500 kV GIL管廊接地系統(tǒng)分析

趙新宇，張益賡，賈振宏，張瑞永，吳述關(guān)，譚沛文

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引 言

目前，城市用電需求越來越大，而大規(guī)模發(fā)電裝置通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需要長距離、高可靠和高效的特高壓輸電線路[1-4]。由于采用架空線的特高壓長距離輸電線路的鐵塔很高、導(dǎo)線束很大，受場地限制，不能在任何地方都實(shí)現(xiàn)。而氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)具有輸電容量大、占地少、維護(hù)量小、環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為特殊環(huán)境下替代架空線路的首選。

類似于輸電線路接地系統(tǒng)，GIL的接地系統(tǒng)對GIL穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用，它直接影響管廊內(nèi)部工作人員的生命安全，對地面上的行人也有著影響。目前的研究主要是針對GIL外殼環(huán)流和外殼接地[5-7]，對于GIL接地系統(tǒng)少有涉及。

基于某實(shí)際GIL綜合管廊工程的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用CDEGS軟件，建立GIL管廊三維仿真模型，研究分析接地網(wǎng)的深度、入地點(diǎn)的個(gè)數(shù)、混凝土電阻率、是否考慮鋼筋主結(jié)構(gòu)等因素對GIL系統(tǒng)接地電阻、接觸電壓、跨步電壓以及電位升的影響，從經(jīng)濟(jì)和安全的角度提出最合適的接地結(jié)構(gòu)。

1 GIL接地模型

1.1 艙內(nèi)結(jié)構(gòu)及模型

GIL管廊建于地面下2 m處，總長度為330 m，混凝土墻壁厚度為0.25 m。管廊內(nèi)有500 kV單回路交流輸電線路，布置在管廊的左側(cè)，沿管廊每隔20 m設(shè)置長0.843 m的金屬支架，GIL本體放置在金屬支架上，相間距為0.85 m。金屬支架固定于混凝土墻壁，并與接地母線相連，接地母線通過接地引線與管廊底部的接地網(wǎng)相連接。

圖1 GIL艙結(jié)構(gòu)斷面

接地母線和接地引線均采用截面為50 mm×5 mm的銅排，接地網(wǎng)埋設(shè)在GIL管廊下方，面積為3 m×330 m。接地網(wǎng)橫向取20根導(dǎo)體棒，縱向取7根導(dǎo)體棒。此外銅排接地干線兩端引出與接地網(wǎng)相連，銅排與接地網(wǎng)不少于2個(gè)連接點(diǎn)[9]，這里取在前端位置連接。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和軟件仿真的結(jié)果，將土壤電阻水平分為1層，土壤電阻率為28 Ω·m。

根據(jù)上述條件，基于仿真軟件CDEGS建立GIL管廊接地模型，接地系統(tǒng)局部截面圖如圖2所示，其管廊局部截面圖如圖3所示，混凝土電阻率取值范圍為500～20 000 Ω·m[8]，接地網(wǎng)的深度取在GIL底部下側(cè)0.8～2 m處，觀測面設(shè)置在管廊隧道底部，距離地面深度為5.45 m。

1.2 接地系統(tǒng)電氣特性分析

基于上述GIL模型，將短路入地電流激勵(lì)設(shè)在接地網(wǎng)前端入地點(diǎn)上，設(shè)置短路入地電流激勵(lì)因子為10 kA，計(jì)算接地系統(tǒng)電氣特性參數(shù)；設(shè)置混凝土電阻率為3000 Ω·m，計(jì)算接地系統(tǒng)的接地電阻值為0.125 1 Ω。

觀測接地網(wǎng)電氣特性參數(shù)，其跨步電壓分布如圖4所示，跨步電壓最大值為282.76 V，主要分布在管廊的末端，中間管廊處跨步電壓很低，分布也比較均勻。

圖2 GIL接地系統(tǒng)Y-Z平面

圖3 GIL管廊三維平面

圖4 接地模型跨步電壓云圖

接觸電壓分布如圖5所示，可以看出，接觸電壓的最大值為480.668 V，位于兩邊的入地點(diǎn)附近，遠(yuǎn)離入地點(diǎn)的方位，接觸電壓逐漸減小。

地面最大電位升為530.245 V，與接觸電壓相似，隨著遠(yuǎn)離入地點(diǎn)的方向，地電位升逐漸降低，如圖6所示。

圖5 接地模型接觸電壓云圖

圖6 接地模型地電位升云圖

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的接觸電壓和跨步電壓的安全閾值如表1所示。根據(jù)表1可知，在故障切除時(shí)間為0.250 s和0.500 s時(shí)，最大跨步電壓和接觸電壓小于允許的最大限值。所以，接地網(wǎng)設(shè)計(jì)總體符合計(jì)算要求，是較為接近實(shí)際的一種模型。

表1 CDEGS 電氣特性安全閾值標(biāo)準(zhǔn)

