基于CDEGS的220 kV戶內(nèi)變電站接地網(wǎng)設(shè)計

許 彥，韓 暉

（國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司徐州勘測設(shè)計中心，江蘇 徐州 221000）

0 引言

近年來，伴隨氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）的大量普及、沿海發(fā)達地區(qū)的變電站用地指標愈發(fā)緊張，城市變電站的占地面積變得越來越小；同時城市電網(wǎng)日益緊密，入地短路電流越來越大，導致小面積接地網(wǎng)與大入地短路電流在接地網(wǎng)設(shè)計上存在突出矛盾。占地面積小還意味著采用戶內(nèi)變電站設(shè)計的可能性越來越大，根據(jù)GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》要求，GIS 置于建筑物內(nèi)時，主接地網(wǎng)宜采用銅或銅覆鋼材［1］，因此變電站接地費用大幅上升。

江蘇電網(wǎng)主要采用國家電網(wǎng)有限公司220 kV通用設(shè)計方案A3-2［2］。由于接地網(wǎng)的設(shè)計需要考慮變電站的土壤電阻率等外部環(huán)境變量，通用設(shè)計方案一般不會給出具體的接地設(shè)計方案。設(shè)計時一般采用等間距水平接地網(wǎng)設(shè)計，該類設(shè)計對變電站邊緣地帶的接觸電勢限制較小。而不等間距接地網(wǎng)通過在邊緣地帶布置更密的水平接地網(wǎng)，可以對接觸電勢起到很好的限制效果。因此，研究不等間距接地網(wǎng)及其最佳壓縮比和網(wǎng)孔尺寸意義重大。同時，主接地網(wǎng)節(jié)點處滿布短垂直接地極對于變電站的接地效果應進行重新評估；打長垂直接地極對于降低接觸電勢和接地電阻的效果較好，但深度與根數(shù)則需要進一步探討；接地電阻一直以來是接地網(wǎng)安全評估的重要指標，但是單純降低接地電阻會造成極大的工程浪費，如何在保證人身和設(shè)備安全的前提下降低對接地電阻的要求值得深入討論。

基于CDEGS 軟件對上述內(nèi)容進行了仿真分析和計算，給出了優(yōu)化設(shè)計方案、優(yōu)化效果和投資估算，推薦方案滿足各項安全指標且優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計方案。

1 主接地網(wǎng)假設(shè)條件

各地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)差異性很大，以江蘇平原地區(qū)常見的土壤結(jié)構(gòu)［3］作為研究對象建立土壤分層結(jié)構(gòu)模型，利用CDEGS 仿真平臺Resap 模塊，建立土壤水平三層模型，如圖1 所示。并利用現(xiàn)有工程測量數(shù)據(jù)假定各層土壤電阻率，如表1所示。

圖1 土壤水平分層結(jié)構(gòu)模型

表1 各層土壤電阻率 單位：Ω·m

仿真條件設(shè)計為：220 kV A3-2 方案采用半戶內(nèi)布置，220 kV GIS、二次設(shè)備室、10 kV 無功補償裝置布置在220 kV 生產(chǎn)綜合樓，110 kV GIS、10 kV 開關(guān)柜、二次設(shè)備室及功能用房布置在110 kV 生產(chǎn)綜合樓，主變壓器布置在兩棟生產(chǎn)綜合樓之間。變電站長為100.5 m，寬為85 m，占地面積8 542.5 m2，總平面布置如圖2所示。

圖2 220 kV A3-2方案總平面布置

其中，220 kV側(cè)8回出線中有6回為架空線，2回為電纜；110 kV側(cè)14回出線中有10回為架空線，4回為電纜；10 kV 側(cè)36 回出線全為電纜，故障電流水平40 kA，考慮中性點流經(jīng)的故障電流和避雷線分流系數(shù)后，取入地故障電流18 kA。土壤水平分層平均電阻率詳見表1；水平接地體采用150 mm2銅絞線（埋深0.8 m），垂直接地體采用直徑為20 mm 銅覆鋼棒；短路等效時間為0.7 s。

2 接地設(shè)計要求

在接地網(wǎng)的設(shè)計中，評判接地網(wǎng)安全性能主要指標包括接地電阻、接觸電勢、跨步電壓、接地網(wǎng)與大地零電位點之間的電位差（Ground Potential Rise，GPR）、接地網(wǎng)電位差（Ground Potential Difference，GPD）等。

