1000 kV GIS(HGIS)接地設(shè)計方案

龐亞東，倪 敏

（北京國電華北電力工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

國家電網(wǎng)公司1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程已經(jīng)成功投運。全面總結(jié)特高壓試驗示范工程設(shè)計經(jīng)驗，對指導(dǎo)后續(xù)1000 kV變電站工程設(shè)計符合安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、環(huán)境友好的原則，促進電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

晉東南變電站1000 kV開關(guān)設(shè)備選用GIS，南陽開關(guān)站和荊門變電站1000 kV開關(guān)設(shè)備選用HGIS。晉東南站GIS的主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓1100kV，母線額定電流8 kA，進出線額定電流6.3 kA，額定短時耐受電流50 kA/2 s；南陽站和荊門站HGIS的主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓1100 kV，進出線額定電流6.3 kA(荊門站5 kA)，額定短時耐受電流50 kA/2 s。

為了確保人身和設(shè)備安全，GIS和HGIS均采用了多種接地措施。1000 kV GIS（HGIS）通流容量大，工作電流呈正弦交變，使設(shè)備外殼對地之間感應(yīng)出電動勢，產(chǎn)生持續(xù)的感應(yīng)電流。同時，在GIS（HGIS）中存在快速暫態(tài)(VFT)過程，在其作用下將產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓(VFTO)，在此過程中，可能在GIS接地的外殼上出現(xiàn)暫態(tài)接地電位升(TGPR)。

針對1000 kV設(shè)備的特點，設(shè)備的接地方案一方面要依靠設(shè)備自身采取措施，另外需要制訂合理設(shè)計原則，使其既方便施工，又保證人身和設(shè)備安全。

1 設(shè)計規(guī)程對GIS(HGIS)的接地要求

安全接地設(shè)計要實現(xiàn)2個目標(biāo)：一是在正常和故障條件下，將電流引入到大地，不超過任何運行和設(shè)備的限制，即保證設(shè)備安全；二是保證運行人員人身安全。HGIS相當(dāng)于母線敞開式布置的GIS，從而針對GIS的接地要求，同樣適用于HGIS，同時由于HGIS相間距離大，其接地要求更高，技術(shù)方案也更為復(fù)雜。將國內(nèi)外相關(guān)規(guī)程針對GIS接地要求的條款進行匯總，以便使特高壓工程的接地設(shè)計方案能夠有的放矢。

1.1 DL/T5352—2006《高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》

（1）GIS配電裝置感應(yīng)電壓不應(yīng)危及人身和設(shè)備的安全。外殼和支架上的感應(yīng)電壓，正常運行條件下不應(yīng)大于24 V，故障條件下不應(yīng)大于100 V。

（2）在GIS配電裝置間隔內(nèi)，應(yīng)設(shè)置1條貫穿所有GIS間隔的接地母線或環(huán)形接地母線。將GIS配電裝置的接地線引至接地母線，由接地母線再與接地網(wǎng)相連。

（3）GIS配電裝置選用分相設(shè)備時，應(yīng)設(shè)置外殼三相短路線，并在短路線上引出接地線通過接地母線接地。

外殼的三相短接線的截面應(yīng)能承受長期通過的最大感應(yīng)電流，并應(yīng)按短路電流校驗。

1.2 DL/T 5091—1999《水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計導(dǎo)則》

（1）離相式GIS宜采取多點接地方式。接地線布置在三相短接板處，使接地線在正常運行時，只流過不平衡電流。離相式GIS外殼感應(yīng)電流約為80%導(dǎo)體電流，其外漏磁很少，通常不會引起鋼構(gòu)發(fā)熱。

（2）專用接地母線及與地網(wǎng)連接線的截面應(yīng)按最大單相短路電流的70%進行選擇，熱穩(wěn)定時間按2s考慮。

1.3 GB 5064《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》（征求意見稿）

GIS外部近區(qū)故障人觸摸GIS的金屬外殼時，手—腳的接觸電位差應(yīng)滿足

式中：Utmax為接地網(wǎng)最大接觸電位差，由人腳下的點所決定；U'tomax為GIS外殼上、外殼之間或這些外殼與任何水平/垂直支架之間金屬到金屬因感應(yīng)產(chǎn)生的最大電壓差；Ut為接觸電位差容許值。

1.4 IEEE Std 80—2000《交流變電站安全接地導(dǎo)則》

由于GIS的緊湊結(jié)構(gòu)特征和短尺寸，在絕緣氣體中的電氣擊穿、母線對地?fù)舸┗蜻\行期間斷路器或隔離開關(guān)操作時，兩觸頭間的氣體擊穿都將產(chǎn)生高頻的暫態(tài)分量，可能耦合到接地系統(tǒng)中。在整個接地系統(tǒng)中必須考慮這些暫態(tài)分量，它可能引起幅值很高、持續(xù)時間很短的地電位上升。