2 接地網(wǎng)的組成對接地特性參數(shù)的影響

2.1 入地點(diǎn)的個(gè)數(shù)對接地特性參數(shù)的影響

由于工程要求，此GIL接地系統(tǒng)的入地點(diǎn)不少于2個(gè)，將多個(gè)入地點(diǎn)加入系統(tǒng)中，為電流提供了多個(gè)路徑，起到了一定的分流作用。入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對接地系統(tǒng)電氣特性的影響如表2所示。

隨著入地點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，接地電阻、接觸電壓、跨步電壓、地電位升會略微下降，但下降幅度很小。入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對接地特性參數(shù)基本沒有影響。

2.2 地網(wǎng)的深度對接地特性參數(shù)的影響

出于人身安全考慮，設(shè)計(jì)院一般規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為接地網(wǎng)距離GIL管廊底部0.8 m以上[10]。這里的GIL接地網(wǎng)沿著GIL管廊鋪設(shè)，埋設(shè)的難度不大，所考慮的接地網(wǎng)距離GIL底部0.8～2 m。接地網(wǎng)入地深度對接地系統(tǒng)特性的影響如表3所示。可以看出，隨著接地網(wǎng)入地深度的增加，接地電阻值分別下降了2.7%、4.6%、8.2%、10.39%、11.83%，接觸電壓、跨步電壓、地電位升也有明顯下降。接地網(wǎng)入地深度對接地網(wǎng)特性的影響較大。

表2 入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對接地系統(tǒng)接地特性的影響

表3 接地網(wǎng)與GIL管廊距離對接地系統(tǒng)接地特性的影響

3 混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋對特性參數(shù)的影響

3.1 混凝土電阻率對接地電阻的影響

混凝土中主結(jié)構(gòu)鋼筋可形成2個(gè)豎直平面的輔助接地系統(tǒng)，起到了良好的分流效果。同時(shí)混凝土的電阻率與周圍水分聯(lián)系緊密，會在晴天與下雨天有所不同[9]。表4為不同混凝土電阻率條件下接地系統(tǒng)的接地電阻，其接觸電壓、跨步電壓分別如圖7、圖8所示。

表4 混凝土電阻率對接地系統(tǒng)接地電阻的影響

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為1200 Ω·m時(shí)，接地電阻下降了7.3%；當(dāng)混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為500 Ω·m時(shí)，接地電阻下降了14.2%。接觸電阻下降對接觸電壓和跨步電壓也有較大影響，當(dāng)混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為1200 Ω·m時(shí)，接觸電壓最大值由480.67 V下降為368.41 V，跨步電壓最大值由282.78 V變?yōu)?88.8 V。當(dāng)混凝土電阻率降低時(shí)，接地網(wǎng)的電阻值降低，從而導(dǎo)致接觸電壓和跨步電壓減小。

3.2 不考慮混凝土主結(jié)構(gòu)鋼筋對接地系統(tǒng)的影響

斷開混凝土主結(jié)構(gòu)鋼筋與銅排接地干線和接地網(wǎng)的連接，計(jì)算接地網(wǎng)電氣特性，結(jié)果如表5所示。

表5 鋼筋結(jié)構(gòu)對接地系統(tǒng)電氣特性的影響

同考慮主結(jié)構(gòu)鋼筋作為輔助接地系統(tǒng)時(shí)相比，不考慮主結(jié)構(gòu)鋼筋時(shí)的接地電阻值升高了約13.6%，跨步電壓、接觸電壓、地電位升的最大值在相同條件下分別增加了45.6%、81.9%和103.78%，超過所允許的最大接觸電壓限值。這是因?yàn)橹鹘Y(jié)構(gòu)鋼筋鑲嵌在混凝土里組成輔助接地網(wǎng)，輔助接地網(wǎng)與接地網(wǎng)串聯(lián)形成接地系統(tǒng)。不考慮主結(jié)構(gòu)鋼筋時(shí)，入地電流的路徑減少，接地系統(tǒng)的接地電阻值增加，導(dǎo)致了接觸電壓、跨步電壓和地電位升的增加。根據(jù)上述分析可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以有效降低接觸電壓、跨步電壓和地電位升，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該考慮。

4 結(jié) 語

針對某500 kV線路改遷工程的GIL管廊接地系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，主要分析了GIL在故障情況下的接觸電壓、跨步電壓、地電位升，研究了入地點(diǎn)個(gè)數(shù)、接地網(wǎng)的入地深度、混凝土電阻率和混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)對接地網(wǎng)特性的影響，結(jié)果表明：

1)入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對接地特性影響很小，一般設(shè)置2個(gè)比較好。

2)接地網(wǎng)的埋設(shè)深度對接地特性影響較大，接地網(wǎng)埋設(shè)越深，接地電阻、接觸電壓和跨步電壓越小，但是綜合成本考慮最好埋設(shè)在GIL管廊底部1.2～1.5 m處。

3)在考慮鋼筋支撐結(jié)構(gòu)的條件下，混凝土電阻率對接地特性影響很大。GIL接地設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略鋼筋主結(jié)構(gòu)對接地系統(tǒng)的影響。