2.1 接地電阻

根據(jù)DL∕T 621—1997《交流電氣裝置的接地》和GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，有效接地系統(tǒng)的接地網(wǎng)接地電阻應滿足式（1）要求［4］。

式中：R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻；IG為計算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流有效值。

當不符合式（1）的要求時，可通過技術(shù)經(jīng)濟比較適當增大R，使接地網(wǎng)地電位升高至5 kV。

2.2 接觸電勢與跨步電壓

接觸電勢與跨步電壓直接關(guān)系到人身安全。提高表層土壤電阻率，可提高人體與地面間的接觸電阻，使流過人體的電流減小。IEEE Std80—2000 計算50 kg人體允許的跨步電壓Us50和允許的接觸電勢Ut50［5］為

式中：Cs為表層衰減因數(shù)；ρs為地表處的電阻率，Ω·m；hs為地表鋪設(shè)層的厚度，m；ρ為地表鋪設(shè)層下面土壤電阻率，Ω·m；ts為接地短路持續(xù)時間，s。

GB 50065—2011推薦用式（3）。

對兩者的計算結(jié)果進行比較，GB 50065—2011對安全電壓的計算結(jié)果均明顯大于IEEE Std80—2000 的計算結(jié)果［6-7］，因此本方案采用更加安全和靈活的IEEE Std80—2000 公式來驗算跨步電壓和接觸電勢安全限值。

3 主接地網(wǎng)傳統(tǒng)設(shè)計

主接地網(wǎng)初始設(shè)計如圖3 所示，在變電站水平方向布置了11 根長導體，豎直方向布置13 根長導體，間距均為8 m，總長2 162 m，埋深為0.8 m；水平地網(wǎng)交接處打入長度為2.2 m的垂直接地極，共60根。

經(jīng)Resap 模塊測算，變電站整體的電阻率為70 Ω·m，初始設(shè)計方案的接地電阻為0.388 Ω，最大GPR 值為6.98 kV。最大接觸電勢達1 054 V，最大GPD 值為258.6 V，最大跨步電壓達349 V。其中，從圖3（b）和圖3（c）中看到接觸電勢出現(xiàn)的峰值主要位于邊緣網(wǎng)格。

經(jīng)校核，表1所示土壤條件下IEEE Std80—2000要求的接觸電勢和跨步電壓安全值分別是143 V 和157 V（GB 50065—2011要求分別為212 V和226 V）。根據(jù)文獻［8］，采用碎石、瀝青混凝土或卵石的高電阻率路面結(jié)構(gòu)層時，其厚度一般為15～35 cm。電阻率可取2 500 Ω·m，則IEEE Std80—2000 要求的接觸電位差和跨步電位差安全值分別為612.1 V 和2 088.3 V（GB 50065—2011 要求分別為681.5 V 和2 157.6 V）。兩個標準中的接觸電勢安全值均小于初始設(shè)計中得到的最大接觸電勢1 054 V，說明該接地設(shè)計不達標，須進行優(yōu)化設(shè)計。

圖3 初始接地網(wǎng)設(shè)計

4 主接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及仿真計算

4.1 水平接地體

4.1.1 接地體網(wǎng)格密度對接觸電勢的影響

初始設(shè)計采用8 m 的網(wǎng)格密度無法將最大接觸電勢控制在安全值以下，現(xiàn)利用CDEGS 軟件研究網(wǎng)格密度對接地各指標的影響。從接地電阻、GPR 值、接觸電勢、跨步電壓4 個維度，對等間距布置下不同網(wǎng)格尺寸時仿真得到的960 個地表電位觀測點的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2 所示，并得到網(wǎng)格密度對最大接觸電勢的影響如圖4所示。

表2 等間距布置下不同網(wǎng)格尺寸的仿真對比

圖4 網(wǎng)格密度對最大接觸電勢的影響

從表2 和圖4 看出，最大接觸電勢的下降斜率隨著網(wǎng)格越來越密，變化愈來愈緩。因此，持續(xù)用增加網(wǎng)格密度的方法來降低最大接觸電勢，初期效果明顯，后續(xù)性價比逐漸降低。

