高土壤電阻率110 kV變電站接地電阻達(dá)標(biāo)研究

曾 聰，王群江

高土壤電阻率110 kV變電站接地電阻達(dá)標(biāo)研究

曾 聰，王群江

（中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南長沙 410114）

接地系統(tǒng)是電網(wǎng)的重要組成部分，其好壞直接關(guān)乎系統(tǒng)的正常運(yùn)行和人身、設(shè)備安全。本文詳細(xì)論述了110 kV變電站發(fā)生接地故障后地電位升超過2000 V時(shí)，與二次電纜屏蔽層并聯(lián)敷設(shè)的扁銅，其截面如何選擇以及金屬氧化物避雷器吸收能量安全性怎樣評(píng)估的問題。結(jié)論數(shù)據(jù)可供變電站接地設(shè)計(jì)參考。

接地電阻 熱穩(wěn)定 工頻反擊電壓 金屬氧化物避雷器

0 引言

國內(nèi)外由于接地網(wǎng)不合格引發(fā)的接地網(wǎng)事故中，有些不但燒毀了一次設(shè)備，而且還通過控制電纜將高壓引入控制室，使監(jiān)測或控制設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)或是拒動(dòng)，造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，一個(gè)合格的地網(wǎng)在變電所的安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。按《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50065-2011)第4.2.1條規(guī)定，有效接地系統(tǒng)接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)符合下面公式：

1 接地網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電位升高至5kV的附加要求

《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50065-2011)第4.3.3條，提出了對(duì)有效接地系統(tǒng)中變電站接地網(wǎng)，發(fā)生接地故障后地電位升高至5 kV時(shí)，接地網(wǎng)及有關(guān)電氣裝置應(yīng)符合的五點(diǎn)要求。其中第一、第四及第五條可實(shí)施性比較強(qiáng),本文不再論述。但仍有部分條文，如第二、三條，并沒有給出具體的數(shù)值，在變電站接地設(shè)計(jì)時(shí)，以上要求該如何落實(shí)呢?

2 與接地網(wǎng)連接的扁銅其截面的選擇

2.1 扁銅的作用

為了減小電纜芯線和電纜屏蔽層之間的感應(yīng)電位差，規(guī)范要求二次電纜屏蔽層兩端接地。接地故障時(shí)，由于地網(wǎng)不同點(diǎn)的電位差，會(huì)有部分電流從屏蔽層流過。如果故障電流較大，屏蔽層有穿孔的可能。鑒于扁銅的阻抗較屏蔽層小得多，因此會(huì)有大部分電流從扁銅流過?？梢姳忏~或銅絞線的主要作用是為了將流過電纜屏蔽層的電流限制在屏蔽層的載流量允許范圍內(nèi)，使得屏蔽層不至于被熔化[5]。實(shí)驗(yàn)證明，扁銅也可以降低控制電纜芯線和屏蔽層(或接地網(wǎng))之間的工頻電位差，即工頻反擊過電壓[3]。下面，我們來分析其原理。

圖1 電纜溝電纜的反擊過電壓

解上述方程組，流過電纜屏蔽層和接地線的電流分別為：

電纜芯線的電壓等于芯線電流和芯線自阻抗的乘積，扁銅接地線的電流和扁銅接地線與芯線互阻抗乘積，屏蔽層的電流和屏蔽層與芯線互阻抗乘積之和。即：

屏蔽層電壓為：

但是，用上式是不能直接計(jì)算出反擊過電壓的，因?yàn)榱鬟^電流芯線和屏蔽層的電流，用解析的方法，通過計(jì)算得出。是非常困難的。這種困難在于接地線和電纜屏蔽層，實(shí)際上正是發(fā)生接地故障時(shí)，與接地網(wǎng)并聯(lián)的分流支路，類似的分流支路，不僅數(shù)量多，而且結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。困難更在于，這些電流的數(shù)值與電纜在電磁場中布線路徑相關(guān)。正是這些原因?qū)е聦?duì)反擊電壓的研究，目前還停留在現(xiàn)場試驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)階段，流過電纜屏蔽層和接地線的電流，目前也只能用試驗(yàn)的方法獲得。

2.2 扁銅的截面選擇

熱穩(wěn)定校驗(yàn)需要一個(gè)重要參數(shù)是流過導(dǎo)體的故障電流值。因此，扁銅的熱穩(wěn)定校驗(yàn)也很難用解析的方法計(jì)算出來的。但是我們可以做定量的分析。接地導(dǎo)體的最小截面應(yīng)符合下式的要求[1]：

C——接地導(dǎo)體材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

計(jì)算用接地故障電流原則上應(yīng)選擇變電站工程設(shè)計(jì)水平年（15年～20年后）接線情況下，站內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)的接地故障電流和各對(duì)端有電源線路所提供的接地故障電流。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)景不是十分明確時(shí)，我國華東某省電力公司的《變電站銅質(zhì)接地網(wǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》中提出的“110 kV配電裝置的總接地故障電流選25 kA”的推薦意見可供參考。

