某變電站接地系統(tǒng)研究

吳尚志，佟衛(wèi)波，孟 慶

(1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2.國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130051)

變電站的接地系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 80《交流變電站接地安全導(dǎo)則》中的要求，安全接地設(shè)計(jì)的目的：提供在正常和故障情況下將電流導(dǎo)入大地的方式，而且這種方式?jīng)]有超過(guò)任何操作和設(shè)備的限制或?qū)\(yùn)行的連續(xù)性造成不利影響，確保接地設(shè)施附近的人不遭受危險(xiǎn)性的電擊。變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮不周的直接后果是導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與接地系統(tǒng)建設(shè)完成后的實(shí)測(cè)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，剛建成的接地系統(tǒng)還沒(méi)有投入運(yùn)行就要進(jìn)行接地改造，延誤變電站建設(shè)工期，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；另外，若無(wú)法正確估計(jì)變電站的最大接觸電勢(shì)和跨步電壓，有可能造成人身安全事故,因此，開(kāi)展接地技術(shù)的研究是變電站工程設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵和核心問(wèn)題。目前我國(guó)電力工程進(jìn)行接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)絕大部分是根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用均勻土壤電阻率模型進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際工程中土壤電阻率是不均勻的，工程場(chǎng)地的不同深度及不同部位土壤電阻率經(jīng)常會(huì)發(fā)生較大變化，如果根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的均勻土壤電阻率模型進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)際實(shí)測(cè)值較大偏差。

本文主要包括如下4個(gè)方面內(nèi)容：某變電站站址土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的研究；接地故障時(shí)人體允許接觸電勢(shì)和跨步電壓的研究；該變電站接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究；根據(jù)上述原則確定接地體選擇和布置后，通過(guò)CDEGS接地軟件，對(duì)本站的接地網(wǎng)作進(jìn)一步的計(jì)算和分析。通過(guò)分析土壤不均勻性對(duì)接地系統(tǒng)性能的影響，確定并優(yōu)化接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和形狀，提出技術(shù)經(jīng)濟(jì)上最為合理的變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 土壤模型分析

1.1 土壤電阻率

根據(jù)本工程業(yè)主提供的PER2017-0317ACRev0《巖土工程勘察報(bào)告》，變電站的位置坐標(biāo)在整個(gè)光伏發(fā)電場(chǎng)的探測(cè)點(diǎn)編號(hào)42位置處，電阻率的測(cè)量采用對(duì)稱(chēng)四極法[1]，測(cè)量接線見(jiàn)圖1。

圖1 對(duì)稱(chēng)四極法測(cè)量接線

通過(guò)改變極間距ae和ai，可以得到相應(yīng)電流電壓法的電壓U與電流I數(shù)值，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果，利用公式計(jì)算得到相應(yīng)的視在電阻，本工程每個(gè)點(diǎn)垂直測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向，分別按東西和南北方向，極距采用2,4,8,16,32,64和96 m。根據(jù)報(bào)告中探測(cè)的數(shù)值用CDEGS軟件中土壤電阻率分析模塊進(jìn)行建模。考慮到測(cè)量值取垂直的兩個(gè)方向，輸入數(shù)據(jù)取對(duì)于不同的極距取兩個(gè)方向的平均值。土壤分析模型中輸入模塊見(jiàn)圖2。

圖2 土壤分析模型輸入模塊

1.2 土壤模型分析

CDEGS軟件可以在正常、故障、雷電和暫態(tài)條件下計(jì)算地上或者地下任意位置的帶電導(dǎo)線組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地電位、導(dǎo)線電位和電磁場(chǎng)。該軟件含有多個(gè)實(shí)用分析模塊，可以進(jìn)行多種電力系統(tǒng)問(wèn)題的分析研究，該軟件目前在國(guó)際上應(yīng)用較廣[2]。本研究通過(guò)CDEGS土壤分析模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算生成曲線見(jiàn)圖3。

