基于CDEGS的110 kV變電站接地網(wǎng)優(yōu)化研究

鄧長征 趙自威,3 邱 立 傅天奕 謝海龍 曹新陽

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 新能源微電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002； 3. 中國電力科學研究院(武漢)， 武漢 430074)

基于CDEGS的110kV變電站接地網(wǎng)優(yōu)化研究

鄧長征1,2趙自威1,2,3邱 立1,2傅天奕1,2謝海龍1,2曹新陽1,2

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 新能源微電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002； 3. 中國電力科學研究院(武漢)， 武漢 430074)

接地網(wǎng)性能的好壞直接關系到變電站二次設備與運維檢修人員的安全，合理的設計接地網(wǎng)至關重要．湖北某地區(qū)由于電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，規(guī)劃新建若干座變電站，本文結(jié)合該地區(qū)110 kV變電站典型工程現(xiàn)場情況，運用專業(yè)接地計算仿真軟件CDEGS對變電站接地網(wǎng)的接地電阻、地電位升、接觸電壓、跨步電壓進行計算分析．對水平地網(wǎng)的均壓優(yōu)化、局部換土、增設垂直接地極、擴大接地網(wǎng)面積等方案的技術性和經(jīng)濟性進行綜合評估，選取最合理的接地網(wǎng)優(yōu)化方案，為本變電站站接地網(wǎng)工程提供參考．

CDEGS； 110 kV變電站； 接地網(wǎng)優(yōu)化； 接地電阻

變電站的可靠接地是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要條件，其主要功能是為故障電流或雷電流提供向遠方大地泄放的通道，從而將地電位升限制在安全閾值以內(nèi)，防止變電站二次設備的絕緣遭受破壞；同時減小站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓，保證運維檢修人員的人身安全[1-3]．據(jù)報道，由接地網(wǎng)運行狀況不佳引起的事故屢見不鮮，每次事故造成的直接經(jīng)濟損失大約在數(shù)十萬元到幾千萬元．因此，接地網(wǎng)的優(yōu)化設計是變電站建設中的重要環(huán)節(jié)．本文以接地系統(tǒng)的安全指標為對象，利用CDEGS仿真軟件對水平地網(wǎng)的不等間距布置、局部換土、增設垂直接地極、擴大接地網(wǎng)面積等接地網(wǎng)優(yōu)化方案[4-11]進行計算分析，綜合評估其技術性和經(jīng)濟性，選擇最優(yōu)方案，為本變電站接地網(wǎng)工程提供參考．

1 現(xiàn)場概況

經(jīng)實地勘測，變電站所在地區(qū)的巖土結(jié)構(gòu)大致可分為4層：表層為碎石土，土壤平均厚度0.49 m；次表層為粉質(zhì)粘土，平均厚度1.05 m；第3層為強風化千枚巖，平均厚度2.95 m；底層為中風化千枚巖，最大揭露厚度為6.8 m．

使用DER2571BV型接地電阻測量儀，在變電站所在區(qū)域選取6個點進行土壤電阻率測量，測量方法為溫納四極法．通過改變極距，選取某點土壤電阻率的極大值和極小值，然后以極大值乘以季節(jié)系數(shù)1.5，綜合6個測量點的期望值作為接地設計的推薦值，即考慮季節(jié)變化的最大接地電阻．通過測量發(fā)現(xiàn)，6個測點的土壤電阻率都比較高，且分布比較均勻，其推薦值范圍為420～615 Ω·m，將其期望值470 Ω·m作為均勻土壤結(jié)構(gòu)模型的計算值．

變電站本期規(guī)劃面積為64 m×60 m，終期可在原站址的基礎上擴大至104 m×86 m，考慮到地網(wǎng)應距離圍墻1 m，設計時本期地網(wǎng)面積按62 m×58 m計算，終期按102 m×84 m計算．

由于三相短路的故障電流對稱，其入地電流并不大，因此接地網(wǎng)最大入地故障電流按不對稱接地短路的電流計算，分流系數(shù)為0.5．根據(jù)可研資料，最大短路電流為4 486 A，由此計算出最大故障入地電流為2 243 A，并以此來校驗接地網(wǎng)．依據(jù)交流電氣裝置的接地設計規(guī)范(GB/T 50065-2011)[12]，本站故障持續(xù)時間取tg=0.5 s．

2 接地安全指標分析

2.1 接地電阻

根據(jù)交流電氣裝置的接地(DL/T 621-1997)[13]規(guī)定：變電站接地裝置的接地電阻應滿足R≤2 000/I，其中I為故障入地電流，經(jīng)計算得R≤2 000/2 243=0.89 Ω可見，理論上本站接地電阻很難達到行標規(guī)定的限定值．

