高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

丁 峰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

丁 峰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

從牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的分析出發(fā),討論現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)接地電阻值要求的局限性,并結(jié)合實(shí)際案例,采用仿真計(jì)算和實(shí)地測試等方法進(jìn)行驗(yàn)證,提出對(duì)于高寒凍土地區(qū)牽引變電所的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮,避免只簡單注重接地電阻值,而忽視對(duì)地電位分布的分析。

牽引變電所;接地系統(tǒng);接觸電勢;跨步電勢;地電位升

牽引變電所接地網(wǎng)性能是否能滿足所內(nèi)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行及運(yùn)營人員的人身安全,其技術(shù)指標(biāo)是否經(jīng)濟(jì)合理,直接取決于接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的正確性。而進(jìn)行接地設(shè)計(jì),首先需知道接地網(wǎng)敷設(shè)處的大地土壤電阻率。土壤電阻率作為接地設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)、決定地網(wǎng)性能的重要參數(shù),由于受大地結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的影響,數(shù)值的變化范圍很大,尤其在高原凍土地區(qū),其值可高達(dá)數(shù)千Ω·m,往往使得位于該類地區(qū)的牽引變電所接地電阻值設(shè)計(jì)困難,很難滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范推薦值的要求。

本文以高原某線牽引變電所實(shí)測數(shù)據(jù)為例,分析和討論高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)。

1 不同“標(biāo)準(zhǔn)”接地電阻要求

《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10009—2005)(以下簡稱《鐵標(biāo)》)規(guī)定,當(dāng)流經(jīng)接地裝置的入地短路電流大于等于4000A時(shí),牽引變電所接地電阻值不應(yīng)大于0.5Ω;在高土壤電阻率地區(qū),允許將接地電阻值提高,但不應(yīng)超過5Ω,同時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施,并校驗(yàn)接觸電勢和跨步電勢[1]。

《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》(IEEEStd80—2000)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)接地電阻規(guī)定,為了使地電位升減小到最小,接地系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端大地應(yīng)保持較低的接地電阻值,對(duì)于大多數(shù)變電所及占地面積較大的變電所,其接地電阻值通?？蔀?Ω左右,而對(duì)于較小規(guī)模的變配電所,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件確定,通?？山邮艿碾娮柚捣秶鸀?～5Ω[2]。

由上述標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容可以看出,兩者對(duì)接地電阻值的相關(guān)規(guī)定存在著一定的差異,與IEEE相對(duì)寬松的接地電阻值要求相比,《鐵標(biāo)》的規(guī)定則較為嚴(yán)格。

2 接地分析

2.1 電阻值要求局限性分析

(1)對(duì)于牽引變電所敷設(shè)的復(fù)合型地網(wǎng),其接地電阻可按下述簡化公式計(jì)算

式中 Rg——變電所接地電阻,Ω;

ρ——變電所所在地土壤電阻率,Ω·m;

A——變電所接地網(wǎng)面積,m2;

LT——接地導(dǎo)體總埋設(shè)長度,m。

由(1)式可知,在諸多影響接地電阻大小的因素中,最大的影響來自于土壤電阻率,其值的變化與接地電阻值成正比。圖1為某高原測得的不同季節(jié)的土壤電阻率變化曲線,由圖1可以看出,在高寒凍土地區(qū),其高土壤電阻率特性往往不隨季節(jié)的變化而變化,在此類不良土壤地區(qū)設(shè)置牽引變電所,要使接地電阻值滿足《鐵標(biāo)》規(guī)定的接地電阻要求是十分困難的。

圖1 土壤電阻率測量值曲線

另由(1)式知,在土壤電阻率一定的情況下,接地電阻值的大小主要取決于接地網(wǎng)面積。以圖1測得的數(shù)據(jù)為例,假定土壤電阻率取1500Ω·m,接地電阻值按《鐵標(biāo)》規(guī)定以最大限值5Ω計(jì),根據(jù)公式(1)可知,地網(wǎng)面積需求為175×175m2。而對(duì)于牽引變電所而言,由于所內(nèi)變配電設(shè)備數(shù)量的局限性,特別是采用GIS設(shè)備的變電所,其場坪一般來說不可能達(dá)到上述面積,也即是說,在高土壤電阻率地區(qū),依靠常規(guī)的接地網(wǎng)敷設(shè)方式難以達(dá)到《鐵標(biāo)》規(guī)定的接地電阻限值。

