變電站接地阻抗降阻措施評估方法

李冠華， 徐 凱， 董雪晴， 荊瀾濤， 王 亮， 宋 偉， 崔巨勇

(1. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 a. 電力科學(xué)研究院， b. 設(shè)備部， 沈陽 110006； 2. 沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院， 沈陽 110136； 3. 清華大學(xué) 機電系， 北京 100084)

電力系統(tǒng)運行過程中，接地系統(tǒng)是維護變電站安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施[1].調(diào)查表明，我國曾發(fā)生多起由于接地系統(tǒng)接地阻抗未達到要求所導(dǎo)致的事故或事故的擴大[2].同時根據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計表明，在我國跳閘率比較高的地區(qū)，由雷擊引起的次數(shù)約占40%～70%，尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊引起的事故率更高.特別是電力系統(tǒng)操作以及雷電等通過各種途徑在發(fā)變電站產(chǎn)生的暫態(tài)干擾會通過各種耦合方式在二次系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾電壓，如不采取過電壓防護措施，在暫態(tài)干擾下會影響二次設(shè)備的穩(wěn)定與安全，進而影響電力系統(tǒng)的安全可靠運行[3].

針對電力系統(tǒng)在實際運行過程中存在的接地阻抗值在高電阻率地區(qū)難以達標以及雷電沖擊導(dǎo)致的變電站二次系統(tǒng)受到暫態(tài)干擾等問題，往往需要開展降阻方案評估分析.而以往對于高阻抗變電站接地網(wǎng)改造措施的評估往往只考慮了接地阻抗這一單一指標，盲目追求降低接地阻抗[4]，而忽視了其沖擊暫態(tài)過程造成的網(wǎng)內(nèi)電位差問題，并缺少網(wǎng)內(nèi)電位差的現(xiàn)場實際測量評估方面的研究[5].對于一次電力設(shè)備，其耐壓較高，地電位差對其影響有限，但二次系統(tǒng)設(shè)備及電纜由于耐壓能力較弱，當網(wǎng)內(nèi)電位差較大時是需要重點分析評估的對象.

因此本文以某220 kV典型高電阻率地區(qū)變電站為例，以變電站所處區(qū)域土壤電阻率為切入點，開展接地系統(tǒng)工頻特性及其沖擊暫態(tài)特性，即二次接地網(wǎng)檢測評估測試[6]，從多個維度對變電站接地系統(tǒng)的接地阻抗和各安全限值進行測試和分析，并通過進一步搭建接地網(wǎng)仿真模型開展仿真計算，完成接地網(wǎng)的全面狀態(tài)評估，并給出了綜合改造方案.

1 變電站土壤電阻率測試

該220 kV新建變電站場地地面標高為179.44～181.96 m，地貌為兩山夾一溝，位于山間谷地.采用土壤電阻率測量設(shè)備則利用溫納四極法，對灌水站內(nèi)、站外共14個位置進行了土壤電阻率的測量.站內(nèi)測試位置主要針對表層土壤電阻率，測試電極間距依次為0.1、0.2、0.3、0.5、0.7及1 m共6個位置，逐一測取土壤電阻率數(shù)據(jù)；站外測試位置距離變電站直線距離約300 m，測試電極間距依次為5、10、20、30、50、100、200及300 m共8個位置，測試結(jié)果如表1所示.

由于實際測得的土壤電阻率數(shù)據(jù)分布不均勻(極間距為1、20、100 m的數(shù)據(jù))，無法直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)來擬合建立土壤模型.因此需要利用CDEGS仿真軟件進行反演，得出土壤電阻率的實測數(shù)據(jù)及站址區(qū)域的土壤分層結(jié)構(gòu)，如表2所示.

從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，站址區(qū)域整體土壤結(jié)構(gòu)表層土壤電阻率低，深層土壤電阻率很高，故障電流不易從深層土壤入地散流，因此采取傳統(tǒng)增設(shè)深井接地極或者增加垂直接地極的方法都很難有效降低該站的接地阻抗，更適合采用擴網(wǎng)外引的方式降阻.

表1 土壤電阻測試點實測數(shù)據(jù)Tab.1 Measured data of soil resistance at test points

表2 土壤電阻率及分層結(jié)構(gòu)Tab.2 Soil resistivity and stratification structures

2 變電站接地網(wǎng)工頻特性分析

2.1 接地阻抗測量

接地阻抗采用反向法，變電站場區(qū)對角線長度為270 m，電流線位置dCG向變電站外放置約1 200 m，電壓線位置dPG向變電站外放置1 000 m，與電流線呈169°角.由于采用遠離法，根據(jù)《接地裝置特性參數(shù)測試導(dǎo)則》(DL/T475-2017)有關(guān)公式計算[7]，接地阻抗可修正為

(1)

式中：D為被試接地裝置最大對角線長度；θ為電流線和電位線的夾角；Z′為接地阻抗的測試值.

