淺談大型接地系統(tǒng)的設(shè)計和分析

黃歡，羅洪，曾華榮，劉華麟，杜昊，邢懿（貴州電力試驗研究院，貴陽550002）

淺談大型接地系統(tǒng)的設(shè)計和分析

黃歡，羅洪，曾華榮，劉華麟，杜昊，邢懿
（貴州電力試驗研究院，貴陽550002）

隨著發(fā)變電站裝機容量和占地面積的增加，接地系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度也不斷提高，這為接地系統(tǒng)的設(shè)計和分析帶來了新的挑戰(zhàn)。為了更好地進行大型接地系統(tǒng)設(shè)計和分析，首先介紹了基本的設(shè)計流程，重點介紹了進行大型接地系統(tǒng)設(shè)計分析與常規(guī)接地系統(tǒng)相比需考慮的新問題。分析結(jié)果表明，與常規(guī)的接地系統(tǒng)設(shè)計分析相比，在進行大型接地系統(tǒng)設(shè)計時除了要考慮土壤結(jié)構(gòu)、接地系統(tǒng)形狀等常規(guī)因素外，還需要考慮計算方法、接地系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)流、短路電流入地點和導體材料等方面的影響，否則會對計算結(jié)果帶來顯著的誤差，容易造成安全隱患。

大型接地系統(tǒng)；短路故障；環(huán)流；土壤結(jié)構(gòu)

接地網(wǎng)是保證發(fā)變電站安全運行不可缺少的組成部分，其性能好壞直接影響到站內(nèi)工作人員和公眾的安全[1-4]。隨著社會發(fā)展的需要，國內(nèi)500 kV、1 000 kV變電站數(shù)目不斷增加，已有的發(fā)變電站也在不斷地進行改造和擴建，使得接地系統(tǒng)的占地規(guī)模和復雜度也顯著提高。

在進行接地系統(tǒng)設(shè)計時，前些年多按照各種標準和設(shè)計經(jīng)驗進行常規(guī)設(shè)計[2-5]。近年來隨著認識的提高，對接地系統(tǒng)有了更高的要求，衡量接地系統(tǒng)性能的指標也趨向合理，評價指標包括了接地電阻、接觸/跨步電壓和接地導體電位升GPR（ground potentialrise）等[3-4]。但是對于占地面積巨大、結(jié)構(gòu)復雜的大型接地系統(tǒng)，使用常規(guī)的設(shè)計方法能否滿足要求，以及如何結(jié)合現(xiàn)場條件更準確地評價其安全性帶來了新的挑戰(zhàn)。

為了解決此問題，本文從大型接地系統(tǒng)的安全性綜合評價角度出發(fā)，首先介紹了進行大型接地系統(tǒng)設(shè)計和分析的基本流程。隨后，對隨著接地系統(tǒng)面積和復雜度增大出現(xiàn)的新問題進行了定量的對比性分析，其主要因素包括計算方法、接地系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)流、短路電流入地點的選取和導體材料等。最后給出了相應(yīng)的建議，為進行大型接地系統(tǒng)的設(shè)計分析以及安全性評估提供了理論指導。

本文采用的分析工具為CDEGS軟件[6]。

1 基本設(shè)計流程

接地系統(tǒng)設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，需考慮多方面因素的影響。目前，在常規(guī)的接地系統(tǒng)設(shè)計中，主要考慮土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)、故障入地電流和接地網(wǎng)形式等幾個方面[7-13]。

對于常規(guī)的小型接地系統(tǒng)，在設(shè)計和分析時考慮以上主要因素即可。而大型接地系統(tǒng)，存在接地系統(tǒng)占地面積大、結(jié)構(gòu)復雜、發(fā)變電站裝機容量大等特點，使得除了需要考慮以上的基本常規(guī)影響因素外，還有很多需要關(guān)注和考慮的因素。建議的大型接地系統(tǒng)設(shè)計基本流程如圖1所示。

圖1 大型接地系統(tǒng)設(shè)計分析的基本流程Fig.1 Basis flow chartofhuge grounding system design and analysis