1.5 小結(jié)

可以看出，相關(guān)規(guī)程中對GIS接地均作出了具體要求，因此，具體工程中GIS和HGIS接地設(shè)計需要結(jié)合工程情況、設(shè)備特點進行深入研究，以滿足規(guī)程要求。

2 GIS和HGIS的感應(yīng)電流分析

2.1 GIS感應(yīng)電流

對于典型的GIS變電站，GIS外殼通過短接母排短接后，在正常運行時，設(shè)備外殼上會產(chǎn)生一個方向相反而其數(shù)值幾乎與母線導(dǎo)體上流過的電流相等的感應(yīng)電流，使得殼外的剩余磁場大為降低，設(shè)備周圍的支架、基礎(chǔ)及接地網(wǎng)中幾乎不存在熱損耗或溫升。

交流特高壓試驗示范工程中，晉東南1000 kV變電站采用GIS。由于其外形尺寸大，額定電流達(dá)到6.3kA，其對外殼、支架及接地線感應(yīng)電流不容忽視。通過設(shè)備廠家解析計算，可以得到如下主要結(jié)論。

（1）關(guān)于接地線感應(yīng)電流，套管部位最大，達(dá)到額定電流的12%，其值約為800 A。

（2）GIS短路板處接地線電流，應(yīng)在額定電流的5%以內(nèi)，其值小于350 A。

（3）短路板在套管處的電流值約為額定電流的40%，其值約為2.8 kA。在主母線側(cè)的電流值約為額定電流的63%，其值約為4.4 kA。

（4）當(dāng)導(dǎo)體電流為6.93 kA時，A相和C相殼體電流值為4.8 kA，低于DL/T 5091—1999《水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計導(dǎo)則》中的經(jīng)驗值，證明外漏磁較多，B相殼體電流值為6.022 kA。

1000 kV GIS各點接地線感應(yīng)電流分布如圖1所示。

2.2 HGIS感應(yīng)電流

在正常的工作狀態(tài)下，HGIS接地網(wǎng)中的感應(yīng)電流要明顯高于典型的GIS變電站。其主要原因在于1000 kV HGIS相間距離達(dá)到15 m，導(dǎo)致HGIS設(shè)備外殼上的感應(yīng)回流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，初步計算結(jié)果表明外殼感應(yīng)電流不足額定電流的65%。殼外的剩余磁場不為0，該剩余磁場在接地網(wǎng)中會產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流。

南陽開關(guān)站和荊門變電站均采用HGIS。生產(chǎn)廠家通過EMTP（電磁暫態(tài)計算程序）計算軟件，得出荊門變電站（額定電流4kA）地網(wǎng)中的感應(yīng)電流情況。

工況1：計算時考慮了HGIS專用銅接地網(wǎng)，銅接地母線假定敷設(shè)深度為0.4 m。

工況2：同工況1相比，在GIS的套管端部增加考慮了匯流母排。

工況3：同工況2相比，增加考慮了設(shè)備基礎(chǔ)下方0.8 m深處敷設(shè)的變電站主地網(wǎng)的影響。變電站主地網(wǎng)材質(zhì)為扁鋼。

各種工況下感應(yīng)電流值參見表1，表1中的計算點在HGIS的具體位置見圖2。

通過計算，以工況3為參考，HGIS工作電流為4 kA時，端部引下線感應(yīng)電流為939 A，相間短路線為1.864 kA/850 A。

表1 3種工況下HGIS匯流母線及主地網(wǎng)中的感應(yīng)電流Tab.1 HGIS collector bus and main ground network induced current A

由上述分析可見，GIS和HGIS接地線均存在較大的感應(yīng)電流，尤其HGIS更為嚴(yán)重。GIS和HGIS接地線感應(yīng)電流持續(xù)存在，且注入到主地網(wǎng)中，因此需選擇滿足熱穩(wěn)定要求的接地線，并需對設(shè)備下的主接地網(wǎng)做適當(dāng)?shù)募訌姟?/p>

3 接地設(shè)計方案

交流特高壓試驗示范工程，主地網(wǎng)均采用熱鍍鋅扁鋼，設(shè)計網(wǎng)格尺寸為15～20 m，理論上只要變電站的接地電阻值滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，接地線截面滿足長期感應(yīng)電流要求就沒有問題。但從工程施工方便考慮，1000 kV GIS接地點眾多；HGIS相間距離大，需設(shè)置相間匯流母線。采用接地引下線直接與主地網(wǎng)連接方式，施工難度大，1000 kV設(shè)備基礎(chǔ)體積較大，混凝土一般分2次施工，因此鋪設(shè)適當(dāng)間距的輔助地網(wǎng)是最佳方案。