4.1.2 不等間距接地網(wǎng)及最優(yōu)壓縮比

由圖1（c）看出接觸電勢出現(xiàn)的峰值主要位于邊緣網(wǎng)格，這是由于接地體之間存在互感，互感使看似等間距的接地網(wǎng)實際散流不均，中心網(wǎng)格的散流密度比邊緣網(wǎng)格的散流密度小很多，使等間距水平接地網(wǎng)地表電位分布不勻，呈現(xiàn)中間高、邊緣低的結(jié)果，而電位梯度變大導致接觸電勢變大，對人身安全造成威脅［9］。

為減小地表電位分布不均對接觸電勢的影響，可采用不等間距水平接地網(wǎng)，增大中心網(wǎng)格的大小，減小邊緣網(wǎng)格的大小，使地表電位分布均勻。

因此，不等間距接地網(wǎng)壓縮比的選取成為關(guān)鍵核心，壓縮比是表征接地網(wǎng)導體間距的均勻程度。文獻［10］對壓縮比的求法做了詳細介紹，設(shè)中心網(wǎng)孔導體間距為dmax，則距離中心網(wǎng)孔為n級的網(wǎng)孔導體間距為

式中：C為壓縮比，通常取不大于1的常數(shù)，代表接地網(wǎng)間距的均勻程度。C越大，導體間距越均勻，C取1時為等間距布置。

長度為L的接地網(wǎng)邊長上分布N個導體時，中心網(wǎng)孔間距的計算式為［11］：

當接地網(wǎng)的邊長和導體根數(shù)確定時，理論上存在最優(yōu)壓縮比。利用CDEGS 軟件計算在不同壓縮比下的接地電阻、GPR 值、接觸電勢、跨步電壓，如表3所示。

表3 不等間距接地網(wǎng)不同壓縮比下的仿真對比

為了更直觀地展現(xiàn)接地電阻隨壓縮比變化的規(guī)律，繪制壓縮比對接觸電勢和接地電阻的影響曲線，如圖5 所示。接地電阻在壓縮比為0.5 時達到最小值，最大接觸電勢在壓縮比為0.5～0.6 時達到最小值，因此可選0.5為不等間距接地網(wǎng)的最優(yōu)壓縮比。

圖5 壓縮比對接地網(wǎng)設(shè)計的影響

4.1.3 不等間距布置的優(yōu)化效果

為體現(xiàn)不等間距布置的優(yōu)化效果，對水平接地網(wǎng)的等間距布置和不等間距布置（C取0.5）進行仿真對比，結(jié)果見表4。

表4 等間距與不等間距仿真對比

分析表4可知：

1）水平接地網(wǎng)在等間距布置下的接地電阻為0.397 Ω，在不等間距布置下為0.393 Ω，優(yōu)化效果不明顯；GPR 值降為7.07 kV，減小了80 V，優(yōu)化效果不明顯。

2）最大接觸電勢在等間距布置下為1 201 V，在不等間距布置下為797 V，減小了404 V，接近33.6%，優(yōu)化效果顯著，這主要源于不等間距水平接地體對于降低接地網(wǎng)邊緣處的接觸電勢效果明顯。

3）在不等間距布置下最大跨步電壓增大了63 V?？紤]到鋪設(shè)卵石后，人體可承受的跨步電壓為2 157.6 V，不等間距布置下的跨步電壓依然滿足人體允許的跨步電壓安全值。

因此，不等間距布置水平接地網(wǎng)在不增加接地極長度的情況下，選取最佳壓縮比，可有效降低接觸電勢達33.6%。

4.2 垂直接地極

4.2.1 復合接地網(wǎng)的物理模型

傳統(tǒng)設(shè)計在水平接地網(wǎng)的連接處均打入長度不超過2.5 m 的垂直接地極，為了確定垂直接地體對降低接地網(wǎng)總接地電阻的作用，可將帶垂直電極的接地網(wǎng)視為一個厚度為a的圓盤（可以理解為水平接地網(wǎng)下敷設(shè)很多長度為a的垂直接電極）。由于a遠小于水平接地網(wǎng)的半徑b，圓盤可以近似為半個扁球體，其短半徑為a，長半徑為b。

只有水平接地體的接地電阻R1為

式中：A為圓盤的面積。

通過等位面和特定曲面組相吻合的電場解法可得，復合接地網(wǎng)類似圓盤體的接地電阻R2為［12］

打短垂直接地體對整個復合接地網(wǎng)的作用，可以通過式（9）說明。

從式（9）可看出，在大中型接地網(wǎng)中，伴隨a與b的差距越來越大，將趨近于1，意味著水平接地網(wǎng)的接地電阻與復合接地網(wǎng)的接地電阻趨于相同，短垂直接地極沒有發(fā)揮作用。根據(jù)文獻［12］所述，短垂直接地極實際作用僅能做出2%～8%的貢獻，大部分的垂直接地體都因相互屏蔽而不能發(fā)揮作用。

