新立變電站接地系統(tǒng)安全性能研究

魯志偉，馬文婧，宋文國，尹相愛

(1.東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院，吉林吉林132012;2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;3.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林吉林132011)

中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地》［1］是國內(nèi)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則?！督涣麟姎庋b置的接地》規(guī)定:工頻短路電流下的接地網(wǎng)最大電位升高不大于2 000 V。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高和系統(tǒng)容量的增大，接地故障電流和發(fā)變電站接地網(wǎng)的面積不斷增大，發(fā)變電站接地電阻很難滿足R≤2 000/I01的標(biāo)準(zhǔn)要求，而過高接地網(wǎng)電位升高嚴(yán)重威脅變電站接地系統(tǒng)的安全運(yùn)行［2］。變電站接地系統(tǒng)的安全性包括人身安全和設(shè)備安全兩方面內(nèi)容:一是接觸電壓和跨步電壓不超過允許值，保證人身安全;二是地電位升高小于允許值，保證發(fā)變電站設(shè)備特別是二次設(shè)備的安全［3］。在土壤電阻率較高且地網(wǎng)面積受限制的情況下，要使接地電阻滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟(jì)均極不合理。本文以220 kV新立變電站為例，對接地系統(tǒng)的安全性開展深入研究，提出了變電站接地電阻超標(biāo)時確保接地系統(tǒng)安全運(yùn)行的措施。

1 變電站接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的數(shù)值計(jì)算

1.1 有二次電纜的接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的計(jì)算

電路圖是電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述。若圖中任一支路都賦予一個參考方向，則稱該圖為有向圖。一條支路聯(lián)接于兩個節(jié)點(diǎn)，則稱該支路與這兩個節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，節(jié)點(diǎn)與支路的關(guān)聯(lián)性質(zhì)可以用關(guān)聯(lián)矩陣來描述。設(shè)有向圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)為m，支路數(shù)為n。則該有向圖的關(guān)聯(lián)矩陣A為(m×n)階的矩陣。它的行對應(yīng)于節(jié)點(diǎn)，列對應(yīng)于支路。它的任一元素aij定義如下:aij=1，表示支路j與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)并且它的方向背離節(jié)點(diǎn);aij=-1，表示支路j與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)并且它的方向指向節(jié)點(diǎn);aij=0，表示支路j與節(jié)點(diǎn)i無關(guān)聯(lián)。

一個簡單的田字形接地網(wǎng)如圖1所示。電網(wǎng)的短路電流從一個邊角節(jié)點(diǎn)入地，并假設(shè)每段導(dǎo)體的漏電流集中在導(dǎo)體中點(diǎn)入地。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分析方法建立節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣。節(jié)點(diǎn)編號需按如下規(guī)則:先橫排后豎列，先下后上和先左后右，先中點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)。這樣對于一個有n條支路和m個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，由于每條支路在中點(diǎn)有漏電流入地，則整個網(wǎng)絡(luò)變成有2n條支路和n+m個節(jié)點(diǎn)。對于該接地網(wǎng)絡(luò)可以求得阻抗矩陣Z為:

圖1 接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)編號

式中:z0、Mi，i和 Mi，j分別為網(wǎng)絡(luò)變成 2n 條支路后，每條支路導(dǎo)體的內(nèi)阻抗、外自感和不同導(dǎo)體間的互感;f為入地電流的頻率。令:Y=z-1，若節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為A，則節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Yn+m為:

對圖1所示電路列出節(jié)點(diǎn)電壓方程:

式中:φd=，n維列向量為第i段導(dǎo)體的中點(diǎn)電位;φc=，m 維列向量為第n+j個節(jié)點(diǎn)的電位;［Ik］=［I1，I2，…，In］T，n維列向量，Ii為第i段導(dǎo)體的漏電流;［I01］

其中:Rii稱為自電阻，Rij稱為互電阻。其計(jì)算問題在地網(wǎng)等電位的接地參數(shù)計(jì)算中已解決［4］。采用點(diǎn)匹配矩量法將式(4)寫成矩陣的形式，并令R-1=G，則有Ik=Gφd，代入式(4)，整理后可得:= ［I0，0，…，0］T，m 維列向量，為接地網(wǎng)注入電流。

每段導(dǎo)體的漏電流都會在所有導(dǎo)體表面上產(chǎn)生電位，則第j段導(dǎo)體上的總電位為

本文的數(shù)學(xué)模型全面地考慮了導(dǎo)體電阻、自感和導(dǎo)體間的互感，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際?；谏鲜龇椒?，編制了接地計(jì)算軟件。該軟件可以分析水平多層土壤中，接地網(wǎng)的接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓和網(wǎng)內(nèi)電位差等接地參數(shù)，并能給出地表面的電位分布。