由圖1可以看出，對于大型接地系統(tǒng)的設(shè)計還需要考慮環(huán)流、故障電流入地點等因素。這些問題是隨著大型接地系統(tǒng)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，在進行設(shè)計分析時需要綜合考慮以上各因素，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行分析，而不能分割、缺少其中的任何一個，否則會得到錯誤的計算分析結(jié)果。

2 接地網(wǎng)內(nèi)部環(huán)流的影響

在發(fā)變電站內(nèi)部發(fā)生短路故障時，與該發(fā)變電站相連的電力網(wǎng)絡(luò)會提供短路故障電流，并通過短路點流入接地系統(tǒng)，隨后在土壤中散流，這部分電流即為由周圍發(fā)變電站等終端提供的短路入地電流[2-3]。目前，在進行常規(guī)設(shè)計時，均按照此故障入地電流值進行接地系統(tǒng)性能分析。

而實際上，當站內(nèi)發(fā)生短路故障時，除周邊的電力網(wǎng)路提供短路電流外，故障站內(nèi)的變壓器也會提供故障電流。該故障電流通過架空地線也通過故障點流入接地系統(tǒng)中，但是該部分故障電流未經(jīng)過接地系統(tǒng)流入土壤中，而是又通過連接到接地系統(tǒng)的變壓器中性點返回至變壓器，此部分電流即為“環(huán)流”。環(huán)流的基本分布示意如圖2所示。

圖2 環(huán)流分布示意Fig.2 Sketch map of circulation distribution

由圖2可以看出，在發(fā)生短路故障時，流入接地系統(tǒng)的短路電流包含以下2個方面：

（1）遠端變電站提供的短路電流（由周圍電力網(wǎng)絡(luò)提供的短路入地電流，假定為X）；

（2）發(fā)變電站內(nèi)變壓器提供的短路電流（假定為Y）。

此時，流入接地系統(tǒng)的短路電流應(yīng)為X+Y（矢量和）。只不過其中只有X電流通過接地系統(tǒng)流入土壤，而故障電流Y經(jīng)過接地導體又返回至變壓器中性點。

對于大型的變電站或發(fā)電廠而言，裝機容量大，同時故障點和變壓器中性點的距離會很遠，從而流經(jīng)接地導體的環(huán)流會顯著改變接地導體的GPR值，也就會直接影響到接觸、跨步電壓的分布和數(shù)值。在常規(guī)、小型接地系統(tǒng)中由于接地系統(tǒng)面積較小，故障點和變壓器中性地點接地點距離較近，從而環(huán)流不會顯著改變大范圍接地導體的GPR值和地表電位等參數(shù)。

某大型熱電廠接地系統(tǒng)在考慮和未考慮環(huán)流后，對地表電位幅值的影響如圖3、圖4所示。發(fā)生站內(nèi)短路情況下，熱電廠變壓器提供的環(huán)流電流約為15 kA，遠端電源提供的短路電流約為2 kA。

由圖3、圖4可以看出，在未考慮環(huán)流時，地表電位的最大值只有874 V；而在考慮了環(huán)流后，地表電位的最大值約為2 300 V。兩者差別很大。所以在進行大型接地系統(tǒng)安全性分析時，如果未考慮環(huán)流的影響，會得到完全不同的分析結(jié)果。

圖3 接地系統(tǒng)地表電位分布（15 kA環(huán)流）Fig.3 Distribution of soilsurface potential with 15 kA circular current

圖4 接地系統(tǒng)地表電位分布（無環(huán)流）Fig.4 Distribution of soilsurface potential without circular current

圖5 不同計算方法的計算結(jié)果Fig.5 Computation results ofdifferentalgorithms

3 計算方法的選取

在進行接地系統(tǒng)性能分析和相關(guān)研究時，多采用等電位計算方法[14-16]，即認為組成接地系統(tǒng)的所有接地導體均具有相同的電位，不考慮接地導體自身的阻抗，認為接地導體是超導體。在接地系統(tǒng)較小時，此算法也可以得到較為可靠的結(jié)果。

但是對于大型接地系統(tǒng)而言，由于占地面積大，導體數(shù)目和總長度顯著，此時接地導體的總電阻與其泄露電阻相比不可忽略，如果此時不考慮接地導體自身的阻抗，得到的結(jié)果可能與實際情況差別很大。

