變電站站內(nèi)短路情況下避雷線分流系數(shù)計(jì)算

常阿飛 王 鵬 韓英杰 劉澤輝

變電站站內(nèi)短路情況下避雷線分流系數(shù)計(jì)算

常阿飛1王 鵬1韓英杰2劉澤輝3

（1.國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450001；2.國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司，河南 鄭州 450000；3.國(guó)網(wǎng)河南電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052）

在對(duì)發(fā)電廠和變電站的接地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)入地故障電流進(jìn)行校驗(yàn)，而避雷線分流系數(shù)是確定接地網(wǎng)目標(biāo)電流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，接地設(shè)計(jì)規(guī)程僅給出了每個(gè)檔距內(nèi)導(dǎo)線參數(shù)和桿塔接地電阻相同的情況下分流系數(shù)的計(jì)算方法，當(dāng)出線各級(jí)桿塔接地電阻不同時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算避雷線分流系數(shù)。本文以變電站站內(nèi)短路情況為例，給出基于圖論的回路電流法計(jì)算避雷線分流系數(shù)的模型和方法。通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較表明本文計(jì)算方法計(jì)算精度較高，且采用矩陣形式，易于編程實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用于更復(fù)雜的多電源供電變電站。

分流系數(shù)；地電位升；變電站內(nèi)短路；圖論；回路電流法

發(fā)電廠和變電站發(fā)生短路故障時(shí)，其故障電流Imax分為3個(gè)部分：經(jīng)過接地網(wǎng)直接入地短路電流IG，流經(jīng)發(fā)電廠、變電站接地中性點(diǎn)的最大短路電流In和經(jīng)過避雷線和桿塔系統(tǒng)分流的電流Ik。

直接接地系統(tǒng)中，發(fā)電廠和變電站的接地網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證接地網(wǎng)的目標(biāo)值RG≤2 000/IG［1］，其中R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻（Ω），IG為經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值（A）。目前，避雷線和桿塔系統(tǒng)分流的電流Ik根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定［2］，不能準(zhǔn)確計(jì)算經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流。GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了每個(gè)檔距內(nèi)導(dǎo)線參數(shù)和桿塔接地電阻相同的情況下，站內(nèi)短路和站外短路情況下故障分流系數(shù)的計(jì)算方法。雖然此種方法模擬了桿塔接地對(duì)零序電流的分流情況，但實(shí)際每個(gè)檔距內(nèi)桿塔接地電阻不同，仍無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算最大入地故障電流。

圖1 站內(nèi)短路時(shí)分流電流模型

圖2 站內(nèi)短路時(shí)等效樹圖

在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，短路故障分為站內(nèi)短路和站外短路，站內(nèi)短路對(duì)于站外短路來(lái)說對(duì)變電站的運(yùn)行具有更大的危害，更容易引起事故。本文以站內(nèi)短路為例，基于圖論的回路電流法，對(duì)變電站內(nèi)發(fā)生故障時(shí)的避雷線分流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，給出矩陣形式的接地網(wǎng)計(jì)算公式，并進(jìn)行計(jì)算精度驗(yàn)證。

1 變電站分流系數(shù)的定義

電力系統(tǒng)接地故障可以分為站內(nèi)接地和站外接地，由于站內(nèi)接地對(duì)整個(gè)變電站的運(yùn)行具有更大的危害，本文以站內(nèi)接地故障為例進(jìn)行分析。

變電站內(nèi)發(fā)生故障接地時(shí)，最大短路電流Imax由3部分組成：

分流系數(shù)包含避雷線分流系數(shù)和接地網(wǎng)分流系數(shù)兩個(gè)概念，IEEE和國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中定義的為避雷線的分流系數(shù)［1］如下：

2 基于圖論的接地網(wǎng)分流系數(shù)計(jì)算方法

在變電站內(nèi)發(fā)生接地短路故障時(shí)，最大短路電流Imax除了一部分由變壓器中性點(diǎn)（In）流走外，其余電流通過架空線-桿塔系統(tǒng)入地（Ik）及變電站接地網(wǎng)入地（IG）。因此，可以認(rèn)為站內(nèi)接地故障時(shí)，為架空地線-桿塔系統(tǒng)提供了Imax-In的電流源。假設(shè)共有n基桿塔參與分流，且各檔架空地線-桿塔系統(tǒng)中的電流方向如圖1所示。