2.2 地電位升

地電位升定義為故障電流或雷電流經(jīng)接地裝置入地時，所引起的接地裝置相對于無窮遠處零電位參考點的電壓升高．行標DL/T 621-1997規(guī)定地電位升限定值為2 000 V，要求過于苛刻，很多時候這個指標是難以達到且沒有必要的，需要付出很大的代價．而國標GB/T 50065-2011規(guī)定在滿足站內(nèi)跨步電壓和接觸電壓的前提下可將地電位升限定值提高至5 000 V甚至更高，因此接地電阻限定值可提高至R≤5 000/2 243=2.23 Ω．

2.3 接觸電壓、跨步電壓

接觸電壓是故障電流或雷電流經(jīng)接地裝置入地時在地表形成電位分布，身體接觸到設備外殼時的電位與水平距離0.8 m處的腳所在地的地表電位之間的電位差，接觸電壓和接地電阻密切相關；跨步電壓是地表水平距離為0.8 m的兩點間的電位差，其大小受地表電位分布影響較大．行標DL/T 621-1997規(guī)定接觸電壓和跨步電壓的安全限值為：

公式(1)(2)中，UT50和US50分別表示體重為50 kg的人體允許的接觸電壓和跨步電壓安全限值，ρS是表層土壤電阻率，tg是接地故障電流持續(xù)時間．

2.4 地表高阻層的影響

分析公式(1)(2)可以得出：當選取50 kg的人體為參考對象，且故障持續(xù)時間tg為定值時，人體允許的接觸電壓和跨步電壓的安全限值UT50和US50直接取決于表層土壤電阻率ρS．在一定范圍內(nèi)，ρS越大，人體允許的安全電壓越大．因此，在站內(nèi)鋪設由礫石或鵝卵石、瀝青等材料制成的表面高土壤電阻率層，可提高人體的安全耐受電壓．IEEE Std80-2000[14]引入校正系數(shù)CS來表征地表高阻層的影響：

和行標DL/T 621-1997相比，IEEE Std80-2000考慮了地表高阻層的影響，其提供的公式具有對地表高阻層定量分析的能力，且公式中人體電阻取值為1 000 Ω，而行標DL/T 621-1997中取1 500 Ω，可見IEEE Std80-2000的計算結(jié)果更為精確和嚴格．對兩者的計算結(jié)果進行比較得出，行標DL/T 621-1997對安全電壓的計算結(jié)果均明顯大于IEEE Std80-2000的計算結(jié)果，通過IEEE Std80-2000公式計算出的安全值，都能夠滿足DL/T 621-1997的要求．因此本方案采用更加安全和靈活的IEEE Std80-2000公式來計算跨步電壓和接觸電壓安全限值．

本站土壤電阻率為470 Ω·m，經(jīng)CDEGS計算得：不鋪設地表高阻層時，人體允許的接觸電壓和跨步電壓的安全限值分別為268 V和608.4 V；鋪設厚度15 cm，電阻率3 000 Ω·m的地表高阻層時，人體允許的接觸電壓和跨步電壓的安全限值分別為750.3 V和2 537.8 V．鋪設地表高阻層可將人體允許安全電壓提高至原來的3～4倍．

3 接地網(wǎng)優(yōu)化方案

本期水平地網(wǎng)在水平方向布置12根長導體，總長744 m，豎直方向布置13根長導體，總長754 m．終期水平地網(wǎng)在水平方向布置16根長導體，總長1 632 m，豎直方向布置18根長導體，總長1 512 m．接地網(wǎng)埋深為0.8 m，導體選用-60 mm×6 mm鍍鋅扁鋼，長導體經(jīng)較短導體放熱焊接而成．在變電站內(nèi)鋪設厚度15 cm，電阻率3 000 Ω·m的地表高阻層．

3.1 水平地網(wǎng)的均壓優(yōu)化

以往的接地網(wǎng)設計中，水平地網(wǎng)通常采用等間距布置．由于導體間存在互感，產(chǎn)生的互阻抗使得接地網(wǎng)各部分泄流不均勻，靠近接地網(wǎng)中心區(qū)域?qū)w的泄流密度比邊緣區(qū)域?qū)w的泄流密度小的多，因此接地網(wǎng)中心區(qū)域受屏蔽效應影響最為嚴重．這就使得采用等間距布置的接地網(wǎng)地表電位分布不均勻，呈現(xiàn)中部高，四周低的趨勢，而電位梯度變大使得接觸電壓的值變大，對運檢人員的人身安全造成了威脅．

