降雨條件下高壓變電站接地系統(tǒng)安全性研究

李俊毅 陳海云

摘要：接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是合理布置接地網(wǎng)中的水平導(dǎo)體，得以均勻?qū)w的電流散流密度以及接地網(wǎng)地表的電位分布，提高導(dǎo)體的利用率，更好地確保人身和設(shè)備安全。本文基于降雨條件下高壓變電站接地系統(tǒng)安全性研究展開(kāi)論述。

關(guān)鍵詞：降雨條件;高壓變電站;接地系統(tǒng)安全性研究

引言

變電站接地系統(tǒng)是變電站的重要安全屏障：良好的接地設(shè)計(jì)可以將故障情況下的過(guò)電流充分流散到大地系統(tǒng)，從而將地電位的升高限制在合理范圍內(nèi)，確保電壓水平在設(shè)備運(yùn)行條件及絕緣水平可承受的范圍內(nèi)，同時(shí)使跨步電壓與接觸電壓均在人員可承受的安全范圍內(nèi)，從而確保變電站運(yùn)維人員的人身安全。

1降雨與土壤電阻率及接地系統(tǒng)安全性的關(guān)聯(lián)關(guān)系

變電站所在區(qū)域的巖土電阻率主要受到水分含量、所形成的電解質(zhì)溶液性質(zhì)及相應(yīng)濃度的影響，通常認(rèn)為土壤的導(dǎo)電形式為離子導(dǎo)電。已有的研究結(jié)果表明，水分含量對(duì)于土壤電阻率有重要影響，通常含水量較高的土壤電阻率較低，而含水量較少的土壤電阻率較高。通常認(rèn)為含水量在 10%以下時(shí)，含水量對(duì)土壤電阻率的影響相對(duì)較大，此時(shí)隨著含水量的增加，土壤電阻率急劇下降：含水量從 2%升高到 10%，土壤電阻率降幅達(dá) 80%以上;而當(dāng)含水量大于 10%時(shí)，例如從 10%增加到 25%時(shí)，土壤電阻率的下降幅度在 90%左右。上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，含水量對(duì)土壤電阻率的影響存在邊際遞減的效應(yīng)，即當(dāng)含水量增加到一定程度時(shí)，同樣的含水量增加值引起的土壤電阻率下降值卻大大減小，也即土壤電阻率的下降過(guò)程存在飽和特征，這主要是因?yàn)橥寥乐械乃执罅繀R集形成導(dǎo)電通道后，水分的繼續(xù)增加對(duì)于增加土壤電阻率導(dǎo)電性能的作用大大減小，因此其對(duì)土壤電阻率的改變作用也開(kāi)始變得微小。盡管含水量對(duì)土壤電阻率的影響存在邊際遞減與飽和效應(yīng)，但是干燥情況下的變電站接地系統(tǒng)表層土壤的電阻率仍然比降雨條件下的土壤電阻率高很多倍。因此，有必要仿真計(jì)算降雨對(duì)上述參數(shù)的影響，獲取降雨對(duì)變電站接地系統(tǒng)安全性的影響規(guī)律。

2不同接地方式對(duì)變電站人員安全的影響

由于天氣影響產(chǎn)生的故障因素，例如雷電、大風(fēng)、冰雹、大雪等惡劣天氣，此時(shí)配電線路極易因?yàn)閿鄺U、斷線、變壓器燒毀、絕緣體熔斷等問(wèn)題出現(xiàn)接地故障。低壓配電系統(tǒng)對(duì)人的電擊危害，往往是電位差而不是電位本身造成的。根據(jù)GB14050《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》，電氣裝置發(fā)生帶電部分與外露可導(dǎo)電部分之間的故障時(shí)，人可接觸部分的交流電壓不可大于 50V（有效值），所配置的保護(hù)電器對(duì)需用手移動(dòng)的設(shè)備應(yīng)能在 0.4s內(nèi)自動(dòng)切斷發(fā)生故障部分的供電，對(duì)配電回路或只給固定設(shè)備供電的末端回路則不能超過(guò)5s。如果不能滿足，則應(yīng)采用總等電位聯(lián)結(jié)或輔助等電位聯(lián)結(jié)措施。對(duì)可能采用分布接地的中、小型變電站，站用低壓配電系統(tǒng)采用在中性線 N與保護(hù)地線 PE在電源側(cè)一點(diǎn)接地的 TN-S方式時(shí)，電源接地點(diǎn)的電位會(huì)沿 PE線傳至用電的所有設(shè)備外殼。為限制可接觸電壓，電源側(cè)接地電阻需滿足 Rw（Ω）≤40～50（V）/Ik（A）的條件。如不能滿足則應(yīng)改變接地方式或通過(guò)細(xì)致的等電位連接消除危險(xiǎn)。局部采用TT制的設(shè)備，因人站立處的電位與設(shè)備外殼相同，電源側(cè)短路不會(huì)對(duì)末端產(chǎn)生危險(xiǎn);但因末端設(shè)備保護(hù)接地電阻 Rw1通常較大，當(dāng)末端發(fā)生相線對(duì)外殼的短路時(shí)，保護(hù)電器多數(shù)難以及時(shí)切除不大的短路電流，規(guī)范要求增設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置或結(jié)合采用等電位聯(lián)結(jié)等間接接觸防護(hù)措施來(lái)滿足要求，高壓交流變電站的高壓部分往往是關(guān)注的重點(diǎn)，實(shí)際高壓變電站的交流低壓系統(tǒng)對(duì)變電站的安全運(yùn)行也起著重要的作用。但高壓變電站有大量高壓電氣設(shè)備而使站內(nèi)電磁環(huán)境大不同于普通民用場(chǎng)合，高壓變電站低壓配電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)變電站的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。高壓變電站低壓交流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前還沒(méi)有獲得應(yīng)有的重視。

