變電站接地網(wǎng)入地故障電流的研究

遠(yuǎn) 飛

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214153）

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，根據(jù)歐姆定律，大電流乘以較大的接地電阻，會(huì)造成地電位升高，從而危害設(shè)備及人員安全。為了有效保護(hù)變電站的電氣設(shè)備和人員安全，保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，將變電站接地電阻限制在一定水平是很必要的。然而需要把接地電阻限制到多大，與入地故障電流的大小有關(guān)系。下面就不同的接地系統(tǒng)，給出接地電阻的要求和入地故障電流的計(jì)算方法[1-2]。

1 變電站對(duì)接地電阻的要求

當(dāng)發(fā)生雷擊或者短路故障時(shí)，將有較大的入地電流產(chǎn)生，由于接地電阻的存在，則在變電站會(huì)產(chǎn)生較大幅度的地電位升高。地電位升高則會(huì)危及設(shè)備和人員安全，所以對(duì)接地電阻的大小有所限制。系統(tǒng)的接地方式不同，對(duì)接地電阻的要求不同，下面分兩大類(lèi)分析對(duì)接地電阻的要求。

1.1 有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)[3]

交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T50065- 2011給出的公式是：

公式中R 為接地電阻，IG為計(jì)算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱(chēng)電流有效值。

公式中的分子為2000，2000 V 是電纜和低壓儀表以及微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的耐壓水平。電纜的屏蔽層和設(shè)備的外殼都已接地，如果地電位升高到2000 V 以上，則可能擊穿電纜和設(shè)備的內(nèi)絕緣。當(dāng)變電站的接地網(wǎng)電阻很難達(dá)到這個(gè)公式的要求時(shí)，可以采取一些措施，則只要滿足下式就可以了：

具體措施為：1）保護(hù)接地接至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器的低壓側(cè)，應(yīng)采用TN 系統(tǒng)，且低壓電氣裝置應(yīng)采用保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)接地系統(tǒng)。2）采用扁銅與二次電纜屏蔽層并聯(lián)敷設(shè)。扁銅至少在兩端就近與接地網(wǎng)連接。當(dāng)接地網(wǎng)為鋼材時(shí)，防止銅鋼連接產(chǎn)生腐蝕。扁銅較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)多點(diǎn)與接地網(wǎng)連接。二次電纜屏蔽層兩端就近與扁銅連接。3）評(píng)估計(jì)入短路電流非周期分量的接地網(wǎng)電位升高條件下，金屬氧化物避雷器吸收能量的安全性。4）可能將接地網(wǎng)的高電位引向變電站外或?qū)⒌碗娢灰蜃冸娬緝?nèi)的設(shè)備，采取防止轉(zhuǎn)移電位引起危害的隔離措施。5）驗(yàn)算接觸電位差和跨步電位差，并通過(guò)實(shí)測(cè)加以驗(yàn)證。

1.2 不接地、諧振接地和高電阻接地系統(tǒng)[3]

不接地、諧振接地和高電阻接地系統(tǒng)的接地電阻要滿足下式要求：

公式中Ig為計(jì)算用的接地網(wǎng)入地對(duì)稱(chēng)電流，不接地、諧振接地和高阻接地系統(tǒng)單相接地故障后可以繼續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)非周期分量已經(jīng)衰減至零，不需要考慮非周期分量，所以公式中不再使用入地不對(duì)稱(chēng)電流IG。

2 諧振接地系統(tǒng)入地故障電流Ig

對(duì)于諧振接地系統(tǒng)Ig的算法分為兩類(lèi)：本站裝有消弧線圈；本站沒(méi)裝消弧線圈。

2.1 本站裝有消弧線圈

圖1 站內(nèi)安裝消弧線圈

正常運(yùn)行時(shí)，本站中性點(diǎn)電位為零，地電位也為零，消弧線圈中沒(méi)有電流流過(guò)。如圖1 所示，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障，本站中性點(diǎn)電位變還是零，消弧線圈兩端有的壓降，且方向向上，所以消弧線圈上產(chǎn)生的電流，其中XL為消弧線圈的電抗。IC為系統(tǒng)的電容電流，變電站消弧線圈通常過(guò)補(bǔ)償倍數(shù)為1.35，即。再取1.25的裕度系數(shù)，所以，即本站如果裝消弧線圈，則接地網(wǎng)的接地電阻需滿足：

2.2 本站沒(méi)裝消弧線圈

本站沒(méi)有接消弧線圈，如圖2 所示，則入地電流為Ig=Id=IC- IL，并要求Ig為系統(tǒng)中斷開(kāi)最大一套消弧線圈或系統(tǒng)中最長(zhǎng)線路被切除時(shí)的最大可能殘余電流。

圖2 站內(nèi)沒(méi)裝消弧線圈

3 大電流接地系統(tǒng)入地故障電流IG[4- 5]

關(guān)于IG的計(jì)算分為變電站內(nèi)短路和變電站外短路兩種情況進(jìn)行分析，如圖3、圖4 所示。

3.1 變電站內(nèi)短路

圖3 變電站內(nèi)短路圖

變電站內(nèi)發(fā)生單相接地故障，把接地網(wǎng)看作一個(gè)廣義的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電流有四個(gè)，分別為單相接地故障電流Imax、流向中性點(diǎn)的電流In、流向避雷線的電流和通過(guò)接地網(wǎng)流入大地的電流Ig，由基爾霍夫電流定律，有：

其中，Sf1為變電站內(nèi)接地故障時(shí)的分流系數(shù)，與避雷線分流系數(shù)的和為1，即流向避雷線的電流為（Imax- In）（1- Sf1）。

3.2 變電站外短路

圖4 變電站外短路圖

同樣，把接地網(wǎng)看作廣義的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電流有三個(gè)，分別是中性點(diǎn)電流In、避雷線的電流和入地電流Ig。與站內(nèi)短路不同的是，避雷線電流和入地電流的方向變了。站內(nèi)短路時(shí)，短路電流流進(jìn)接地網(wǎng)，以三個(gè)分支流出接地網(wǎng)。而站外短路，短路電流沒(méi)有直接流進(jìn)或流出接地網(wǎng)，而是通過(guò)避雷線與大地有部分電流流到變電站的接地網(wǎng)，然后通過(guò)變電站的中性點(diǎn)進(jìn)入線路流回到短路點(diǎn)。由基爾霍夫電流定律，In= 避雷線電流+Ig，

Sf2為變電站外接地故障時(shí)的分流系數(shù)，避雷線電流為In（1- Sf2）。

3.3 由Ig 計(jì)算IG

根據(jù)交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范GB50065-2011 附錄B.0.1 第3 款[3]，

4 結(jié)論

本文介紹了各類(lèi)接地系統(tǒng)對(duì)接地電阻的要求，對(duì)入地故障電流進(jìn)行了相關(guān)分析計(jì)算。通過(guò)接地系統(tǒng)示意圖，著重分析了直接接地系統(tǒng)與諧振接地系統(tǒng)接地網(wǎng)入地故障電流的計(jì)算，直觀明了。