圖3 土壤模型分析結(jié)果

從圖3可以得出,變電站現(xiàn)場(chǎng)各層平均土壤電阻率見(jiàn)表1。

根據(jù)表1可以模擬出不同土壤電阻率土壤分層厚度及各個(gè)厚度的土壤電阻率平均值。

表1 土壤電阻率分層分析結(jié)果

2 接觸電勢(shì)和跨步電壓計(jì)算

2.1 人體允許的接觸電勢(shì)和跨步電壓

接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的目的就是提供在正常和故障情況下將電流導(dǎo)入大地的方式，確保接地設(shè)施附近的人不遭受危險(xiǎn)性電擊。流經(jīng)人體重要部位的電流影響程度取決于電流的大小、持續(xù)時(shí)間和頻率。最危險(xiǎn)的后果是電流流經(jīng)心臟產(chǎn)生心室纖維性顫動(dòng)，導(dǎo)致循環(huán)的突然停止。在人體通過(guò)60～100 mA的電流等級(jí)時(shí)，心室纖維性顫動(dòng)，可能發(fā)生心臟停止跳動(dòng)或呼吸停止，導(dǎo)致受傷或死亡。根據(jù)引起心室纖維性顫動(dòng)的臨界值，精心設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)，使得電擊時(shí)電流值能夠保持在該值以下，那么就可以避免損傷或死亡事件。在持續(xù)0.03～3.00 s的范圍內(nèi)，通過(guò)人體的電流IB的大小與被身體吸收的能量有關(guān)，公式如下：

SB=(IB)2×ts

(1)

式中：IB為通過(guò)人體電流有效值；ts為電流流經(jīng)身體的持續(xù)時(shí)間；SB為給定人數(shù)中一定百分?jǐn)?shù)的人中能承受的電擊能量相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

在體重約50 kg的人中，99.5%都能承受的SB的值約為0.013 5 A2·s，因此，身體所允許的電流值公式為：

(2)

當(dāng)ts=1 s時(shí)，IB=116 mA；當(dāng)ts=0.1 s時(shí)，IB=367 mA。在體重約70 kg的人中，99.5%都能承受的電擊能量SB的值約為0.024 6 A2·s，因此，身體所允許的電流值公式為：

(3)

人身的安全取決于防止吸收故障被切除前臨界電擊能量，當(dāng)故障電流流經(jīng)人體時(shí)，經(jīng)過(guò)土壤表層以及表層以下的土壤電阻，構(gòu)成了故障回路，因此，人體能夠承受電壓還與人體的電阻、土壤表層電阻率以及表層衰減系數(shù)有關(guān)[3]。人體的內(nèi)部電阻值大約為300 Ω，包括皮膚在內(nèi)的人體電阻值從500～3 000 Ω不等。按照國(guó)際通用規(guī)范，人體接地電阻取值1 000 Ω，根據(jù)IEEE Std 80中的發(fā)生接地故障時(shí)，故障回路分析得出的公式如下。

對(duì)于體重50 kg的人，跨步電壓限值：

(4)

式中：Cs為表層衰減系數(shù)；ρs為地表層土壤電阻率。

對(duì)于體重70 kg的人，跨步電壓限值：

(5)

同理，對(duì)于體重50 kg的人接觸電位的限值為：

(6)

對(duì)于體重70 kg的人接觸電位的限值為：

(7)

根據(jù)保守安全的原則，本工程接觸電勢(shì)和跨步電壓均取50 kg的人作為限值。

表層衰減系數(shù)按照下面公式進(jìn)行計(jì)算。

Cs=1-0.09(1-ρ/ρs)/(2hs+0.09)

(8)

式中hs為表層土壤厚度。

由表1可知，土壤電阻率取9.210 193 Ω·m，土壤表層電阻率取1 012.520 Ω·m，表層土壤厚度為2.4 m。代入公式(8)有Cs=0.982。

2.2 接地短路(故障)電流的持續(xù)時(shí)間

IEEE Std 80 中規(guī)定，切除故障的時(shí)間取主保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間或者后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，在主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)切除故障對(duì)人體的危害要小很多，從設(shè)計(jì)安全的角度出發(fā)，取后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)接地網(wǎng)更保守一些，因此接地安全設(shè)計(jì)切除故障時(shí)間取后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間即斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。ts可按下式取值：

ts≥tm+tf+to

(9)

式中：tm為主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；tf為斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；to為斷路器開(kāi)斷時(shí)間。