4.2.2 長垂直接地極

由于a?b，打入短垂直接地極無意義，須探討打長垂直接地體對于降低接觸電勢和接地電阻的作用。

針對不同壓縮比，各自疊加4 根40 m 長垂直接地極進行了仿真對比，結(jié)果如表5所示。對比表5和表3，發(fā)現(xiàn)疊加長垂直接地極后，水平地網(wǎng)的最佳壓縮比變?yōu)?.6。

壓縮比為0.6時，不同長度長垂直接地極的技術(shù)經(jīng)濟指標如表6 所示。長垂直接地極可以顯著降低各特性參數(shù)值，4 根40 m 的長垂直接地極可將接觸電勢控制在558 V，降低接觸電勢達24.6%，同時滿足GB 50065—2011 和IEEE Std80—2000 的安全要求。

接地極長度均設(shè)為40 m，接地極數(shù)量不同時的仿真對比如表7 所示，對比表7 與表6 可以發(fā)現(xiàn)：接地極數(shù)量越多，降阻和降壓效果越好，但隨接地極數(shù)量的增加、接地極間距的縮短，會產(chǎn)生一定屏蔽作用［13］，同樣達到240 m 的總長度，4 根60 m 的長垂直接地極可以將接觸電勢降至484 V，6 根40 m 的長垂直接地極只能降低至529 V。

因此，增加接地極長度比增加接地極數(shù)量降阻效果更好［14］?？紤]長垂直接地極間的距離不宜小于2 倍長垂直接地極的長度，在寬度僅85 m、長度僅100 m 的變電站設(shè)置4 根40 m 的長垂直接地極是合理的。

表5 4根40 m垂直接地極在不同壓縮比下的仿真對比

表6 對4根不同長度的長垂直接地極的仿真對比（C=0.6）

表7 對不同根數(shù)40 m垂直接地極的仿真對比（C=0.6）

綜上，在壓縮比為0.6 的不等間距接地網(wǎng)下，通過加裝不同長度、不同根數(shù)長垂直接地極的仿真發(fā)現(xiàn)，4根40 m的長垂直接地極對接地效果優(yōu)化合理。

4.3 接地電阻

GB 50065—2011規(guī)定：經(jīng)專門計算，且采取的措施可確保人身安全和設(shè)備安全可靠運行時，接地網(wǎng)地電位升高還可進一步提高。放寬對地電位的要求實質(zhì)就是放寬對接地電阻的要求，由于通過接觸電勢和跨步電壓的控制可以確保人身安全，所以對接地電位升高的評估重點可放在設(shè)備上，考察10 kV避雷器、二次電纜、綜合自動化設(shè)備。

4.3.1 10 kV避雷器的安全評估

國內(nèi)變電站的10 kV 系統(tǒng)多為中性點不接地系統(tǒng)，變電站發(fā)生接地短路時，接地網(wǎng)的工頻暫態(tài)電壓在計及非周期分量后將升高，10 kV 避雷器的工頻擊穿電壓相對較低，所以避雷器可能因不能熄弧而損壞，嚴重時甚至可能爆炸［15］。

如果避雷器的運行電壓與主接地網(wǎng)電位極性相反，避雷器的工頻放電電壓U應滿足式（10）的要求。

式中：I為流入接地網(wǎng)的短路電流；R為接地電阻；Ue為系統(tǒng)的額定電壓。

10 kV 金屬氧化物避雷器額定電壓17 kV，1 s 工頻耐受電壓約為額定電壓的1.25 倍，即21.25 kV［16］。文獻［17］校核發(fā)現(xiàn)，避雷器工頻耐受電壓的限值可進一步放寬至24.13 kV。

本文研究變電站的入地短路電流為18 kA，代入避雷器工頻耐受電壓21.25 kV，利用式（10）可反推10 kV 金屬氧化物避雷器工頻放電電壓下限所要求的接地網(wǎng)接地電阻為