二次電纜的屏蔽層雙端接地，此時接地系統(tǒng)相當(dāng)于含有內(nèi)阻的電壓源。計(jì)算沒有電纜時電纜屏蔽層的兩個接地點(diǎn)之間的電位差(即接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差)，并在電纜的一個接地點(diǎn)向接地網(wǎng)注入單位電流，同時在電纜的另一個接地點(diǎn)從接地網(wǎng)抽出單位電流，計(jì)算電纜的兩個接地點(diǎn)之間的電位差，由該電位差除以單位電流便可得到接地網(wǎng)等效阻抗。再由屏蔽層的阻抗就可以計(jì)算屏蔽層流過的電流。

圖2 二次電纜的分布參數(shù)計(jì)算模型

1.2 二次電纜芯皮電位差的數(shù)值計(jì)算

求出電纜屏蔽層流過的電流后，就可以由二次電纜分布參數(shù)等值電路計(jì)算電纜的芯皮電位差。短路電流通過地網(wǎng)對二次電纜芯線產(chǎn)生干擾時的二次電纜分布參數(shù)等值計(jì)算電路如圖2所示。圖2中ZP為電纜屏蔽層電流回路的自阻抗，YP為電纜屏蔽層的對地容抗，YC為電纜芯線與屏蔽層之間的容抗，ZC為電纜芯線電流回路的自阻抗，ZT為電纜芯線與屏蔽層之間的轉(zhuǎn)移阻抗，YT為傳遞導(dǎo)納。這些參數(shù)的詳細(xì)求解見文獻(xiàn)［5］。

以電纜芯皮回路和皮地回路中的壓降和電流為變量，由圖2可以列出方程:

上述矩陣方程以電纜芯皮回路和皮地回路中的壓降和電流為變量，需要改成以大地作為參考點(diǎn)的回路壓降和芯皮中實(shí)際通過的電流，這樣才適于線路方程的計(jì)算需要。以VC和VP表示電纜芯、屏蔽層的對地電壓，IC和IP表示在電纜芯、屏蔽層中通過的電流，由圖2可得:

1.3 二次電纜芯皮電位差的數(shù)值計(jì)算

圖3 二次電纜及地網(wǎng)布置

本文計(jì)算了幾組芯皮電位差占地電位升的比例，與文獻(xiàn)［2］的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的正確性。二次電纜布置在圖3所示的中心導(dǎo)體上方(位置A)。接地網(wǎng)面積分別為100 m×100 m和200 m×200 m，導(dǎo)體間隔距離10 m，接地網(wǎng)埋設(shè)深度為1 m，土壤電阻率100 Ω·m，二次電纜長100 m，10 kA短路電流從邊導(dǎo)體C點(diǎn)注入。地網(wǎng)邊長100 m，本文的計(jì)算結(jié)果為:芯皮電位差177.4 V，芯皮電位差占地電位升的比例17.80%，文獻(xiàn)［2］的計(jì)算結(jié)果為:芯皮電位差210.6 V，芯皮電位差占地電位升的比例21.13%;地網(wǎng)邊長200 m，本文的計(jì)算結(jié)果為:芯皮電位差140.2 V，芯皮電位差占地電位升的比例45.99%，文獻(xiàn)［2］的計(jì)算結(jié)果為:芯皮電位差139.4 V，芯皮電位差占地電位升的比例45.70%。所以本文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［2］的計(jì)算結(jié)果吻合。

2 新立變電站人身安全性分析

2.1 新立變電站內(nèi)允許的最大接觸電壓和跨步電壓

新立變電站接地網(wǎng)的接地電阻0.7，接地網(wǎng)的最大入地電流為12 kA，接地網(wǎng)最大電位升高為8 400 V，超出國家標(biāo)準(zhǔn)4.2倍。圖4給出了新立變電站接地網(wǎng)布置，并對圖4中曲線1-曲線5的地面電位分布進(jìn)行了分析計(jì)算。其中電流由A點(diǎn)入地曲線1的電位分布如圖5所示，變電站最大接觸電壓和跨步電壓如表1所示。