(2)目前我國客運(yùn)專線及重載鐵路牽引變電所電源進(jìn)線常采用220kV及330kV電壓等級(jí)。隨著變電所接入系統(tǒng)容量的不斷增大,流經(jīng)接地網(wǎng)的入地短路電流也大大增加,以某萬噸鐵路為例,牽引變電所進(jìn)線采用220kV電壓等級(jí),根據(jù)電力系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),變電所處短路電流可達(dá)9000多A。根據(jù)《鐵標(biāo)》規(guī)定,當(dāng)所內(nèi)入地短路電流大于等于4000A時(shí),牽引變電所接地電阻值應(yīng)小于等于0.5Ω。而對(duì)于位于不良土壤地區(qū)的牽引變電所來說,使其接地電阻值滿足規(guī)范規(guī)定的阻值要求極其困難。即使采取各種措施將接地電阻降低至0.5Ω,接地電壓也高達(dá)近5kV甚至更高,若不采取均壓、分流等措施,仍難以滿足保護(hù)接地的要求。

綜上所述,高土壤電阻率、接地網(wǎng)敷設(shè)范圍受到限制及系統(tǒng)容量的增大是造成高寒凍土、高土壤電阻率地區(qū)接地設(shè)計(jì)困難的3個(gè)原因。此類地區(qū)的接地設(shè)計(jì),僅靠限制接地電阻值來降低接地電壓,以確保人身及設(shè)備安全,維護(hù)供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,不僅在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn),在經(jīng)濟(jì)上也很不合理。

2.2 接地設(shè)計(jì)目的分析

反映變電所接地系統(tǒng)性能的電氣參數(shù)主要為:接地電阻、接觸電勢、跨步電勢及地電位升。作為變電所接地系統(tǒng),其應(yīng)滿足:(1)在正常和故障兩種狀態(tài)下,在保證所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢及地電位升滿足限值要求,同時(shí)不對(duì)變電所的運(yùn)行產(chǎn)生有害影響的前提下,為電流提供入地通道,以保證牽引供電系統(tǒng)及設(shè)備安全可靠地運(yùn)行;(2)在任何狀態(tài)下,均應(yīng)保證位于接地裝置附近的人員不會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn),以確保人身安全。也即是說,對(duì)于牽引變電所而言,其接地的主要目的,是為了在正常和事故狀態(tài)以及在所內(nèi)遭受雷擊的情況下,利用大地作為導(dǎo)流回路,將所內(nèi)設(shè)備接地處的電位鉗制在允許的安全范圍之內(nèi)。在某些情況下,變電所接地電阻即使很低,在發(fā)生接地故障時(shí),仍可能出現(xiàn)很高的電位梯度,給運(yùn)行人員和設(shè)備帶來危險(xiǎn)[3]。因此,對(duì)于高土壤電阻率地區(qū)牽引變電所的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)統(tǒng)籌考慮,從均衡電位入手,統(tǒng)一考慮接地電阻、接觸電勢、跨步電勢及地電位升,進(jìn)行整體性設(shè)計(jì),以使接地設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理,并滿足安全運(yùn)行要求;不能僅強(qiáng)調(diào)降低接地電阻來保障安全,還應(yīng)綜合考慮接觸電勢、跨步電勢及地電位升的要求,以確保設(shè)備及人員安全[3-8]。

3 工程應(yīng)用

某高原凍土地區(qū)電氣化鐵路,為驗(yàn)證均衡電位、整體性設(shè)計(jì)的合理性,對(duì)電氣化鐵路新建牽引變電所進(jìn)行仿真及工程驗(yàn)證分析。

3.1 仿真計(jì)算

(1)基本邊界條件

電力系統(tǒng)基本參數(shù):供電線LGJ -240;避雷線GJ -70;雙回路,單獨(dú)架設(shè);阻抗標(biāo)么值0.28841。

牽引變電所基本參數(shù):進(jìn)線電壓等級(jí)110kV;三相V/v接變壓器,(25+20)MVA。

平均土壤電阻率:1500Ω·m

故障電流持續(xù)時(shí)間:采用主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間0.3s

(2)仿真過程

根據(jù)實(shí)測土壤電阻率,通過對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,考慮改善局部電位分布,對(duì)牽引變電所地網(wǎng)水平接地帶作等距分布,并在水平地網(wǎng)內(nèi)部加入垂直接地極。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)該結(jié)構(gòu)地網(wǎng)作模擬分析,得變電所接地電阻值6.9543Ω,地電位升4265.3V;此值已超出《鐵標(biāo)》規(guī)定的關(guān)于接地裝置的接地電阻要求。所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖2 牽引變電所接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖3 接觸電勢三維視圖