現(xiàn)場電流分別注入3.2 A，45 Hz和3.2 A，55 Hz，測試值Z′通過公式校驗得出接地阻抗值為4.3 Ω，可以看出該站為典型高接地阻抗變電站，接地阻抗遠超國標要求和其他普通變電站.

2.2 變電站分流系數(shù)計算

根據(jù)工程設(shè)計方提供的參數(shù)，線路桿塔接地阻抗皆取15 Ω進行仿真計算[8]，得出了該站在不同變電站接地阻抗情況下的短路電流分布和地網(wǎng)分流系數(shù)，并根據(jù)短路電流計算結(jié)果，將變壓器220 kV側(cè)短路電流取20.67 kA來分析實際最大入地電流和地電位升隨接地阻抗的變化，結(jié)果如表3所示.

假期回國，我突然發(fā)現(xiàn)母親有時候做菜淡，有時候做菜咸。她平靜地說，味覺退化了。那一刻，我第一次發(fā)現(xiàn)——父母親是會老的，而我陪伴他們，和他們一起吃一頓飯，或者親自給他們做一頓飯的時間竟然是那么有限。而當我回家了，有出息了，能請他們吃上山珍海味的時候，他們恐怕已經(jīng)不在乎那些珍饈奇味了。

表3 不同接地阻抗對應(yīng)的分流系數(shù)、最大入地電流及地電位升

2.3 地網(wǎng)特性參數(shù)限值分析

2.3.1 地電位升限值分析

結(jié)合該220 kV變電站的情況，對于二次設(shè)備，由于全部位于站內(nèi)，其并不承受地電位升，因此其并不影響地電位升的取值.由于該220 kV變電站內(nèi)高、中壓設(shè)備耐壓值較高，地電位升遠小于其運行電壓，包括考慮暫態(tài)下的電壓，因此變電站高、中壓設(shè)備基本不受地電位升影響.而該220 kV變電站站外接66 kV系統(tǒng)，它們在一次設(shè)備中受地電位升影響最大，根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司通用設(shè)計手冊[9]，66 kV系統(tǒng)避雷器額定電壓為96 kV，持續(xù)運行電壓為75 kV.考慮到相位差，短路故障時避雷器能夠承受的最大地電位升為其額定電壓與線路對地電壓之差，約為52.7 kV.考慮一定的裕度，根據(jù)計算得出變電站分流系數(shù)和地電位升計算結(jié)果，該220 kV變電站在不連接出線線路地線時的接地阻抗不應(yīng)大于3.5 Ω，當變電站地網(wǎng)與出線線路地線互聯(lián)分流后接地阻抗不應(yīng)大于2.3 Ω.

2.3.2 跨步電位差與接觸電位差限值

采用地表高阻層來提高人體可以耐受的接觸電位差和跨步電位差，從而達到提高發(fā)變電站安全的目的.跨步電位差和接觸電位差允許值計算表達式[10]分別為

(2)

(3)

式中：US為跨步電位差允許值；UT為接觸電位差允許值；ρs為地表層的電阻率；CS為表層衰減系數(shù)；t為接地故障電流持續(xù)時間[11].

由于在接地體附近可能回填了導(dǎo)電性良好的細土，因此不鋪設(shè)高阻層時，需保守考慮人身安全，表層土壤電阻率取為50 Ω·m；當鋪設(shè)高阻層時，該220 kV變電站表層土壤仍為原有土壤，電阻率平均取為1 485.28 Ω·m.按切除時間0.5 s計算，鋪設(shè)高阻層時電阻率為3 000 m，計算得到的不同表層土壤措施下該變電站的接觸電位差和跨步電位差的允許值如表4所示.

表4 接觸電位差和跨步電位差允許值Tab.4 Allowable value of contact potential and step potential differences V

2.4 變電站接地網(wǎng)仿真模型搭建

該220 kV變電站水平接地網(wǎng)為矩形，接地網(wǎng)面積為250 m×100 m，內(nèi)部設(shè)置10 m間距均壓網(wǎng)格.

經(jīng)計算地網(wǎng)未采取額外的降阻措施時，該220 kV變電站接地阻抗值為4.16 Ω，與現(xiàn)場實測4.3 Ω基本一致，但超出計算分析得出的接地阻抗限值，因此主地網(wǎng)需采取一定的降阻措施.