圖4 新立一次變接地網(wǎng)及二次電纜布置

圖5 曲線1上電位分布

表1 接地網(wǎng)內(nèi)的最大接觸電壓和跨步電壓

2.2 接地網(wǎng)內(nèi)接觸電壓和跨步電壓

在大接地短路電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地時，發(fā)電廠，變電所電氣設(shè)備接地的接觸電壓和跨步電壓不應(yīng)超過下列數(shù)值:

式中:Ucp為接觸電壓;Ukp為跨步電壓;ρ1為人腳站立處地面的土壤電阻率;M為存在高土壤電阻率路面層時人腳接地電阻的校正系數(shù);t為接地短路電流的持續(xù)時間。取t=0.5 s計(jì)算可得容許最大接觸電勢為321 V，跨步電壓為549 V;在變電站地面鋪設(shè)20 cm厚的瀝青混凝土路面后，人體可承受的接觸電勢和跨步電壓分別達(dá)到1 463 V和5 249 V。所以，新立變電站鋪高土壤電阻率路面后即可保證人身安全。

3 二次設(shè)備安全性分析

3.1 二次電纜芯皮電位差及皮電流計(jì)算與分析

變電站的接地電位升高會直接影響到二次系統(tǒng)的安全性。為提高二次電纜抗電磁干擾的能力，通常采用屏蔽層雙端接地的方式。短路電流將有一部分流過屏蔽層，并在二次電纜的芯線上感應(yīng)出電位，屏蔽層和芯線的電位差施加在二次電纜的屏蔽層上。二次電纜與二次設(shè)備直接相連，二次電纜的芯皮電位差也直接施加在二次設(shè)備上。芯皮電位差過高將導(dǎo)致二次電纜和二次設(shè)備的絕緣損壞［2］。

微機(jī)保護(hù)裝置是變電站內(nèi)絕緣最薄弱的設(shè)備，其耐壓標(biāo)準(zhǔn)為2 kV。所以二次電纜的芯皮電位差必須小于2 kV才能保證設(shè)備安全。根據(jù)新立變電站地網(wǎng)及二次電纜的布置圖，計(jì)算出電纜最長和短路電流在電纜一端注入時，二次電纜的芯皮電位差為2 390 V，屏蔽層電流336 A。所以新立變電站工頻短路故障可能威脅二次設(shè)備安全運(yùn)行。

3.2 銅排流線對芯皮電位差和皮電流的影響

國內(nèi)已發(fā)生多次因電纜雙端接地導(dǎo)致故障電流流過電纜屏蔽層而燒毀二次電纜的事故。電力系統(tǒng)通常采用在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅排流線，并使排流線與二次電纜可靠連接。這樣短路故障時，由于排流線的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，故障電流主要從排流線中流過，而流過二次電纜屏蔽層的電流較小，可以克服電纜雙端接地時可能燒毀二次電纜的問題。銅排流線還可以顯著降低二次電纜的芯皮電位差。計(jì)算結(jié)果表明:在電纜溝中與二次電纜平行布置一條6 mm銅排流線芯皮電位差降低至402 V，屏蔽層電流降至53 A。所以加設(shè)排流線后的芯皮電位差小于2 000 V，屏蔽層電流小于100 A，可確保二次電纜及二次設(shè)備的安全運(yùn)行。

4 結(jié) 論

新立變電站發(fā)生工頻短路故障時地電位升高達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的4.2倍，而通過降低接地電阻使地電位升高達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均極不合理。在采取下列措施后，可以在不降低接地電阻的情況下，保證人身和設(shè)備安全:

(1)敷設(shè)瀝高土壤電阻率路面，可以有效地提高人體能夠承受的接觸電壓和跨步電壓，保證接地電阻超標(biāo)接地網(wǎng)內(nèi)的人身安全;

(2)在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅排流線，不僅可以減小流過屏蔽層的電流，避免燒毀的事故，而且可以顯著地降低二次電纜的芯皮電位差，保證二次電纜和二次設(shè)備的安全運(yùn)行。新立變電站在未敷設(shè)銅排流線時，二次電纜芯皮電位差超過2 kV，而在敷設(shè)6 mm銅排流線后，二次電纜的芯皮電位差降低到402伏，保證了二次設(shè)備的安全運(yùn)行。

［1］中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DL/T621-1997).交流電氣裝置的接地［S］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］于剛.發(fā)變電站接地系統(tǒng)的安全性研究［D］.北京:清華大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［3］何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［4］魯志偉，文習(xí)山，史艷玲等.大型變電站接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的數(shù)值計(jì)算［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23(12):89-93.

［5］VanceE F.Coupling to shielded cables［M］.New York，Wiley-Interscience publication，1978.