考慮變電站故障的變電站及輸電線路接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚生惠

（蘭州新區(qū)土地開(kāi)發(fā)建設(shè)工程有限公司，蘭州 730000）

引言

接地網(wǎng)是變電站的重要組成，對(duì)變電站的接地安全起到至關(guān)重要的作用[1-3]。由于高壓變電站由輸電線路供電且接地系統(tǒng)與變電站接地網(wǎng)牢固連接，在變電站故障情況下，變電站接地網(wǎng)和極網(wǎng)都會(huì)出現(xiàn)電壓升高的情況，從而對(duì)安全造成影響[4-6]。因此接地系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)于確保變電站和輸電線路在故障條件下的安全可靠性至關(guān)重要。

變電站故障對(duì)極地電位升高的影響可通過(guò)降低磁極的柵極電阻來(lái)控制磁極極地電網(wǎng)升高[7,8]。而極地電阻的降低將直接影響變電站極地電網(wǎng)升高和故障電流分布。文獻(xiàn)[9]研究了變電站接地系統(tǒng)的合理性，但沒(méi)有考慮對(duì)有限長(zhǎng)度內(nèi)輸桿塔接地網(wǎng)的影響。位于變電站有限長(zhǎng)度內(nèi)的桿塔構(gòu)成變電站接地網(wǎng)的堅(jiān)實(shí)部分，并將始終成為變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的一部分，忽略這些因素的設(shè)計(jì)將影響系統(tǒng)的安全可靠性[10]。

1 變電站和輸電線路接地系統(tǒng)

1.1 變電站和輸電桿塔

在設(shè)計(jì)變電站接地系統(tǒng)以及桿塔接地網(wǎng)時(shí)，確保不同情況下設(shè)計(jì)方案的合理性至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需計(jì)算分流因子，以確定故障條件下的變電站電網(wǎng)電流。同時(shí)需評(píng)估極地電網(wǎng)電位升高以及設(shè)計(jì)對(duì)于有限長(zhǎng)度內(nèi)桿塔的影響。當(dāng)故障位置的桿塔接地網(wǎng)輸入阻抗可以捕獲系統(tǒng)的整個(gè)長(zhǎng)度時(shí)，稱之為有限系統(tǒng)；當(dāng)故障位置的桿塔接地網(wǎng)輸入阻抗不能捕獲系統(tǒng)的整個(gè)長(zhǎng)度時(shí)，則稱之為無(wú)限系統(tǒng)。針對(duì)無(wú)限系統(tǒng)，只考慮桿塔接地網(wǎng)系統(tǒng)的一部分作為輸入阻抗，即

式中：Zp為接地網(wǎng)電阻；Ls為平均跨度。

由于變電站只能看到有限長(zhǎng)度的線路，桿塔接地網(wǎng)的無(wú)限長(zhǎng)度可以計(jì)算為：

式中，l為桿塔接地線路的總長(zhǎng)度。

有效長(zhǎng)度處的所有桿塔對(duì)變電站接地系統(tǒng)沒(méi)有影響，而式（1）無(wú)限距離內(nèi)的所有桿塔對(duì)變電站極地電網(wǎng)電位升高有直接影響。因此，無(wú)限條件下桿塔接地網(wǎng)的輸入阻抗可以表示為：

變電站分流系數(shù)計(jì)算為：

式中：Zm為故障相與架空地線之間的相互耦合阻抗；Zg為故障相與變電站接地網(wǎng)之間的相互耦合阻抗；δf為變電站分流系數(shù)。

從式（3）和（4）可以看出，桿塔接地網(wǎng)的輸入阻抗和變電站分流因子與極網(wǎng)（位于變電站有限長(zhǎng)度內(nèi)的極）直接相關(guān)。因此，在降低極網(wǎng)電位以降低極地電網(wǎng)電位升高的情況下，極處的階躍電壓和接觸電壓、輸入阻抗和變電站分流系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)有限距離內(nèi)的極地電阻增大時(shí)，變電站分流因子增大，這意味著向變電站接地網(wǎng)注入更大的電流。

1.2 變電站和磁極極地電位升高

磁極極地電網(wǎng)電位上升量與變電站極地電網(wǎng)電位上升量直接相關(guān)，其電路如圖1所示。

圖1 分流因子電路

從圖1可以推導(dǎo)出：

式中：EPRpole-1為磁極極地電網(wǎng)電位上升量；EPRSUB為變電站極地電網(wǎng)電位上升量；Ie為架空地線回路故障電流；If為總故障電流。

通過(guò)因子MN將兩個(gè)極地電網(wǎng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，因子MN可以表示為：

