應用CDEGS進行變電站接地網(wǎng)設計流程的研究

李 偉，王 偉，孫永春，叢遠新，李 松，王 森，申 巍，王旭明

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院，西安710100； 2.北京市金合益科技發(fā)展有限公司，北京100160；3.國網(wǎng)陜西省電力公司，西安710100； 4.西安交通大學電氣工程學院，西安710049)

0 引言

變電站接地網(wǎng)作為故障電流及雷電流入地媒介，對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、保障工作人員安全性的作用不言而喻[1-4]。在現(xiàn)階段變電站接地網(wǎng)的設計過程中，往往不能合理考慮與變電站互聯(lián)線路在故障時的分流，只是機械的按照接地網(wǎng)工頻接地電阻不能大于0.5 Ω的標準進行設計，造成設計的接地網(wǎng)在線路發(fā)生嚴重接地短路事故時接觸電壓、跨步電壓等參數(shù)大于安全限值，對人員安全和二次設備保護造成威脅[5-9]。文獻[10]中在對于接地網(wǎng)的設計優(yōu)化過程中為了達到接觸電壓等參數(shù)符合安全要求，人為的增加接地體的數(shù)目、密度等以達到設計需求。文獻[11]在初次500 kV變電站的接地網(wǎng)設計不達標后，通過增加接地網(wǎng)面積、增設接地棒、接地體按壓縮比布置等進行人工優(yōu)化設計，依靠人為的進行接地網(wǎng)優(yōu)化，設計工作量大大增加，且沒有將相連線路的避雷線分流納入考慮范圍。文獻[12]借助MATLAB、ATPDraw等軟件分析了桿塔接地電阻、變電站接地網(wǎng)電阻以及避雷線參數(shù)等對避雷線分流的影響，但并未針對避雷線分流情況對接地網(wǎng)設計提出建設性優(yōu)化策略。文獻[13]中對當下變電站接地網(wǎng)設計中存在的問題進行分析，并且指出了土壤電阻率測量是接地網(wǎng)設計過程中的一關鍵環(huán)節(jié)，強調(diào)了設計中需要按照調(diào)度部門提供的接地短路水平進行校核，但是未給出接地網(wǎng)設計的設計實踐指導。

本研究試圖從CDEGS軟件入手，在實地土壤電阻率測量工作的基礎上，根據(jù)調(diào)度部門提供的線路單相接地故障最大電流，并充分考慮與待設計變電站相連線路的避雷線分流，進行220 kV變電站接地網(wǎng)設計流程示范。

1 模型的構建與簡化

根據(jù)陜西省電力調(diào)度部門遠景運行規(guī)劃，需要在某地建立220 kV變電站一座，該新建變電站H將與4座終端變電站通過同塔雙回輸電線路互聯(lián)，見表1中數(shù)據(jù)所示，4座已有終端變電站分別命名為D、E、F、G，將變電站H與變電站D、E、F、G間的線路分別命名為線路H-D、H-E、H-F、H-G，在圖中繪制出線路H-D的結構示意，見圖1，線路H-D共有48個桿塔，檔距350 m，線路全長16 450 m，圖2所示為輸電線路的橫截面示意，相線和地線的高度、間距均在圖2中標注；架空地線截面見圖1，其外徑4.8 cm，間距15 m；線路H-D終端變電站D的工頻接地電阻為0.1 Ω，研究中假設當變電站H中回路1的C1相發(fā)生單相接地短路故障時流入接地網(wǎng)的故障電流最大，線路H-D終端變電站D提供的故障電流數(shù)值為786-j6 081 A。與線路H-D的參數(shù)類似，剩余的3條線路參數(shù)及終端變電站特性見表1。

表1 終端變電站及線路信息Table 1 Terminal substation and line information

圖1 變電站接地網(wǎng)及連入電力系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of substation grounding grid and connected power system

圖2 輸電線路橫截面Fig.2 Cross section of transmission line

應用溫納四極法對待建變電站H處的土壤電阻率進行實地測量，圖3為土壤電阻率測量的現(xiàn)場測量裝置及人員布置，對測量的結果反演得到站址處的土壤電阻率分層結果見表2，土壤電阻率為兩層分布形式，頂層土壤電阻率269.8 Ω·m，厚1.6 m，底層電阻率163.93 Ω·m。在下節(jié)中將在CDEGS軟件中針對本節(jié)中的線路參數(shù)進行系統(tǒng)建模，用以分析待建變電站H的接地網(wǎng)設計。

圖3 實地測量土壤電阻率Fig.3 Field measurement of soil resistivity

表2 反演得到的水平分層的土壤電阻率參數(shù)Table 2 Soil resistivity parameters of horizontal stratification