由地網(wǎng)入地分流系數(shù)可知，此時最大入地短路電流約為9.5 kA，跨步電位差最大值為547.26 V，高電位差都分布在變電站地網(wǎng)邊緣，變電站跨步電位差分布如圖1所示；接觸電壓最大值為874.12 V，變電站接觸電位差分布如圖2所示.

圖1 變電站地網(wǎng)跨步電位差分布圖Fig.1 Distribution diagram of step potential difference substation ground grid

圖2 變電站地網(wǎng)接觸電位差分布圖Fig.2 Distribution diagram of contact potential difference of substation ground grid

由圖1、2可見，跨步電位差和接觸電位差都超出了無高阻層時的允許值.若考慮鋪設(shè)高阻層則跨步電壓可以滿足允許值要求，但是接觸電壓與鋪設(shè)高阻層時的允許值相接近，留有安全裕度較小，考慮季節(jié)系數(shù)和凍土情況，應(yīng)在原地網(wǎng)結(jié)構(gòu)上采取一定的均壓措施使得接觸電壓安全裕度增大符合設(shè)計要求.

2.5 接地系統(tǒng)降阻方法研究

在前文對土壤電阻率和變電站各安全限值的分析基礎(chǔ)上，通過多次建模對比計算，并綜合考慮變電站所在區(qū)域的土壤電阻率及該變電站220 kV側(cè)的2條地線線路、66 kV側(cè)的4條地線線路，因此采用引外接地和桿塔地線連接的方法實施綜合措施降阻.在施工項目部臨建區(qū)域地塊開展擴網(wǎng)，再將6條桿塔線路地線全部連接于變電站擴網(wǎng)后的地網(wǎng)上，并在站內(nèi)鋪設(shè)10 cm厚的高阻層.該綜合措施接地阻抗可降低到1.49 Ω，接觸電壓最大值為620.8 V，跨步電壓最大值為141.9 V，均可滿足在鋪設(shè)高阻層后的限值設(shè)計要求.

3 變電站接地網(wǎng)沖擊特性分析

3.1 接地網(wǎng)暫態(tài)沖擊特性測試

由于變電站容易遭受雷擊騷擾的位置往往為變電站邊緣避雷針等位置，本次試驗在采取綜合降阻措施的基礎(chǔ)上，利用清華大學(xué)先進電能傳輸實驗室提出的接地網(wǎng)暫態(tài)地電位差試驗方法進行接地網(wǎng)暫態(tài)地電位差試驗.注流點為接地網(wǎng)邊緣龍門架架構(gòu)接地引下線，回流點為站外距離接地網(wǎng)邊緣約700 m處.測試點均為站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備位置，如端子箱、操作機構(gòu)等共14個位置.測量點分布如圖3所示，共有3個測量方向，可以代表注流點附近的暫態(tài)地電位差分布狀況.注流點附近地電位差分布峰值結(jié)果如表5所示.

圖3 變電站暫態(tài)沖擊測試測點布置圖Fig.3 Arrangement diagram transient impact test points in substation

表5 注流點附近地電位差分布峰值Tab.5 Peak value distribution of ground potential difference near injection point

計算結(jié)果表明，暫態(tài)沖擊電流注入接地網(wǎng)時，網(wǎng)內(nèi)暫態(tài)電位差在注流點附近迅速上升，而隨著距離的增加趨于平緩.當注入的沖擊電流峰值為43 A時，網(wǎng)內(nèi)暫態(tài)地電位差最大值近900 V.由此推斷：當變電站接地網(wǎng)注入的雷電沖擊電流達到100 kA以上時，站內(nèi)二次設(shè)備所承受的暫態(tài)過電壓將遠遠超過其耐壓限值，二次系統(tǒng)受到電磁干擾損毀及發(fā)生誤動作的風(fēng)險較大，應(yīng)在降阻方案實施后進一步針對二次系統(tǒng)采取一定的防御措施.

可見，在高電阻率地區(qū)變電站除了需要強調(diào)接地阻抗、跨步電壓和接觸電壓等常規(guī)限值指標外，為了順應(yīng)電力系統(tǒng)智能化、信息化的發(fā)展需求，還應(yīng)當重視網(wǎng)內(nèi)電位差對站內(nèi)二次系統(tǒng)的影響.

