國內(nèi)外工程變電站接地網(wǎng)設(shè)計的比較

□ 楊立成

上海思源輸配電工程有限公司 上海 201108

1 研究背景

良好的接地系統(tǒng)設(shè)計是電力工程的一項重要工作內(nèi)容,也是確保運行人員安全、變電站穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)保障。近年來,隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,電力系統(tǒng)的規(guī)模和負(fù)荷日益增大,對接地網(wǎng)設(shè)計的要求越來越高。另一方面,隨著國家“一帶一路”倡議和“走出去”戰(zhàn)略的實施,越來越多的國內(nèi)電力設(shè)備企業(yè)和設(shè)計、施工單位開始涉足國際電力工程項目。在此背景下,對采用國際標(biāo)準(zhǔn)的變電站接地網(wǎng)設(shè)計進行研究和應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。

目前,國內(nèi)工程的接地網(wǎng)設(shè)計和接地電阻計算主要依據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》、DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》、相關(guān)電力工程電氣設(shè)計手冊等,國際工程則主要依據(jù)IEEE 80—2013 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding。筆者對大接地短路電流系統(tǒng)下國內(nèi)外工程變電站接地網(wǎng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、相關(guān)概念、計算方式等內(nèi)容做介紹和分析,并結(jié)合工程經(jīng)驗進行比較,使廣大工程技術(shù)人員和管理人員更加深入了解、掌握兩者的異同點和適用的工況范圍,以便更有針對性地實現(xiàn)應(yīng)用。

2 國內(nèi)工程變電站接地網(wǎng)設(shè)計

2.1 基本原則

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,在大接地短路電流系統(tǒng),即110 kV及以上電壓等級電網(wǎng)中,一般土壤電阻率區(qū)域的接地電阻計算式為:

R≤2 000/I

(1)

式中:R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻;I為流經(jīng)接地裝置的計算用入地短路電流,一般應(yīng)考慮電力系統(tǒng)未來10～15 a最大運行方式。

2.2 接地故障時系統(tǒng)短路電流與入地短路電流

需要特別強調(diào)的是,發(fā)生故障時,系統(tǒng)短路電流和流經(jīng)接地裝置進入地網(wǎng)的短路電流是兩個不同的概念,很多初級技術(shù)人員往往會混淆。

變電站接地計算時,一般以系統(tǒng)兩相接地短路電流、單相接地短路電流的大值作為計算的故障電流,根據(jù)電網(wǎng)未來10～15 a規(guī)劃的等值阻抗模型分別計算高壓側(cè)、中壓側(cè)母線短路電流水平。以220 kV變電站為例,等值阻抗網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。以此等值阻抗網(wǎng)絡(luò)分別計算220 kV側(cè)母線、110 kV側(cè)母線兩相及單相接地短路電流水平,進而確定系統(tǒng)的最大故障電流水平。

變電站內(nèi)或外發(fā)生接地短路時,短路電流可以分為三個部分:流經(jīng)接地裝置的流入地網(wǎng)的短路電流、變壓器中性點流過的短路電流、架空避雷線所分得的接地短路電流。

若要計算入地短路電流I,則只需要先計算出接地故障時流經(jīng)變壓器各中性點的短路電流及流經(jīng)架空避雷線的短路電流,相關(guān)計算式為:

I=(Imax-In)(1-Kf1)

(2)

I=In(1-Kf2)

(3)

式中:Imax為發(fā)生接地故障時系統(tǒng)的最大短路電流;In為發(fā)生接地故障時流經(jīng)變壓器中性點的短路電流;Kf1為發(fā)生變電站內(nèi)接地故障時架空避雷線的分流因數(shù);Kf2為發(fā)生變電站外接地故障時架空避雷線的分流因數(shù)。

實際所采用的計算值選擇式(2)、式(3)計算結(jié)果的大值。

需要特別說明的是,在實際工程應(yīng)用中,不能將系統(tǒng)最大短路電流用于計算接地網(wǎng)電阻,否則會導(dǎo)致計算值偏大,不利于工程成本控制。

另外,在GB/T 50065—2011中規(guī)定R≤2 000/IG,IG考慮了入地短路電流直流分量對人員安全及接地裝置的影響。此時按照接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流有效值進行設(shè)計,并引入衰減因數(shù)的概念。