2 接地網(wǎng)設計

2.1接地網(wǎng)安全性標準

在CDEGS軟件的Auto Ground Design模塊按照上節(jié)中的線路建立模型，依次將線路參數(shù)輸入，得到待分析系統(tǒng)的模型。在Auto Ground Design模塊中可以指定接地網(wǎng)的長度、寬度、埋深以及接地網(wǎng)的設計類型，接地網(wǎng)設計類型包括接地網(wǎng)是矩形或者多邊形、接地體的排列壓縮比，以及是否增設接地棒等；在利用軟件進行設計接地網(wǎng)的過程中，首次將接地網(wǎng)的類型定為150 m×90 m水平矩形接地網(wǎng)(僅有4條矩形邊框及4根接地棒)。確定了接地網(wǎng)初步設計方案，并且已經(jīng)輸入測試得到的土壤數(shù)據(jù)和既定線路參數(shù)后，需要確定接地網(wǎng)的安全性參數(shù)，以衡量設計得到的接地網(wǎng)是否符合安全性要求，評價接地網(wǎng)的安全性參數(shù)包括接觸電壓、跨步電壓、地電位升、地電位升差值等，根據(jù)人體心房顫動的電流值，IEEE Standard 80-2000中根據(jù)觸電時間、系統(tǒng)特性、人員體重和腳部接觸電阻率確定了接觸電壓和跨步電壓的安全值[14]，假設在變電站H的土壤表面鋪設有電阻率為3 000 Ω·m的礫石，用以增加人員與地面間的腳部接觸電阻率，得到接觸電壓的安全限值為933.083 V，跨步電壓的安全限值為3 146.652 V。同時可以得到未鋪設表面礫石時站內(nèi)接觸電壓將降至285.824 1 V，跨步電壓降為557.616 3 V，這將極大地增加變電站H接地網(wǎng)的設計難度。文獻[15]中經(jīng)過系列分析給出了地電位升的限值可以放寬到5 000 V的結論，在試驗中的接地網(wǎng)尺寸相對較小，不用考慮網(wǎng)內(nèi)電位差對站內(nèi)電纜及二次設備的威脅。

在試驗中將選擇接地金屬體按照壓縮比0.8布置和等間距布置兩種方式，軟件將自動進行迭代優(yōu)化接地網(wǎng)，直至故障電流入地時地電位升、接觸電壓和跨步電壓滿足安全限值的要求。

2.2 設計得到的接地網(wǎng)1

根據(jù)2.1小節(jié)中對接地網(wǎng)設計的前期準備工作，迭代得到金屬接地體等間距布置時的接地網(wǎng)結構1，見圖4，共有16根橫向導體、25根豎向導體，4根長度為10 m的接地棒，故障電流流入接地網(wǎng)時的站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓分別見圖5、圖6。站內(nèi)最大接觸電壓為905 V，最大跨步電壓為874 V，地電位升最大值為3 474 V，均保持在上節(jié)分析的安全限值以內(nèi)，接地網(wǎng)設計滿足要求。

圖4 設計得到的接地網(wǎng)結構1Fig.4 The design of grounding grid structure No.1

圖5 站內(nèi)接觸電壓(接地網(wǎng)結構1)Fig.5 Touch voltage(Structure of grounding grid No.1)

圖6 站內(nèi)跨步電壓(接地網(wǎng)結構1)Fig.6 Step voltage(Structure of grounding grid No.1)

2.3 設計得到的接地網(wǎng)2

同理得到金屬導體按照壓縮比0.8布置時的接地網(wǎng)設計結構2，見圖7，站內(nèi)接觸電壓和跨步電壓分別見圖8、圖9。共有13根橫向導體、20根豎向導體。站內(nèi)最大接觸電壓為874 V，最大跨步電壓為372 V，地電位升最大值為3 473 V，同樣均保持在上節(jié)分析的安全限值以內(nèi)，接地網(wǎng)設計滿足要求。

圖7 設計得到的接地網(wǎng)結構2Fig.7 The design of grounding grid structure No.2

圖8 站內(nèi)接觸電壓(接地網(wǎng)結構2)Fig.8 Touch voltage(Structure of grounding grid No.2)

圖9 站內(nèi)跨步電壓(接地網(wǎng)結構2)Fig.9 Step voltage(Structure of grounding grid No.2)

對比分析設計得到的兩種接地網(wǎng)結構，均將接觸電壓和跨步電壓值限制在了安全范圍以內(nèi)，但是實現(xiàn)的代價略有不同，從操作可行性的角度來看，兩種接地網(wǎng)施工均無太大難度，但是導體數(shù)目的增加無疑會使經(jīng)濟性變差，接地網(wǎng)結構1中共計所需接地體4 690 m，接地網(wǎng)結構2中共計所需接地體3 790 m，可見當選擇按照0.8壓縮比布置接地體時，接地體長度僅為等間距布置接地體所需長度的80%，故從經(jīng)濟性角度，優(yōu)選接地網(wǎng)結構2中接地金屬導體按照壓縮比布置的設計。

3 接地網(wǎng)設計流程

經(jīng)過試驗中利用CDEGS軟件中Auto Ground Design模塊對待建變電站H的接地網(wǎng)進行設計，總結出一套應用CDEGS進行接地網(wǎng)設計的流程見圖10，首先需要確定待分析變電站接地網(wǎng)的電路參數(shù)，包括出線回數(shù)、桿塔參數(shù)、終端變電站特性等，然后基于實地測量待建變電站處土壤電阻率數(shù)據(jù)的基礎上，進行系統(tǒng)建模，從接地網(wǎng)的初始設計結構由CDEGS軟件中Auto Ground Design模塊迭代得到接地網(wǎng)的較優(yōu)設計結構。

圖10 接地網(wǎng)設計流程Fig.10 Design process of grounding grid

4 結論

為了實現(xiàn)變電站接地網(wǎng)的高效設計，針對特定電力運行環(huán)境下變電站H的接地網(wǎng)設計流程進行了研究。充分考慮到變電站在運行環(huán)境下可能發(fā)生的惡劣單相接地故障短路電流入地情況以及線路架空地線的分流效果，使設計得到的接地網(wǎng)具有較高的可靠性，同時設計的方法具有較強的操作性，可以為類似變電站接地網(wǎng)的設計工作起到指導作用。

由于試驗主要是針對的是變電站接地網(wǎng)的設計工作，目標得到接地網(wǎng)設計結構而止，未對與變電站接地網(wǎng)相連架空地線的分流作具體闡述與分析，此外試驗分析的變電站址土壤電阻率屬于較低水平，在下一步的工作中，將針對高土壤電阻率水平地區(qū)的接地網(wǎng)展開自動化設計試驗。