為了減小屏蔽效應的影響，采用不等間距法布置水平地網(wǎng)，增大中心區(qū)域網(wǎng)孔的大小，減小邊緣區(qū)域網(wǎng)孔的大小，使接地導體都能得到充分利用．圖1是地網(wǎng)不等間距布置示意圖．

圖1 水平地網(wǎng)不等間距布置示意圖

3.1.1 最優(yōu)壓縮比的選定

文獻[1]對導體間距的求法做了詳細介紹，設中心網(wǎng)孔導體間距為dmax，則距離中心網(wǎng)孔為n級的網(wǎng)孔導體間距為：

式中，C是壓縮比，為不大于1的常數(shù)，表征接地網(wǎng)導體間距的均勻程度．C越大，導體間距越均勻，C=1時為等間距布置．利用CDEGS軟件計算出本期和終期在不同壓縮比下的接地電阻，表1是仿真計算結(jié)果．

表1 不同壓縮比下的接地電阻

如圖2所示，為了更直觀地展現(xiàn)接地電阻R隨導體間距均勻程度(壓縮比C)變化的規(guī)律，繪制R=f(C)曲線．從圖2中發(fā)現(xiàn)，接地電阻在某壓縮比下取得最小值，該壓縮比即為水平地網(wǎng)的最優(yōu)壓縮比．此后的水平地網(wǎng)均按最優(yōu)壓縮比設計，本期最優(yōu)壓縮比為0.6，終期最優(yōu)壓縮比為0.7．

圖2 最優(yōu)壓縮比

3.1.2 不等間距布置的均壓效果

為了體現(xiàn)不等間距布置的均壓效果，對本期水平地網(wǎng)的等間距布置和不等間距布置進行CDEGS仿真，對比分析二者的接地電阻、地電位升、接觸電壓、跨步電壓，仿真結(jié)果如圖3～5所示．

圖3 地電位升

圖4 接觸電壓

圖5 跨步電壓

分析接地電阻、地電位升、接觸電壓、跨步電壓4個安全指標，對仿真得到的3 717個地表電位觀測點的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2～4．

表2 不等間距布置對地電位升的影響

表3 不等間距布置對接觸電壓的影響

表4 不等間距布置對跨步電壓的影響

由表1可得：水平地網(wǎng)在等間距布置下的接地電阻為3.42 Ω，在不等間距布置(最優(yōu)壓縮比)下的接地電阻為3.39 Ω，比等間距布置減小了0.9%．可見不等間距布置能有效降低水平地網(wǎng)的接地電阻．

分析表2可得：最大地電位升在等間距布置下為7 596 V，在不等間距布置下為7 616 V，比等間距布置時增大了0.27%，影響較小．而在不等間距布置下，地電位升大于7 500 V的分布僅占1.2%，比等間距布置減小了11.4%，人身設備安全明顯提高．

分析表3可得：最大接觸電壓在等間距布置下為1 339 V，在不等間距布置下為1 027 V，比等間距布置時減小了23.3%．可見，不等間距布置可顯著減小地表接觸電壓．

分析表4可得：相較于等間距布置，不等間距布置下最大跨步電壓增大了36.5%，但由于人體可承受的跨步電壓是接觸電壓的2～4倍，不等間距布置下的跨步電壓遠小于人體允許的跨步電壓限定值，所以不等間距布置引起跨步電壓增大的影響可忽略不計．

綜合以上分析可得：水平地網(wǎng)的不等間距布置可有效降低接地電阻，均勻地表電位分布，降低地表接觸電壓，提高安全水平．

3.2 局部換土

由于變電站所在區(qū)域土壤電阻率偏高，給接地網(wǎng)設計帶來了不利影響，現(xiàn)采取局部換土的方法，仿真分析其降阻優(yōu)化效果．如圖6所示為局部換土模型，沿接地網(wǎng)邊緣開挖寬度2 m、深度2 m的槽，接地網(wǎng)邊緣的導體位于槽中央，回填低電阻率土壤，其土壤電阻率為10 Ω·m左右．

圖6 局部換土示意圖

由CDEGS仿真得：接地電阻3.11 Ω，最大地電位升7 030.1 V，最大接觸電壓680.9 V，最大跨步電壓120.5 V．接觸電壓和跨步電壓滿足了設計要求，說明局部換土均壓效果較好．但與不采取局部換土相比，接地電阻下降率僅為8.3%，仍不滿足設計要求．從經(jīng)濟性考慮，本次開挖的土方量為960 m3，成本極其高昂．因此，在接地電阻遠不能達到設計要求時，不到萬不得已不推薦使用局部換土方案．