3降雨條件下的高壓變電站接地系統(tǒng)安全性

變電站接地系統(tǒng)的接地電阻均隨地表土壤層厚度的增加而減小，但在不同的地表土壤層厚度區(qū)間內(nèi)，其減小的規(guī)律并不一致。按照地表土壤層厚度的區(qū)間不同，可分為3個(gè)區(qū)間進(jìn)行討論分析。①當(dāng)?shù)乇硗寥缹雍穸刃∮诮拥鼐W(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，接地電阻隨地表土壤層厚度的增加而緩慢減小。值得注意的是，降雨條件下的土壤電阻率更低，從而導(dǎo)致在該區(qū)段內(nèi)接地電阻的下降更多。這主要是因?yàn)榱鹘?jīng)地網(wǎng)的故障大電流會(huì)從地表低阻層通過(guò)，低阻層的土壤電阻率與厚度越大，則對(duì)電流流通的分散作用越大，因而使得接地電阻的降低越明顯。②當(dāng)?shù)乇硗寥缹雍穸扰c接地網(wǎng)埋設(shè)深度接近時(shí)，接地電阻會(huì)有一個(gè)快速短暫的減小過(guò)程，并且變化過(guò)程中接地電阻變化量大小與土壤電阻率有關(guān)。土壤電阻率越低，則這個(gè)變化量越大，因此降雨條件下的土壤電阻率的減小量明顯比干燥條件下的減小量大。產(chǎn)生上述急劇變化的原因是地表低阻層厚度大于接地網(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，地網(wǎng)將處于地租層中，此時(shí)流經(jīng)地網(wǎng)的故障大電流可以從地租層形成泄流通道，因此接地電阻急劇降低。③當(dāng)?shù)乇硗寥缹雍穸却笥诮拥鼐W(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，接地電阻同樣隨著地表土壤層厚度的增加而減小，但土壤電阻率小時(shí)，接地電阻降低的幅度更大，也即降雨條件下變電站接地電阻的減小幅度比干燥條件下的減小幅度更大。

當(dāng)?shù)乇淼妥鑼拥暮穸鹊陀诮拥鼐W(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，接觸電壓將隨土壤電阻率的減小而增加，當(dāng)電阻率較小時(shí)，地表低阻層將導(dǎo)致接觸電壓的增幅超過(guò) 40%。而當(dāng)?shù)妥鑼拥暮穸却笥诮拥鼐W(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，接觸電壓則隨著低阻層電阻率的減小而減小。降雨條件下跨步電壓隨地表電阻的減小而減小，且此時(shí)受到影響的土壤層越薄，則影響程度越小。例如，當(dāng)?shù)乇淼妥鑼拥碾娮杪蕿?10Ω·m且地表土壤層厚度為 0.1m時(shí)，接觸電壓比正常情況下的接觸電壓增加 40%左右，但是降雨條件下土壤層厚度為 1.25m且電阻率保持不變時(shí)，接觸電壓只有正常情況下接觸電壓的 35%左右。

根據(jù)某 220kV變電站進(jìn)行抽象建模，利用數(shù)值仿真的方法，研究了降雨條件下的高壓變電站接地系統(tǒng)安全性。仿真結(jié)果表明：①降雨條件下，地表土壤層厚度從地網(wǎng)上表面跨越變化到地網(wǎng)下表面時(shí)，會(huì)引起接地電阻的快速短暫變化過(guò)程，且降雨條件下的土壤電阻率越低，則接地電阻減小的幅度越大。②地表低阻層厚度小于接地網(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，接觸電壓高于正常情況時(shí)的接觸電壓，且其影響隨著低阻層電阻率的減小而增大。當(dāng)?shù)妥鑼雍穸却笥诮拥鼐W(wǎng)埋設(shè)深度時(shí)，接觸電壓隨低阻層電阻率的減小而減小，且低于正常情況下的接觸電壓。③降雨形成的地表低阻層有利于減小跨步電壓，對(duì)人身安全有利，但是其可能引起接觸電壓的上升，因而增加安全隱患，必須加以防范。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，如果泄流不順，反擊會(huì)造成二次設(shè)備或電纜絕緣層被擊穿，高壓、脈沖電流竄入變電站綜自保護(hù)系統(tǒng)，使得保護(hù)設(shè)備可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等故障，導(dǎo)致停電、設(shè)備損毀等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面社會(huì)影響。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障或有大電流入地時(shí)，如果變電站接地網(wǎng)電阻較大，則可能會(huì)造成地電位異常升高，危害設(shè)備及運(yùn)檢人員的安全。為了有效保護(hù)變電站內(nèi)電氣設(shè)備及運(yùn)檢人員的安全，保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，減少由于雷擊及其他故障大電流造成的危害，將變電站接地電阻限制在一定水平是昀有效的方法。因此，變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)尤為重要。變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)首先根據(jù)變電站昀大運(yùn)行方式下的入地電流和土壤電阻率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行接地計(jì)算，選擇合適的接地材料和接地網(wǎng)敷設(shè)方式。若常規(guī)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足接地電阻要求，可參照變電站布置型式參考條件適當(dāng)放大需求值，并校驗(yàn)跨步、接觸電勢(shì)。

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