障時流經變壓器各中性點的短路電流及流經架空避雷線的短路電流,相關計算式為:

I=(Imax-In)(1-Kf1)

(2)

I=In(1-Kf2)

(3)

式中:Imax為發生接地故障時系統的最大短路電流;In為發生接地故障時流經變壓器中性點的短路電流;Kf1為發生變電站內接地故障時架空避雷線的分流因數;Kf2為發生變電站外接地故障時架空避雷線的分流因數。

實際所采用的計算值選擇式(2)、式(3)計算結果的大值。

需要特別說明的是,在實際工程應用中,不能將系統最大短路電流用于計算接地網電阻,否則會導致計算值偏大,不利于工程成本控制。

另外,在GB/T 50065—2011中規定R≤2 000/IG,IG考慮了入地短路電流直流分量對人員安全及接地裝置的影響。此時按照接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值進行設計,并引入衰減因數的概念。

2.3 最大接觸電勢和最大跨步電勢

近年來我國電力系統快速發展,系統負荷及容量不斷增大,系統的短路電流水平已經達到20 kA、30 kA或更高,入地短路電流也越來越大,因此在工程應用中,實際人工接地體的電阻值往往會大于式(1)要求的允許值。對此,在實際工程應用中,可以按最大接觸電勢和最大跨步電勢進行校驗。

最大允許接觸電勢Ut為:

(4)

式中:ρs為人腳站立處地面的土壤電阻率;Cs為土壤表層衰減因數;ts為接地短路電流的持續時間,即主保護動作時間加斷路器分閘時間。

最大允許跨步電勢Us為:

(5)

k=(ρ1-ρ2)/(ρ1+ρ2)

(6)

式中:ρ1為上層電阻率;ρ2為下層電阻率。

2.4 熱穩定校驗

隨著當前國民經濟的快速增長和電網規模的不斷擴大,對于大接地短路電流系統而言,故障時的短路電流也越來越大,有必要對所選接地裝置進行校驗,以確保滿足熱穩定要求。熱穩定校驗計算式為:

(7)

式中:S為滿足熱穩定要求的最小接地體截面;I′為流經接地線的短路電流;t為主保護動作時間、失靈保護動作時間、斷路器動作時間之和;C為熱穩定因數,實際應用中鋼材取70,銅材取210。

2.5 接地體電阻

假設土壤電阻率均勻,可以對單根垂直接地體、不同形狀水平接地極,以及水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網進行計算。復合接地網相關計算式為:

(8)

(9)

(10)

Rn=aRe

(11)

式中:Rn為復合接地網接地電阻;Re為等值方形接地網接地電阻;L0為接地網外邊緣總長;L為水平接地極總長;S1為接地網總面積,m2;h為水平接地極埋設深度;d為水平接地極直徑或等效直徑;ρ為土壤電阻率。

需要注意的是,對于土壤電阻率,傳統計算方法按均勻土壤電阻率來選取,假定場地內各點沿縱向和橫向的變化不大。但是,現場實際數據會隨地點和深度的變化而發生變化,有時不同土層甚至會差別較大。針對此情況,建立土壤結構化模型,對土壤按不同性質和類別建立分層結構,利用相關軟件進行仿真計算,是近年來接地計算的一個發展趨勢,并在一些工程實踐中得到了應用。

2.6 接地網計算流程

基于上述介紹,結合工程實際應用,接地網計算流程如圖3所示。

3 工程實際應用

以某220 kV變電站實際工程數據作為輸入,按照上述計算式及計算流程來計算該變電站接地電阻,并采取必要的降阻措施。

3.1 系統參數

主變壓器電壓為220 kV/110 kV/35 kV,容量為180 MVA。220 kV出線有12回,110 kV出線有14回。在兩相接地短路情況下,故障點短路電流的最大值為29.8 kA。

3.2 接地網數據

根據現場測量若干點的結果,考慮季節因數1.3,加權后取土壤電阻率為1 200 Ω·m。初步設計接地網尺寸為150 m×200 m,由截面邊長為60 mm、厚度為6 mm的接地扁鋼構成。