3.2 接地網(wǎng)暫態(tài)沖擊特性仿真計算

結(jié)合清華大學(xué)先進電能傳輸實驗室自主開發(fā)的二次設(shè)備端口仿真軟件，計算灌水站內(nèi)接地網(wǎng)暫態(tài)地電位分布以及二次設(shè)備端口的抗擾特性[11].仿真計算模擬遭受雷擊時的情況，采用沖擊電流為8/20 μs典型沖擊電流波形，電流峰值為100 kA.注入點、回流點以及測量點與實際情況相同.仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 二次電纜端口沖擊電位差仿真計算波形圖Fig.4 Simulation waveform of impact potential difference at secondary cable port

從仿真結(jié)果可以看出，地網(wǎng)注入沖擊電流時，二次電纜峰值電位差已經(jīng)達到了1 680 V.這是由于在電流注入點附近導(dǎo)體軸向電流較大，下降梯度較大，沿導(dǎo)體徑向向土壤中散流較多，導(dǎo)致電位較高，梯度較大，遠離電流注入點的導(dǎo)體情況則相反.因為高頻時，導(dǎo)體電感分量較大，導(dǎo)致整體地網(wǎng)有效長度變短，因此只有電流注入點附近區(qū)域起到了地網(wǎng)均壓的作用.

由于二次系統(tǒng)全部位于站內(nèi)，因此雷擊時接地系統(tǒng)對二次系統(tǒng)的影響仍然通過接地網(wǎng)的地電位差作用，而與地電位升無關(guān).由于雷電流頻率很高，雷擊下接地網(wǎng)上的電流主要通過電流流入點附近的接地體散流，暫態(tài)地電位差將非常大，而大范圍的降阻措施對降低雷電流的影響效果非常有限.

因此除了采取變電站接地網(wǎng)兩次擴網(wǎng)并連接桿塔地線的綜合降阻措施外，仍需要利用均勻接地網(wǎng)的暫態(tài)地電位差來消除暫態(tài)沖擊電流對二次系統(tǒng)的影響[12].

3.3 降低二次電纜沿線地電位差措施仿真計算

為了降低二次電纜沿線地電位差，可以在二次電纜所在路徑內(nèi)沿線鋪設(shè)銅排.通過仿真軟件在原地網(wǎng)模型電纜路徑基礎(chǔ)上增加鋪設(shè)一根截面積為100 mm2的接地銅排，并將此銅排在模型中的截面積加粗至200、400、600 mm2，采取同樣的計算條件開展沖擊仿真，計算得出通過電纜溝鋪設(shè)至主控樓控制室的電纜兩端測點的沖擊電位差如表6所示.

表6 鋪設(shè)不同截面積銅排對電位差的影響Tab.6 Influence of laying copper bars with different sectional areas on potential difference

從表6計算結(jié)果可以看出，在采用截面積200 mm2的銅排時，電位差降低到了968 V，降低了42%，滿足了常規(guī)設(shè)計1 000 V的限值要求[13].同時可以看出，雖然銅排截面積增大時電位差在減小，但由于銅排外感抗較大，造成了不斷加粗單根銅排后電位差的飽和傾向，因此本次方案采用截面積為200 mm2銅排即可[14].

通過對二次接地網(wǎng)仿真計算分析表明：在二次電纜的路徑內(nèi)沿線增設(shè)銅排以加強二次電纜兩端的接地連接，并加密雷擊避雷針處接地體的方案可有效降低雷電沖擊或單向?qū)Φ囟搪饭收蠒簯B(tài)高頻階段時的電位差值，從而消除可能存在的對二次設(shè)備的潛在風(fēng)險.

4 結(jié) 論

本文針對高電阻率地區(qū)雷電沖擊導(dǎo)致的變電站二次系統(tǒng)受到暫態(tài)干擾等問題，以某220 kV典型變電站為例，開展了現(xiàn)場測試和仿真計算，主要結(jié)論如下：

1) 高電阻率地區(qū)變電站需開展多個維度的安全評估分析，不僅需要滿足接地阻抗的限值要求，還需要開展對其二次系統(tǒng)影響的校驗.

2) 通過在站內(nèi)開展接地網(wǎng)暫態(tài)地電位差試驗，可以有效評估二次系統(tǒng)受到電磁干擾及發(fā)生誤動作的風(fēng)險.

3) 在電纜溝內(nèi)增設(shè)銅排，局部加密雷擊注入點位置接地網(wǎng)的方法能夠有效降低二次電纜端口沖擊暫態(tài)電位差.

不同變電站模型參數(shù)和仿真計算結(jié)果可能不同，但本文分析評估和測試方法同樣適用于高電阻率地區(qū)變電站.主要結(jié)論可為接地網(wǎng)設(shè)計和降阻優(yōu)化改造提供參考.