變電站內(nèi)、外發(fā)生接地短路時(shí)，經(jīng)接地網(wǎng)入地的故障對(duì)稱電流可分別按下列公式計(jì)算[2]：

即銅導(dǎo)體截面不小于50.2 mm2時(shí)，完全可滿足熱穩(wěn)定要求。

《火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)》第十五章、第四節(jié)發(fā)電廠二次系統(tǒng)的接地，中指出“應(yīng)在控制室、繼電器室、敷設(shè)二次電纜的溝道、配電裝置的就地端子箱及保護(hù)用結(jié)合濾波器等處，使用截面積不小于100 mm2的裸銅排（纜）敷設(shè)與主接地網(wǎng)連接的等電位接地網(wǎng)[2]”、“沿二次電纜的溝道敷設(shè)截面積不小于100 mm2的裸銅排（纜），構(gòu)建室外的等電位接地網(wǎng)[2]”。

因此工程設(shè)計(jì)時(shí)，電纜溝中可采用截面積不小于100 mm2扁銅（或銅絞線）與二次電纜屏蔽層并聯(lián)敷設(shè)，是安全的，可采用的。

3 評(píng)估金屬氧化鋅避雷器吸收能量的安全性

當(dāng)變電站有6 kV或10 kV架空線路向接地網(wǎng)外的用戶供電時(shí)，應(yīng)避免在暫態(tài)反擊過電壓的作用下，6 kV或10 kV閥型避雷器應(yīng)不動(dòng)作，即要求閥型避雷器的工頻放電電壓大于工頻暫態(tài)反擊過電壓以免6 kV或10 kV閥型避雷器不能熄弧而損壞，甚至爆炸危及附近設(shè)備和人身安全。

避雷器受到的反擊過電壓，取決于避雷器端子處的對(duì)地電容和線路對(duì)地電容所組成的電容分壓器的分壓比。參考圖2，可以寫出避雷器受到的反擊過電壓為：

考慮到避雷器端子還受到正常運(yùn)行交流電壓的作用，在最不利的情況下，運(yùn)行電壓恰好和接地網(wǎng)電位的極性相反。因此，6 kV或10 kV閥型避雷器的工頻放電電壓應(yīng)等于或大于：

1.8—計(jì)入非周期分量的系數(shù)。

可以由上式求出6 kV或10 kV閥型避雷器的工頻放電電壓下限所要求的全廠接地電阻值為：

表1 中閥型避雷器工頻放電電壓下限值，可在《交流三相組合式有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器》JB/T10609-2006，避雷器電氣性能要求中查得，如表1所示[4]。

查表1知，6 kV站用避雷器工頻放電電壓不小于16 kV；10 kV站用避雷器工頻放電電壓不小于24 kV。將數(shù)值帶入式18計(jì)算，得出6 kV或10 kV系列閥型避雷器工頻放電電壓下限值允許的全廠接地網(wǎng)電阻值，如表2所示。

其它類型的避雷器，可依據(jù)相關(guān)國標(biāo)或廠家提供的電氣參數(shù)，參考以上的分析方法，推導(dǎo)出變電站允許的接地電阻值，此處不再一一贅述。

表1 典型的電站用避雷器電氣特性（相-相、相-地）（kV）

表2 6～10 kV閥型避雷器工頻放電電壓下限值和允許的全廠的接地電阻

4 結(jié)論

接地是一個(gè)看似簡單、而實(shí)際上卻非常復(fù)雜且至關(guān)重要的問題。變電站接地的研究涉及到接地網(wǎng)的均壓、工頻反擊過電壓及轉(zhuǎn)移電位隔離等諸多問題。本文通過分析得出變電站接地網(wǎng)在發(fā)生接地故障后，地電位升高至5 kV時(shí)，與二次電纜并聯(lián)敷設(shè)的扁銅截面可選擇100 mm2及由金屬氧化物避雷器工頻放電電壓下限值決定的變電站接地電阻的最大值（詳見表2）。以上結(jié)論數(shù)據(jù)可供變電站接地設(shè)計(jì)使用。

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì). 交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范. GB/T50065-2011[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社，2011J

[2] 中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司. 火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2018: 816, 831

[3] 李景祿, 胡毅, 劉春生. 實(shí)用電力接地技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002: 174

[4] 中國機(jī)械工藝聯(lián)合會(huì). 交流三相組合式有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器. JB/T10609-2006[S]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007

[5] IEEE Power and Energy Society. IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. IEEE Std 80[S]. 2013

Study on 110 kV substation grounding resistance up to standard in high soil resistivity area

Zeng Cong，Wang Qunjiang

（China Light Industry Changsha Engineering Co., Ltd., Changsha 410114, Hunan, China）

TM862

A

1003-4862（2022）09-0035-04

2022-06-09

曾聰(1981-)，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。E-mail: zengcong@cecchina.com