3.3 計算結果

根據上述計算式及計算流程,接地體截面大于最小允許截面,滿足熱穩定要求,但求得接地網電阻為2.9 Ω,不滿足式(1)要求,需要按照最大接觸電勢和最大跨步電勢進行校驗。經計算,該接地網電阻仍然不能滿足最大接觸電勢的要求,因此需要采取進一步降阻措施。

3.4 降阻措施

目前,在實際工程應用中除敷設人工復合接地體外,其它降阻措施主要有敷設降阻劑、用鋼管打接地深井、在延長線方向采用接地斜井等。考慮到保護環境,敷設降阻劑近年來已不提倡使用。經核算,這一項目需要打六口接地深井和四口斜井,深井相當于并聯垂直接地體,斜井相當于并聯水平接地體,這樣可以將電阻降至滿足最大接觸電勢和最大跨步電勢要求。

4 國外工程變電站接地網設計

隨著國內企業不斷開展國際工程業務,與國際標準接軌,利用IEEE 80—2013來進行變電站接地網設計及計算已越來越受到關注。筆者主要結合工程實際對其中的主要原則和相關標準進行介紹。

4.1 接地故障時入地短路電流

IEEE 80—2013在入地短路電流中額外引入直流分量的概念,認為入地短路電流還要考慮直流分量對人員及設備的影響。在IEEE 80—2013標準中,最大入地短路電流IG計算式為:

IG=DfIg=DfSfIf=3DfSfI0

(12)

式中:Df為衰減因數;Ig為入地電流的有效值;Sf分流因數;If為對稱故障電流有效值;I0為零序電流。

4.2 最大接觸電勢和最大跨步電勢

IEEE 80—2013按人體電阻1 000 Ω考慮,因此IEEE 80—2013標準最大接觸電勢和最大跨步電勢的計算相比國內更為保守,并且分別考慮兩種不同人體質量下人體所允許通過的電流。

人體質量為50 kg時,人體所允許通過的電流IB為:

(13)

人體質量為70 kg時,人體所允許通過的電流IB為:

(14)

以人體質量50 kg為例,最大允許接觸電勢Etouch為:

(15)

最大允許跨步電勢Estep為:

(16)

4.3 熱穩定校驗

IEEE 80—2013中,熱穩定校驗計算式為:

(17)

式中:A為接地導體截面積;I1為對稱故障電流有效值;TCAP為熱容量與單位體積比值;tc為故障電流持續時間;ar為在參考溫度Tr時的電阻率熱系數;ρr為接地體在參考溫度Tr時的電阻率;Tm為最高允許溫度;Ta為環境溫度。

K0由式(18)或式(19)計算得到:

K0=1/α0

(18)

K0=1/αr-Trα0

(19)

式中:α0為0 ℃時的電阻率熱系數。

4.4 接地體電阻

IEEE 80—2013給出了垂直接地體、水平接地體、復合接地網的電阻計算式,并且引入了水平接地體和垂直接地體之間相互影響的電阻Rm。復合接地網接地電阻Rg計算式為:

(20)

式中:R1為水平接地體電阻;R2為垂直接地體電阻。

4.5 接地網計算流程

IEEE 80—2013對應的接地網計算流程與國內工程相似。

5 結束語

筆者從工程應用角度出發,對國內外工程變電站接地網設計進行了比較,對各自的應用范圍和注意事項進行了介紹。無論是國內標準還是國際標準,在各自工程項目領域都發揮著重要作用,后續在土壤電阻率分層建模、入地最大短路電流分流因數確定等方面仍需進一步研究,并在工程實踐中不斷總結。另一方面,變電站投運后接地材料腐蝕導致性能降低,系統短路水平由于電網和負荷不斷增大而日益增高,針對這些情況,應當建立長效管理機制和有效監測手段,使變電站接地管理及接地電阻監測實現動態化和周期性,這是廣大工程人員未來探索和研究的一個方向。