圖1中，Imax-In為短路故障電流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)分流后的等效電流源；RG為變電站接地網(wǎng)的接地電阻，R1-Rn為各基桿塔的接地電阻；Zd1-Zdn為架空接電線的等效阻抗。

根據(jù)戴維寧等效定理，等效樹如圖2所示：

其關(guān)聯(lián)矩陣Bf、支路阻抗矩陣Zj、電壓源矩陣Us和回路電流矩陣Is分別可以表示為：

其中，Bf為n×（2n+1）階矩陣；Zj為（2n+1）×（2n+1）階對(duì)角陣；Us、Is為（2n+1）×1階矩陣。

由式（6）可以看出Is中第一個(gè)元素I0=Imax-In可作為已知量，由于本文所關(guān)注的為變電站接網(wǎng)的分流系數(shù)，該分流系數(shù)和Imax-In的大小無(wú)關(guān)，故令I(lǐng)0=1，于是有：

由回路電流法可得：

于是有：

可得避雷線分流系數(shù)為：

3 數(shù)據(jù)算例

李德超［3］和萬(wàn)欣［4］給出了江西塘周、妙周110kV兩條線路參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。塘周線、妙周線所采用的避雷線型號(hào)均為GJ-50，其內(nèi)阻為3.5Ω/km，內(nèi)感抗為1.5Ω/km。土壤電阻率取為400Ω·m，避雷線之間的距離4.5m，避雷線和相導(dǎo)線的幾何均距取5m，變電站接地電阻取0.4Ω。靠近終端塔檔距取70m。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和本文計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示：

表1 接地網(wǎng)分流系數(shù)對(duì)比

通過表1可以看出，本文所計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合，塘周線誤差為0.3%，妙周線誤差為4.4%。

4 結(jié)論

①本文以變電站站內(nèi)短路為例，給出了基于圖論的回路電流法的接地網(wǎng)分流系數(shù)計(jì)算模型。該計(jì)算模型采用矩陣形式，易于編程實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用于更復(fù)雜的多電源供電變電站。②基于兩條實(shí)際線路，本文計(jì)算方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，該方法計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差分別為0.3%和4.4%，表明該方法計(jì)算精度較高。

［1］中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB 50065-2011交流電氣裝置接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［2］水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣一次部分）［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［3］李德超.變電站內(nèi)接地短路時(shí)避雷線分流系數(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.

［4］萬(wàn)欣.避雷線分流系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2007.

Computation of Shunt Coefficient of Grounding Grid under Short-Circuit Fault Occurred within Substation

Chang Afei1Wang Peng1Han Yingjie2Liu Zehui3
（1.SPIC Henan Electric Co.,Ltd.Technology&Information Center，Zhengzhou Henan 450001；2.SPIC Henan Electric Company Limited，Zhengzhou Henan 450000；3.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052）

In designing of the grounding grid of power station and substation,the earth diffusing short-circuit fault current need to be checked,and the shunt coefficient of grounding grid is a fundamental data.Considering the shortcircuit fault occurred within substation,a computing method based graph theory and loop current method of shunt has been given in this paper.By comparing with the date from actual test and order component method show that the method used in this paper could obtain high precision.The relationship between ground potential rise and substation grounding resistance has been studied,which could provide a reference for designing of the power station and substation.

shunt coefficient；ground potential rise；short-circuit fault；graph theory；loop current method

TM751

A

103-5168（2017）09-0138-03

2017-08-03

常阿飛（1986-），女，工程師，研究方向：高壓電氣設(shè)備故障診斷。

王鵬（1965-），男，高級(jí)工程師，研究方向：高壓電氣設(shè)備故障診斷；韓英杰（1975-），男，高級(jí)工程師，研究方向：新能源、電力市場(chǎng)、數(shù)字信號(hào)處理、故障分析、測(cè)控技術(shù)；劉澤輝（1987-），男，工程師，研究方向：輸變電設(shè)備外絕緣。