2.3 最大接觸電勢和最大跨步電勢

近年來我國電力系統(tǒng)快速發(fā)展,系統(tǒng)負(fù)荷及容量不斷增大,系統(tǒng)的短路電流水平已經(jīng)達到20 kA、30 kA或更高,入地短路電流也越來越大,因此在工程應(yīng)用中,實際人工接地體的電阻值往往會大于式(1)要求的允許值。對此,在實際工程應(yīng)用中,可以按最大接觸電勢和最大跨步電勢進行校驗。

最大允許接觸電勢Ut為:

(4)

式中:ρs為人腳站立處地面的土壤電阻率;Cs為土壤表層衰減因數(shù);ts為接地短路電流的持續(xù)時間,即主保護動作時間加斷路器分閘時間。

最大允許跨步電勢Us為:

(5)

k=(ρ1-ρ2)/(ρ1+ρ2)

(6)

式中:ρ1為上層電阻率;ρ2為下層電阻率。

2.4 熱穩(wěn)定校驗

隨著當(dāng)前國民經(jīng)濟的快速增長和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,對于大接地短路電流系統(tǒng)而言,故障時的短路電流也越來越大,有必要對所選接地裝置進行校驗,以確保滿足熱穩(wěn)定要求。熱穩(wěn)定校驗計算式為:

(7)

式中:S為滿足熱穩(wěn)定要求的最小接地體截面;I′為流經(jīng)接地線的短路電流;t為主保護動作時間、失靈保護動作時間、斷路器動作時間之和;C為熱穩(wěn)定因數(shù),實際應(yīng)用中鋼材取70,銅材取210。

2.5 接地體電阻

假設(shè)土壤電阻率均勻,可以對單根垂直接地體、不同形狀水平接地極,以及水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)進行計算。復(fù)合接地網(wǎng)相關(guān)計算式為:

(8)

(9)

(10)

Rn=aRe

(11)

式中:Rn為復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻;Re為等值方形接地網(wǎng)接地電阻;L0為接地網(wǎng)外邊緣總長;L為水平接地極總長;S1為接地網(wǎng)總面積,m2;h為水平接地極埋設(shè)深度;d為水平接地極直徑或等效直徑;ρ為土壤電阻率。

需要注意的是,對于土壤電阻率,傳統(tǒng)計算方法按均勻土壤電阻率來選取,假定場地內(nèi)各點沿縱向和橫向的變化不大。但是,現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)會隨地點和深度的變化而發(fā)生變化,有時不同土層甚至?xí)顒e較大。針對此情況,建立土壤結(jié)構(gòu)化模型,對土壤按不同性質(zhì)和類別建立分層結(jié)構(gòu),利用相關(guān)軟件進行仿真計算,是近年來接地計算的一個發(fā)展趨勢,并在一些工程實踐中得到了應(yīng)用。

2.6 接地網(wǎng)計算流程

基于上述介紹,結(jié)合工程實際應(yīng)用,接地網(wǎng)計算流程如圖3所示。

3 工程實際應(yīng)用

以某220 kV變電站實際工程數(shù)據(jù)作為輸入,按照上述計算式及計算流程來計算該變電站接地電阻,并采取必要的降阻措施。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

主變壓器電壓為220 kV/110 kV/35 kV,容量為180 MVA。220 kV出線有12回,110 kV出線有14回。在兩相接地短路情況下,故障點短路電流的最大值為29.8 kA。

3.2 接地網(wǎng)數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場測量若干點的結(jié)果,考慮季節(jié)因數(shù)1.3,加權(quán)后取土壤電阻率為1 200 Ω·m。初步設(shè)計接地網(wǎng)尺寸為150 m×200 m,由截面邊長為60 mm、厚度為6 mm的接地扁鋼構(gòu)成。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述計算式及計算流程,接地體截面大于最小允許截面,滿足熱穩(wěn)定要求,但求得接地網(wǎng)電阻為2.9 Ω,不滿足式(1)要求,需要按照最大接觸電勢和最大跨步電勢進行校驗。經(jīng)計算,該接地網(wǎng)電阻仍然不能滿足最大接觸電勢的要求,因此需要采取進一步降阻措施。