本工程220 kV主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約為15～20 ms，斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約為0.4 s，斷路器開(kāi)斷時(shí)間目前暫按50 ms，因此切除故障電流的時(shí)間t約為0.47 s，ts時(shí)間可取0.5 s。

2.3 接觸電勢(shì)和跨步電壓的計(jì)算

根據(jù)前兩節(jié)的分析，按照保守考慮，接觸電位和跨步電位允許值均按照50 kg的人體來(lái)考慮。Cs計(jì)算值為0.982，土壤表層電阻率為1 012.520 Ω·m，故障切除時(shí)間按照0.5 s考慮，將上述數(shù)值代入公式(4)和公式(6)，可以計(jì)算出體重50 kg人的跨步電壓和接觸電勢(shì)的允許值。

用CDEGS建立接地網(wǎng)模型，進(jìn)行接觸電勢(shì)和跨步電壓允許值的計(jì)算。接地網(wǎng)模型見(jiàn)圖4。

通過(guò)計(jì)算，在0.5 s清除故障，表層土壤電阻率(即第1層)1 012.520 Ω·m的條件下，接觸電勢(shì)和跨步電壓的允許值見(jiàn)表2。

圖4 接地模型布置

表2 接觸電勢(shì)和跨步電壓的允許值 V

根據(jù)系統(tǒng)資料，本工程單相接地故障電流是5 kA，土壤電阻率模型如1.2 節(jié)分析計(jì)算時(shí)，變電站廠區(qū)跨步電壓分布范圍是0.647～583.433 V。

在跨步電壓允許值為1 132.2 V的條件下，跨步電壓的二維色塊見(jiàn)圖5。

圖5 跨步電壓允許值為1 132.2 V時(shí)的二維色塊

由圖5可見(jiàn)，該變電站的在正常地面條件下，跨步電壓滿足安全允許值的要求，無(wú)須鋪設(shè)專(zhuān)門(mén)的瀝青路面、碎石等高電阻率表層路面措施。

在相同模型下，計(jì)算該變電站的接觸電勢(shì)，接觸電勢(shì)控制在該變電站內(nèi)部及變電站金屬?lài)鷻谕? m。接觸電勢(shì)計(jì)算結(jié)果為102.60～2 445.27 V。

考慮接觸電勢(shì)的允許值為398.9 V，通過(guò)在允許值限制的條件下的二維色塊顯示，整個(gè)變電站區(qū)域的接觸電勢(shì)范圍是603.54～2 445.27 V。整個(gè)變電站的接觸電勢(shì)均無(wú)法滿足安全允許值的要求，因此全站需要鋪設(shè)碎石作為高土壤電阻率操作地坪。設(shè)置碎石后，表層土壤電阻率按照5 000 Ω·m計(jì)算，此時(shí)接觸電勢(shì)的允許值帶入公式(6)，可以計(jì)算允許值為1 193.5 V。在此允許值下計(jì)算該變電站接觸電勢(shì)的范圍是1 316.66～2 445.27 V。

該變電站區(qū)域內(nèi)部，在網(wǎng)孔較大區(qū)域，站區(qū)的圍欄處也不滿足接觸電勢(shì)允許值要求，仍有部分接觸電壓超出了允許值范圍，因此，需要加密接地導(dǎo)體的網(wǎng)格。將接地導(dǎo)體的網(wǎng)格加密后，接觸電勢(shì)的仿真計(jì)算結(jié)果為1 285.95～2 117.95 V，變電站內(nèi)部區(qū)域均滿足接觸電勢(shì)的要求。適當(dāng)加大接地網(wǎng)格的密度，可以在敷設(shè)碎石地面的前提下保證全站的接觸電勢(shì)在安全允許值范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過(guò)CDEGS軟件計(jì)算分析，可以仿真土壤不同深度的分層土壤電阻率，更接近于工程實(shí)際情況。當(dāng)工程中接觸電勢(shì)不滿足允許值要求時(shí)，需要鋪設(shè)高阻抗操作地面，在采取高阻抗操作地坪的條件下，如果接地網(wǎng)布置不均勻，需要調(diào)整接地導(dǎo)體的數(shù)量，降低網(wǎng)孔的大小，保證接地網(wǎng)的各個(gè)位置滿足接地計(jì)算的要求。