3.1 晉東南變電站GIS輔助地網(wǎng)方案

（1）由于1000 kV GIS接地引下點數(shù)量眾多，但局部相對比較集中，且分布較有規(guī)律（沿縱向直線排列），因此鋪設(shè)5 m×5 m的輔助接地網(wǎng)較為合理。

（2）輔助接地網(wǎng)敷設(shè)于GIS基礎(chǔ)的二次澆灌層以下。

（3）輔助地網(wǎng)采用70 mm×10 mm熱鍍鋅扁鋼，輔助接地網(wǎng)外緣的交叉處就近與主接地網(wǎng)交叉處連接，連接線在出基礎(chǔ)混凝土后的500 mm的范圍內(nèi)做防腐處理。

（4）基礎(chǔ)表面上設(shè)置與GIS連接的接地端子，接地端子與輔助接地網(wǎng)交叉點處用70 mm×6 mm銅板可靠連接。

接地網(wǎng)連接示意圖見圖3。

3.2 荊門變電站HGIS輔助地網(wǎng)方案

1000 kV HGIS的接地必須要滿足正常運行時地網(wǎng)中的感應(yīng)電流及短路熱穩(wěn)定的要求，根據(jù)表1計算結(jié)果HGIS接地設(shè)計方案如下：

（1）HGIS輔助地網(wǎng)采用50 mm×5 mm的銅排。

（2）在HGIS兩端母線套管的下方需敷設(shè)2根平行的50 mm×5 mm的銅排。

（3）為了降低主地網(wǎng)尤其是套管下方主地網(wǎng)中的電流，在HGIS兩側(cè)套管處需采用2×50 mm×5 mm的銅排作為匯流母線。

（4）垂直HGIS方向需采用1或2根50mm×5mm的銅排。

（5）輔助地網(wǎng)采用帶絕緣護套的銅絞線或銅排，敷設(shè)在HGIS基礎(chǔ)二次灌漿層之下，銅絞線與主地網(wǎng)鍍鋅扁鋼間的焊接采用放熱焊，焊接處用絕緣熱縮材料封閉包裹以防止電化學(xué)腐蝕。

1000 kV HGIS輔助地網(wǎng)連接方式與GIS相似。

3.3 接地設(shè)計方案分析

特高壓交流試驗示范工程接地方案滿足了相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，具體體現(xiàn)在以下各方面。

（1）GIS、HGIS設(shè)置相間短路線，最大程度上抑制了感應(yīng)電流幅值，滿足正常及事故狀態(tài)下，設(shè)備外殼和支架上感應(yīng)電壓的要求。

（2）對于主回路上發(fā)生的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)，主要通過斷路器、隔離開關(guān)上設(shè)置電阻的方式抑制。

（3）輔助地網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)結(jié)合設(shè)備資料和土建基礎(chǔ)施工方案，合理確定埋設(shè)深度和網(wǎng)格尺寸。

（4）輔助地網(wǎng)及其接地連接線的截面尺寸，一方面應(yīng)能承受長期通過的最大感應(yīng)電流，同時要按最大單相短路電流來校驗。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)保證設(shè)備外殼及接地線溫升滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）采用GIS或HGIS時，計算最大接觸電壓應(yīng)考慮設(shè)備外殼、外殼間以及外殼與支架的感應(yīng)電壓的影響，因此，需要采取措施減少漏磁，降低感應(yīng)電流。

4 結(jié)論

隨著交流特高壓試驗示范工程的成功投運，1000 kV GIS和HGIS的接地問題得到了很好的解決，對后續(xù)特高壓工程具有很好的示范作用。

（1）具有氣體絕緣金屬封閉開關(guān)裝置的變電站(GIS和HGIS變電站)接地電阻的要求與常規(guī)變電站基本相同。

（2）考慮便于施工，同時為滿足1000 kV GIS和HGIS外殼感應(yīng)電流的釋放、開關(guān)設(shè)備操作引起的快速暫態(tài)電流的快速流散等，應(yīng)就近設(shè)置GIS（HGIS）區(qū)域輔助接地網(wǎng)。該輔助接地網(wǎng)細(xì)節(jié)應(yīng)由設(shè)備制造廠提出要求或設(shè)計。

（3）為了快速流散正常時的感應(yīng)電流和GIS操作時產(chǎn)生的快速暫態(tài)電流，GIS（HGIS）區(qū)域?qū)Ｓ媒拥鼐W(wǎng)宜采用銅導(dǎo)體。同時為了防止專用接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)采用不同導(dǎo)體材料產(chǎn)生的腐蝕，主接地網(wǎng)也宜采用銅或鍍銅鋼材料。

（4）對于500 kV氣體絕緣變電站，由于系統(tǒng)要求其通流容量日益增大，需要參照特高壓工程考慮并加強輔助地網(wǎng)的設(shè)計工作。

[1]DL/T 5352—2006高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DL/T 5091—1999水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計導(dǎo)則[S].

[3]GB5064交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范（征求意見稿）[S].

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