接地極的電流和相角為：

n極與變電站極地電網(wǎng)電位上升量相關(guān)的極地電網(wǎng)電位上升量關(guān)系為：

通過(guò)聯(lián)合間隔極地電網(wǎng)電位上升量來(lái)估算變電站極地電網(wǎng)電位上升量。如果允許的極地電網(wǎng)升高為K伏，則確保所有傳輸極在變電站故障下符合要求的最大變電站極地電網(wǎng)電位升高為K乘以MN。如果設(shè)計(jì)的變電站極地電網(wǎng)電位升高超過(guò)該值，則需要進(jìn)行輸桿塔設(shè)計(jì)評(píng)估。這些因素使得桿網(wǎng)（位于變電站有限長(zhǎng)度內(nèi)的所有桿塔）設(shè)計(jì)成為變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮：（1）輸電桿塔接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求降低桿塔底部的電網(wǎng)電阻，從而降低變電站電網(wǎng)電流；（2）通過(guò)降低變電站電網(wǎng)電流來(lái)降低變電站接地網(wǎng)的復(fù)雜性；（3）確保變電站和輸電桿在變電站故障下完全符合要求。

2 算例分析

為某地區(qū)規(guī)劃了一座新的高壓變電站，變電站由一條110 kV架空輸電線供電。輸電線路長(zhǎng)度為10 km，平均跨度為100 m；變電站位于40 m×40 m的區(qū)域；單層土壤電阻介于20 Ω～200 Ω；故障相位和桿塔接地網(wǎng)的間隔為3.8 m。5 m和10 m電極在不同土壤電阻率下的接地網(wǎng)電阻如圖2所示。變電站接地網(wǎng)布置如圖3所示。

圖2 不同土壤電阻率下5 m和10 m電極對(duì)應(yīng)的極地電阻

圖3 變電站接地網(wǎng)布置圖

桿塔接地網(wǎng)的自阻抗和互阻抗計(jì)算為：

不同極地電阻下桿塔接地網(wǎng)輸入阻抗的大小如圖4所示，使用不同的極地電流計(jì)算變電站的分流因子，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同極地電阻下桿塔接地網(wǎng)的輸入阻抗

圖5 不同極地電阻下桿塔接地網(wǎng)的分流因子

根據(jù)所提的計(jì)算方法，變電站極地電網(wǎng)電位升高在10 kA故障電流下的EPR介于918 V～1192 V之間，極地電網(wǎng)電位升高量高于允許的接觸電壓。根據(jù)圖2中不同土壤電阻率下極地電阻的變化規(guī)律，計(jì)算的MN系數(shù)在1.048～1.186之間，通過(guò)公式（9），計(jì)算出極地電網(wǎng)電位升高量在774 V～1136 V之間，電極接觸電壓的計(jì)算不符合要求，根據(jù)公式（11）計(jì)算的磁極極地電網(wǎng)電位升高量如圖6所示。

圖6 變電站故障下的EPR幅值

在多數(shù)情況下，位于變電站附近的電極接觸電壓較高，新極地電阻在1.38 Ω～18.57 Ω間變化，極地電網(wǎng)電位升高在659 V～1079 V變化，電壓符合允許限值，從而確保了設(shè)計(jì)的合理性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，變電站和輸電線路是兩個(gè)不同的項(xiàng)目，在許多情況下，變電站和輸電線路的接地設(shè)計(jì)由不同的設(shè)計(jì)單位完成，在變電站設(shè)計(jì)期間評(píng)估輸電桿塔需要在變電站故障情況下盡可能地確保系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)論

對(duì)于有限長(zhǎng)線路，輸電線路接地系統(tǒng)與變電站接地網(wǎng)之間存在密切聯(lián)系。在有限長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，需確保變電站和輸電桿在變電站故障下完全符合要求，通過(guò)降低變電站電網(wǎng)電流來(lái)降低變電站接地網(wǎng)的復(fù)雜性。本文量化了變電站接地電位升高與輸電極接地電位升高的關(guān)系，以幫助設(shè)計(jì)師根據(jù)極接地電位上升量來(lái)計(jì)算變電站接地電位上升，確保輸電線路接地系統(tǒng)在變電站故障情況下始終滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。