對同一500 kV變電站的接地系統(tǒng)，如：各個接地網(wǎng)中均壓帶間距均為10 m，埋深0.5 m。鋼質(zhì)材料的相對電阻率選為13（相對于退火銅），相對電阻率選為300（相對于真空），采用不同的計算方法得到的結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，對于同一大型接地系統(tǒng)而言，在采用不同的計算方法時，得到的結(jié)果完全不同。圖5（a）中的地表電位約為圖5（b）的2倍。主要原因在于考慮了接地導體自身的阻抗后，電流通過接地網(wǎng)散流時會在接地導體上形成明顯的電壓降，所以在大型接地系統(tǒng)中較遠兩點間的GPR差可能會很大。此時如果將控制電纜等設(shè)備的兩端分別接于接地網(wǎng)的不同位置，若這兩點間的電位差過大，從而電纜護套、設(shè)備上就會承受過高的電壓差，容易造成電纜等設(shè)備的安全隱患。

隨著接地系統(tǒng)面積的增大，分別采用等電位法和不等電位法計算得到的接地電阻值差別情況如圖6所示。此時假定接地網(wǎng)為矩形，土壤電阻率為30Ω·m。定義差別率a=（Rnq-Rq）/Rnq×100%，Rnq為不等電位的接地電阻，R8為等電位的接地電阻。

圖6 不同算法的計算結(jié)果對比Fig.6 Comparison ofcomputation results with different algorithms

由圖6可以看出，隨著接地網(wǎng)尺寸的增加，采用不同算法得到的計算結(jié)果差別率a也在顯著增加，當接地網(wǎng)尺寸達到300 m×300 m（約為標準的500 kV變電站面積）時，差別率在40%左右；當達到500 m×500 m（約為標準的1 000 kV變電站面積）時，差別率達到55%。同時可以看出，采用不等電位的計算方法，得到的接地阻抗值較大，因為其考慮了導體自身的阻抗，從而結(jié)果較大。對于大型接地系統(tǒng)，如果采用等電位計算方法，得到的結(jié)果與實際相比較小，結(jié)果過于樂觀，這也是很多接地系統(tǒng)施工完成后，發(fā)現(xiàn)接地電阻過高，未達到預期目標的原因之一。

所以對于大型接地系統(tǒng)而言，在進行相關(guān)的性能分析時，應(yīng)考慮接地導體自身阻抗的影響，即采用不等電位的計算方法，可以得到更符合實際的計算結(jié)果。

4 短路故障點的選取

發(fā)變電站內(nèi)接地的設(shè)備數(shù)目眾多，存在大量的接地引下線，在發(fā)生站內(nèi)短路故障時，故障點可能會位于任意一個接地引下線。對于小型接地系統(tǒng)而言，在進行短路分析時，不同的故障入地點對結(jié)果影響較小。而對于大型接地系統(tǒng)而言，在其他參數(shù)不變的情況下，僅改變故障入地點，就會得到完全不同的計算結(jié)果。同一大型接地系統(tǒng)，故障點分別位于中心和角落時，地表電位的分布情況如圖7所示。此處土壤電阻率為30Ω·m。

圖7 不同短路入地點的對比Fig.7 Comparison with different fault locations

由圖7可以看出，選擇不同的短路電流入地點，得到的結(jié)果也完全不一樣。如在圖7（a）中，最大的地表電位約為1 000 V，而在圖7（b）中最大值在1 300 V左右，兩者差約30%。這是因為注入點位于角落處時，不利于故障電流的散流，導致地表電位較高。因此將短路點選擇在接地系統(tǒng)角落處，可以得到較為保守的計算結(jié)果。所以在設(shè)計分析時，需要考慮短路入地點發(fā)生在不同位置的情況，如果得到的結(jié)果均滿足安全要求，才可以認為整個接地系統(tǒng)是安全的。

此外，對于一個好的接地設(shè)計，還應(yīng)該專門分析短路故障點位于發(fā)變電站大門附近時的安全性，以保證工作人員在進出大門接觸金屬大門時的安全性。