3.4 降阻措施

目前,在實際工程應(yīng)用中除敷設(shè)人工復(fù)合接地體外,其它降阻措施主要有敷設(shè)降阻劑、用鋼管打接地深井、在延長線方向采用接地斜井等?？紤]到保護環(huán)境,敷設(shè)降阻劑近年來已不提倡使用。經(jīng)核算,這一項目需要打六口接地深井和四口斜井,深井相當(dāng)于并聯(lián)垂直接地體,斜井相當(dāng)于并聯(lián)水平接地體,這樣可以將電阻降至滿足最大接觸電勢和最大跨步電勢要求。

4 國外工程變電站接地網(wǎng)設(shè)計

隨著國內(nèi)企業(yè)不斷開展國際工程業(yè)務(wù),與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌,利用IEEE 80—2013來進行變電站接地網(wǎng)設(shè)計及計算已越來越受到關(guān)注。筆者主要結(jié)合工程實際對其中的主要原則和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行介紹。

4.1 接地故障時入地短路電流

IEEE 80—2013在入地短路電流中額外引入直流分量的概念,認(rèn)為入地短路電流還要考慮直流分量對人員及設(shè)備的影響。在IEEE 80—2013標(biāo)準(zhǔn)中,最大入地短路電流IG計算式為:

IG=DfIg=DfSfIf=3DfSfI0

(12)

式中:Df為衰減因數(shù);Ig為入地電流的有效值;Sf分流因數(shù);If為對稱故障電流有效值;I0為零序電流。

4.2 最大接觸電勢和最大跨步電勢

IEEE 80—2013按人體電阻1 000 Ω考慮,因此IEEE 80—2013標(biāo)準(zhǔn)最大接觸電勢和最大跨步電勢的計算相比國內(nèi)更為保守,并且分別考慮兩種不同人體質(zhì)量下人體所允許通過的電流。

人體質(zhì)量為50 kg時,人體所允許通過的電流IB為:

(13)

人體質(zhì)量為70 kg時,人體所允許通過的電流IB為:

(14)

以人體質(zhì)量50 kg為例,最大允許接觸電勢Etouch為:

(15)

最大允許跨步電勢Estep為:

(16)

4.3 熱穩(wěn)定校驗

IEEE 80—2013中,熱穩(wěn)定校驗計算式為:

(17)

式中:A為接地導(dǎo)體截面積;I1為對稱故障電流有效值;TCAP為熱容量與單位體積比值;tc為故障電流持續(xù)時間;ar為在參考溫度Tr時的電阻率熱系數(shù);ρr為接地體在參考溫度Tr時的電阻率;Tm為最高允許溫度;Ta為環(huán)境溫度。

K0由式(18)或式(19)計算得到:

K0=1/α0

(18)

K0=1/αr-Trα0

(19)

式中:α0為0 ℃時的電阻率熱系數(shù)。

4.4 接地體電阻

IEEE 80—2013給出了垂直接地體、水平接地體、復(fù)合接地網(wǎng)的電阻計算式,并且引入了水平接地體和垂直接地體之間相互影響的電阻Rm。復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻Rg計算式為:

(20)

式中:R1為水平接地體電阻;R2為垂直接地體電阻。

4.5 接地網(wǎng)計算流程

IEEE 80—2013對應(yīng)的接地網(wǎng)計算流程與國內(nèi)工程相似。

5 結(jié)束語

筆者從工程應(yīng)用角度出發(fā),對國內(nèi)外工程變電站接地網(wǎng)設(shè)計進行了比較,對各自的應(yīng)用范圍和注意事項進行了介紹。無論是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還是國際標(biāo)準(zhǔn),在各自工程項目領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用,后續(xù)在土壤電阻率分層建模、入地最大短路電流分流因數(shù)確定等方面仍需進一步研究,并在工程實踐中不斷總結(jié)。另一方面,變電站投運后接地材料腐蝕導(dǎo)致性能降低,系統(tǒng)短路水平由于電網(wǎng)和負(fù)荷不斷增大而日益增高,針對這些情況,應(yīng)當(dāng)建立長效管理機制和有效監(jiān)測手段,使變電站接地管理及接地電阻監(jiān)測實現(xiàn)動態(tài)化和周期性,這是廣大工程人員未來探索和研究的一個方向。