因此10 kV 避雷器對接地電阻的要求至少可放寬至0.47 Ω，由表8可知方案優(yōu)化前后均可滿足接地電阻小于0.47 Ω 的要求。

表8 優(yōu)化前后技術(shù)經(jīng)濟比較

4.3.2 二次系統(tǒng)的安全評估

二次電纜2 s 工頻耐受電壓一般大于5 kV，二次設(shè)備的工頻絕緣耐受電壓為2 kV（1min）。綜合考慮，二次系統(tǒng)的絕緣耐受電壓可取2 kV［18］，保證接地網(wǎng)的GPD 小于2 kV 就可以滿足二次系統(tǒng)的安全要求［19］。表8 所示方案優(yōu)化前后GPD 值均可以滿足要求，且變化不大。這是由于接地網(wǎng)上的電位差主要取決于接地網(wǎng)的阻抗和電流，接地網(wǎng)整體尺寸不變時，接地網(wǎng)中兩點間的電流和阻抗基本不變［20］。

4.4 優(yōu)化設(shè)計方案及造價分析

4.4.1 優(yōu)化設(shè)計方案

原設(shè)計方案：網(wǎng)格密度為8 m 的等間距水平接地網(wǎng)，水平接地網(wǎng)總長度2 162 m；同時密布60 根2.2 m的短垂直接地極，如圖3所示。

優(yōu)化設(shè)計方案：壓縮比為0.6 的不等間距水平接地網(wǎng)，水平接地網(wǎng)總長度2 162 m；同時四周各布置1根40 m長垂直接地極，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

相比原設(shè)計方案，優(yōu)化方案接觸電勢降低達47.1%、接地電阻降低了7.7%、GPR 降低7.6%、跨步電壓降低20.1%。且接觸電勢和跨步電壓均滿足IEEE和國標的安全要求，如表8所示。

4.4.2 造價分析

根據(jù)2018 年版電網(wǎng)工程定額中摘錄的投資單價，對優(yōu)化前后的接地網(wǎng)造價進行對比分析，結(jié)果如表9 所示。優(yōu)化前的接地網(wǎng)的總投資約93.48 萬元，其中水平地網(wǎng)費用約28.76 萬元，短垂直接地極費用約0.72 萬元，D20 銅覆鋼棒約1.00 萬元，站區(qū)鋪設(shè)瀝青混凝土費用約63 萬元；優(yōu)化后的接地網(wǎng)的總投資約36.36萬元，其中水平接地網(wǎng)費用與優(yōu)化前相同約28.76 萬元，長垂直接地極打井和材料（D20 mm銅覆鋼棒）費用約7.6萬元。

表9 方案造價對比分析

因此，由于不需要在站內(nèi)鋪設(shè)瀝青混凝土，優(yōu)化后的方案總體接地費用相比優(yōu)化前的方案節(jié)省約57.12萬元。

5 結(jié)語

通過物理模型分析，結(jié)合國家電網(wǎng)有限公司220 kV 通用設(shè)計方案A3-2進行仿真分析，得出以下結(jié)論：

1）等間距布置水平接地網(wǎng)的最大接觸電勢的下降斜率隨著網(wǎng)格越來越密，變化愈來愈緩，性價比愈來愈低；不等間距布置水平接地網(wǎng)采用最佳壓縮比，相比等間距布置的水平接地網(wǎng)，可有效降低接觸電勢達33.6%。

2）在大中型接地網(wǎng)中，密布短垂直接地極對接地影響微乎其微；長垂直接地體則對降低接觸電勢和接地電阻效果明顯，但隨接地極數(shù)量的增加、接地極間距的縮短，也存在一定屏蔽作用。同樣的垂直接地極總長度，增加接地極長度比增加接地極數(shù)量降阻效果更好。

3）通過對變電站內(nèi)一、二次設(shè)備耐壓水平的安全評估，可合理放寬對接地電阻的要求至0.47 Ω，避免無意義降阻。

4）在國家電網(wǎng)有限公司220 kV 通用設(shè)計方案A3-2 占地面積較小，僅8 542.5 m2，入地短路電流卻高達18 kA 的情況下，采用壓縮比0.6 的不等間距水平接地網(wǎng)疊加4根10 m 的長垂直接地極的方案可使接地網(wǎng)滿足各項安全要求的同時經(jīng)濟性也好于優(yōu)化前方案。

目前直接測量得到的土壤電阻率難以與土壤結(jié)構(gòu)之間形成明確的對應關(guān)系，更難以準確得到各層土壤電阻率，這將成為下階段的工作目標。