5 接地導體材料的選取

目前，為了降低建設(shè)成本，接地系統(tǒng)多采用鋼制材料，在各種標準中也以鋼制材料為基礎(chǔ)進行介紹[2-3]，而在國外標準多按銅質(zhì)接地導體考慮[4]。隨著國內(nèi)工程發(fā)展的需要，有時接地系統(tǒng)會位于腐蝕率高和機械應(yīng)力要求較高的土壤中，此時為了保證接地導體的可靠性和安全性，有時也會采用銅導體作為接地導體。同時，對于地質(zhì)條件較差，接地電阻難以達到設(shè)計要求的地區(qū)，有些設(shè)計者也會嘗試使用銅質(zhì)接地導體，可以顯著降低接地電阻。銅質(zhì)接地導體與鋼質(zhì)相比是否具有顯著的降阻效果需要進行定量分析。

土壤電阻率10～500Ω·m之間變化時，同一接地系統(tǒng)（220 m×300 m）采用鋼質(zhì)和銅質(zhì)接地導體時接地電阻的比較如圖8所示。定義差別率b=（RFe-RCu）/RCu×100%。

圖8 鋼質(zhì)和銅質(zhì)接地網(wǎng)的接地電阻差別率Fig.8 Difference between steelconductor and copper conductor

由圖8可以看出，在土壤電阻率較低時，鋼質(zhì)接地網(wǎng)的接地電阻顯著高于銅質(zhì)接地網(wǎng)，而隨著土壤電阻率的增加，兩者的差別逐漸減??；當土壤電阻率超過500Ω·m時，兩者的差別可以忽略不計。其主要原因在于隨著土壤電阻率的增加，鋼質(zhì)和銅質(zhì)接地導體自身阻抗值的差別與周圍土壤的電阻率數(shù)值相比可以忽略不計，此時接地電阻主要由周圍土壤的電阻率決定，所以此時采用銅質(zhì)或鋼質(zhì)接地網(wǎng)的差別不大。

從降阻角度來看，在土壤電阻率較低時，如小于100Ω·m時，銅質(zhì)接地網(wǎng)具有更好的降阻效果。

6 結(jié)語

大型接地系統(tǒng)的出現(xiàn)為設(shè)計和分析帶來了新的挑戰(zhàn)和新的問題。除了需要考慮常規(guī)設(shè)計中的影響因素外，還需要基于大型接地系統(tǒng)特有的特點進行設(shè)計和分析。此時需要考慮的新因素包括：變電站內(nèi)部的環(huán)流；計算方法的選??；短路故障入地點和不同接地導體材料的選取等。實際中，在進行大型接地系統(tǒng)設(shè)計和分析時，建議采用專用的科學工具根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行分析和評估，從而可以提高設(shè)計的準確度，保證變電站內(nèi)人身和設(shè)備的安全。

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Brief Discussion of Design and Analysis of Huge Grounding System

HUANG Huan，LUO Hong，ZENG Huarong，LIU Hualin，DU Hao，XING Yi
（Guizhou Electric Power Test&Research Institute，Guiyang 550002，China）

With the increasementofthe power capacity and space ofsubstations，the dimension and complexity ofthe grounding system are improved continuously，which has brought new challenges to the design and analysis of huge grounding system.First，for the better design and analysis of the large grounding systems，the paper introduces the basic design procedures，and then itfocuses on the new problems thatshould be taken into accountfor huge grounding systems.The analysis results show that the designer should consider more important and indispensable factors than smallgrounding systems besides conventionalsoilstructure，shape ofthe grounding system etc.These importantfactors includes calculation methods，grounding system internal circularcurrent，shortfaultcurrentinjected pointand conductor material etc.The contrast results show that if designers ignore these important factors in huge grounding systems design，the calculation results errorwillbecome greaterand itwilllead to security potential risks.

huge grounding system；short-circuitfault；circularcurrent；soilstructure

TM862

A

1003-8930（2015）03-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.18

黃歡（1978—），女，碩士，工程師，主要從事接地技術(shù)等方面的工作。Email：470480531@qq.com羅洪（1962—），男，本科，高級工程師，主要從事高電壓技術(shù)方面的工作。Email：gy1@vip.sina.com

2013-06-07；

2013-07-23

曾華榮（1969—），男，本科，高級工程師，主要從事高電壓技術(shù)管理工作。Email：gy1@vip.sina.com