圖4 接觸電勢二維色塊圖

圖5 跨步電勢三維視圖

考慮牽引變電所圍墻建在所內(nèi)接地網(wǎng)邊緣外側(cè),且為磚塊結(jié)構(gòu),因此對(duì)變電所地網(wǎng)邊緣處出現(xiàn)的接觸電勢、跨步電勢峰值予以忽略。但根據(jù)二維色塊圖,在不采取任何措施的情況下,所內(nèi)跨步電勢雖然滿足要求,接觸電勢卻無法滿足安全運(yùn)行的需要。

圖6 跨步電勢二維色塊圖

由于受地質(zhì)、征地及土壤結(jié)構(gòu)等因素影響,此變電所無法采用擴(kuò)充地網(wǎng)面積、深井接地等方式進(jìn)行降阻處理。為滿足變電所內(nèi)接觸電勢的要求,考慮對(duì)所內(nèi)地面作碎石層覆蓋處理。處理后對(duì)所內(nèi)接觸電勢作重新計(jì)算,結(jié)果見圖7。

圖7 處理后接觸電勢二維色塊圖

由圖7可見,采用覆蓋處理后,變電所內(nèi)接觸電勢已可滿足安全運(yùn)行要求。

3.2 工程驗(yàn)證

按圖2結(jié)構(gòu)敷設(shè)牽引變電所地網(wǎng),施工完畢后實(shí)測接地電阻值,共進(jìn)行3次,阻值分別為6.68、7.36、7.64Ω。實(shí)測電阻值與仿真結(jié)果基本接近,誤差考慮為不同測量時(shí)期引起的土壤電阻率變化所至。后對(duì)接觸電勢及跨步電勢進(jìn)行測試,滿足規(guī)范要求。

驗(yàn)證說明,牽引變電所接地電阻值雖然超過了規(guī)范要求,但綜合考慮電位分布后,仍能滿足安全運(yùn)營的需要。

4 結(jié)論與建議

(1)高寒凍土地區(qū)牽引變電所的接地系統(tǒng),應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮,應(yīng)避免只簡單注重接地電阻值,而忽視對(duì)地電位分布的分析。

(2)高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮地面電位分布不均帶來的危險(xiǎn),結(jié)合仿真計(jì)算和實(shí)地測試等手段計(jì)算地面電位分布,有針對(duì)性地采取安全措施,做到安全可靠,技術(shù)先進(jìn),經(jīng)濟(jì)合理。

(3)高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)在技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)性不合理的情況下,可根據(jù)入地故障電流狀況,對(duì)所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢及轉(zhuǎn)移電勢進(jìn)行研究分析,當(dāng)上述電勢均滿足的情況下,可適當(dāng)提高接地電阻允許值,以使得變電所的接地設(shè)計(jì)更趨合理。

參考文獻(xiàn):

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]IEEEStandards.IEEEStd80 -2000IEEEGuideforSafetyinAC SubstationGrounding[S].IEEE-SAStandardsBoard,2000.

[3] 陳先祿,劉渝根,黃勇.接地[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2002.

[4] 丁峰.不同土壤結(jié)構(gòu)的牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣化鐵道,2011(3):8 -11.

[5] 鄒建明.大型地網(wǎng)接地技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2003.

[6] 曾永林.接地技術(shù)[M].北京:中國水利電力出版社,1979.

[7] 徐華,文習(xí)山,黃玲.大型變電站接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù),2005(12):63 -65.

[8] 莊池杰,曾嶸,張波,等.高土壤電阻率地區(qū)變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路[J].高電壓技術(shù),2008(5):893 -897.

Discussion on Grounding System Design of Traction Substation in Severe Cold and Frozen Soil Area

DING Feng
(Department of Electrification, China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd. , Xi'an 710043, China)

With the analysis on the design purpose of traction substation grounding system,the boundedness on earth resistance value requirements in current design code is discussed in this paper. Also in combination with actual case,by means of verifying with simulated calculation and actual test methods,the design idea for grounding system of traction substation in severe cold and frozen soil area is provided.The paper thinks that:it should be considered integrally based on the specific project circumstance so as to avoid just paying attention to ground resistance value but ignoring the analysis of the potential distribution.

traction substation;grounding system;touch voltage;step voltage;ground potential rise

U224

A

1004 -2954(2012)11 -0095 -03

2012-03-07

丁 峰(1970—),男,高級(jí)工程師,1994年畢業(yè)于華東交通大學(xué)鐵道電氣化工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士。