3.3 增設垂直接地極

由于變電站條件不允許，垂直接地極不能布置于站外，只能沿水平地網(wǎng)四周導體均勻布置．仿真計算出接地極長度L為20 m、40 m、60 m，對應垂直接地極根數(shù)N為4、8、12、16時的接地電阻、地電位升、接觸電壓、跨步電壓，并選擇最優(yōu)方案．垂直接地極材料為∠60 mm×5 mm的角鋼．表5為仿真結(jié)果．

表5 長度L、根數(shù)N的垂直接地極的對比

分析表5可得：從技術性考慮，同時滿足接地電阻、地電位升、接觸電壓和跨步電壓安全指標要求的有4組：L40-N16、L60-N8、L60-N12、L60-N16；從經(jīng)濟性考慮，以上4組垂直接地極使用導體的總長度分別為640 m、480 m、720 m、960 m，L60-N8所用導體最少，材料最?。蚅40-N16相比，L60-N8長垂直接地極更易接觸到地層深處的地下水，且其跟水平地網(wǎng)等效長度更接近，其降阻效果更好，所以選用L60-N8垂直接地極作為最優(yōu)方案．

3.4 擴大接地網(wǎng)面積(終期)

終期將在本期原有地網(wǎng)的基礎上進行擴大，其仿真結(jié)果如下：接地電阻2.21 Ω，最大地電位升4 991.3 V，最大接觸電壓615.4 V，最大跨步電壓81.6 V，滿足安全設計值．考慮到終期變電站擴容的影響，若實際測量時接地電阻等安全指標不合格，推薦采取結(jié)合垂直接地極構(gòu)造立體地網(wǎng)的方法，也可考慮接地模塊、離子接地極等新型降阻材料．

4 結(jié) 論

1)本文對變電站接地網(wǎng)的安全指標進行了計算分析，并利用CDEGS對鋪設地表高阻層的優(yōu)化效果進行了仿真計算，最終得出各指標的安全限值為：接地電阻2.23 Ω、地電位升5 000 V、接觸電壓750.3 V、跨步電壓2 537.8 V．

2)利用CDEGS選擇水平地網(wǎng)不等間距布置的最優(yōu)壓縮比；對比等間距布置，可得不等間距布置可有效降低接地電阻、均勻地表電位分布、顯著降低地表接觸電壓、提高安全水平．

3)本變電站僅依靠本期水平地網(wǎng)并不能解決接地網(wǎng)的設計要求，結(jié)合局部換土方法也不能滿足，且局部換土工程量巨大，不推薦采用．

4)增設長垂直接地極可以起到很明顯的降阻效果，結(jié)合技術性和經(jīng)濟性考慮，選擇沿水平地網(wǎng)四周布置8根長為60 m的長垂直接地極，作為本期接地網(wǎng)的最優(yōu)方案．

5)終期接地網(wǎng)的優(yōu)化優(yōu)先推薦增設長垂直接地極，也可考慮市場上的新型降阻材料．由于沒有統(tǒng)一的建模標準和規(guī)范，利用CDEGS對新型降阻材料進行仿真，證實其結(jié)果的準確性比較困難，這將成為下階段的工作目標．

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Studyof110kVSubstationGroundingNetworkOptimizationBasedonCDEGS

Deng changzheng1,2Zhao Ziwei1,2,3Qiu Li1,2Fu Tianyi1,2Xie Hailong1,2Cao Xinyang1,2

(1.College of Electrical Engineering & Renewable Energy,China Three Gorges Univ.,Yichang 443002,China;2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid,China Three Gorges Univ.,Yichang 443002,China；3.Wuhan Branch,China Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China)

The performance of grounding network is directly related to the safety of substation secondary equipment and the operation or maintenance staff, so it is extremely significant to design grounding network reasonably. Due to the power grid structure is weak in a region of Hubei province, several new substations are planned for construction.In this paper, combining with typical 110 kV substation project site in the region, the professional grounding calculation simulation software CDEGS is applied to calculate and analyze the grounding resistance, ground potential rise, step voltage and touch voltage. The technicality and economy of balancing the voltage of horizontal grounding network , replacing part of the soil, increasing the number of deep well vertical grounding electrodes, expanding grounding network area and other options are comprehensively evaluated to select the most reasonable grounding network optimization scheme, so as to provide a reference basis for the project.

CDEGS; 110 kV substation; grounding network optimization; grounding resistance

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.016

2017-03-29

國家自然科學基金(51507092)

邱 立(1984-)，男，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為輸電線路設備電磁場分析及應用與高電質(zhì)技術．E-mail：Doctor_QiuL@163.com

TM862+.3

A

1672-948X(2017)05-0079-05

[責任編輯張 莉]