（河北省电力勘测设计研究院）
摘要：良好的接地系统是保证变电站安全运行的必要条件，接地系统设计一贯受到设计和生产运行部门的高度重视。超高压变电站电压等级高、容量大、接地短路电流水平较高，为保证变电站安全、可靠运行，对接地系统的设计提出较高的要求。
关键词：接地系统；变电站；短路电流水平
0 引言
执行GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》，已有的500kV工程研究成果，运用CDEGS软件进行建模仿真验证。确定确定土壤分层模型；确定变电站接地电阻及故障电流分流系数；计算接触电势及跨步电压最大允许值；确定变电站接地网的材质与截面；提出变电站接地网的布置方案；分析本站接地系统安全性能，提出处理措施。
1 土壤模型建立
涉武500kV变电站拟选站址位于武安市西部的马村，马村站址距武安市约30 km。拟选马村站址附近有G309国道通过，交通便利。工程所在区域位于太行山前低山丘陵区，站址区地貌类型为山前坡地（坡洪积群），拟选站址区地势较开阔，相对平坦，站址附近发育多级黄土陡坎及冲沟，拟选站址区上覆地层以第四系冲洪积成因的黄土状粉土、黄土状粉质黏土、粉土混碎石为主。
根据钻探结果，涉武500kV输变电工程拟选站址区上覆地层以第四系冲洪积成因的黄土状粉土、黄土状粉质黏土、粉土混碎石为主，下伏基岩为强～中等风化石灰岩。根据附近工程资料，按埋藏条件将20m深度范围内地层自上而下分述如下：
黄土状粉土：褐黄色，稍密，稍湿，土质不均匀，见钙纹，见姜石，粒径多在2.0cm以下，最大约5.0cm，具大孔隙，无光泽，局部含黏性土团块，摇震反应中等，韧性差，干强度低。层厚约3.0～5.0m。
黄土状粉质黏土：黄褐色～红褐色，可塑，土质不均，具大孔隙，见姜石，粒径小于3.0cm，摇震反应中等，干强度及韧性中等。层厚约7.0～10.5m。
粉土混碎石：褐黄色，稍湿～湿，中密，土质不均匀，碎石含量及分布变化较大，局地以碎石为主，母岩成分以砂岩及石灰岩为主，磨圆度较好，干强度低，韧性差，摇振反应中等，无光泽。层厚0.0～3.0m。
石灰岩：强风化状态，灰～灰白色，中厚层～厚层状，致密块状构造，节理、裂隙发育，按岩石坚硬程度分类为软岩，按岩体基本质量等级分类为Ⅴ类。层厚约2.0～6.0m。
石灰岩：中等风化状态，灰～灰白色，中厚层～厚层状，致密块状构造，节理、裂隙较发育，按岩石坚硬程度分类为较软岩，按岩体基本质量等级分类为Ⅳ类。层厚约5.0～10.0m。
根据站址勘测专题，站址土壤分层结构如表2-2。
利用CDEGS软件对测量结果的平均值进行建模分析，图1-1为依据土壤拟合模型计算结果与测量结果的对比曲线，计算结果最大误差为7.972％，拟合结果效果较好，土壤分层模型合理。
调研冻土层的厚度是正确设计变电站接地系统的基础，对于确保变电站的安全可靠运行起着重要的作用。
因此，在设计时必须分析冰冻高阻层引起的接地电阻、接触电势和跨步电压的增加是否导致地网安全性能的下降。经调研，本站站址的冻土层厚度为0.80m。
2 本站入地故障电流、分流系数及故障延时的确定
2.1 分流系数
利用CDEGS软件分析变电站在故障时架空地线的分流系数，计算时需要各级线路杆塔档距的档距、塔形、杆塔的接地电阻、以及线路的地线型号。因已有变电站接地网和杆塔接地电阻的确切值无法弄清楚，本站按照常规工程中的计算结果，分流系数取50%。入地故障电流取30kA。
2.2 故障延时时间
根据现有规程规定，当变电站的继电保护装置有两套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，切除故障电流的时间t可按下式取值：
(2-1)
考虑500kV变电站安装2套主保护，切除故障电流的时间t按3-2式计算。主保护动作时间约为20ms，断路器失灵保护动作时间约为0.3s，断路器开断时间目前暂按50ms，因此，切除故障电流的时间t约为0.37s，本专题中按0.4s进行计算。
3 本站接触电势、跨步电压、地电位升的安全允许值
3.1 接触电势、跨步电压安全允许值
根据“GB/T 50065-2011，交流电气装置的接地设计规范”规程：此时接触电位差和跨步电位差允许值的计算公式：
接触电位差：
为提高接触电位差和跨步电位差的阈值，可在地表铺设沥清、沙砾等一类物质，以增加表层土壤电阻率。
取表层电阻率3000欧姆米时，本站接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：
3.2 允许地电位升与二次设备安全的关系
根据现有规程规范，变电站接地网在发生接地故障后地电位升高超过2000V时接地网及有关电气装置应符合以下要求：
1) 低压接地系统采用保护等电位联结系统；
2) 采用铜带 (绞线)与二次电缆屏蔽层并联敷设。铜带 (绞线)至少应在两端就近与接地网连接(当接地网为钢材时，尚应注意铜、钢连接的腐蚀问题)，铜带(绞线)较长时，应多点与接地网连接。二次电缆屏蔽层两端就近与铜带 (绞线)连接。铜带 (绞线)的截面应满足热稳定的要求；
3) 为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向站外或将低电位引向厂、站内的设备，应采取隔离措施。
当接地装置的接地电阻不符合R≤2000/I要求时，可通过技术经济比较适当增大接地电阻。在符合以上两点要求的前提下，接地网地电位升高可提高至5kV。
由于二次电缆双端接地带来的一个问题是短路时有部分故障电流流过二次电缆的屏蔽层，如果故障电流较大，则有可能烧毁屏蔽层。目前，电力系统反事故的主要措施中规定，即在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜接地带，铜接地带接地网，二次电缆与铜接地带可靠连接，这样短路故障时，由于铜接地带的阻抗比二次电缆屏蔽层的阻抗小得多，因此故障电流主要从铜接地带中流过，而流过二次电缆的屏蔽层的电流较小，可以克服双端接地时可能烧毁二次电缆的问题。且短路时，施加于电缆和二次设备上的电位不会是地电位升，其最大值不会超过所连两端的地电位差。由于电缆所连两点均位于变电站内，其电位差应当小于地电位升，其电位差最多为电流注入点的电位与变电站内最小电位升的差，即变电站内两点之间的最大电位差。
因此，综合各方面的因素，本站的地电位升取5kV是可行的。
4 本站接地材料的选择
4.1 接地导体材料的选择
选择导体材料时应当考虑导体的热稳定性、导体在土壤中的腐蚀情况、导体的导电性能、材料的价格及来源。
1) 热稳定性
当温度超过一定值以及在土壤中自然冷却之后，导体的机械性能就会剧烈下降，特别是在导体之间的连接处，如果再遇到短时大电动力作用，导体就会遭到破坏；当短路电流很大，导体温度很高，达到金属材料的熔点时，导体将被熔化。这两种原因都有可能使接地网导体断裂，接地网解体，大大降低接地网的可靠性。导体的允许最高温度及熔点温度越高，其热稳定性能越好。铜的短时最高允许温度为300℃，熔点为1083℃；钢的短时最高允许温度为400℃，熔点为1550℃。因此钢的热稳定性能要好些。
2) 导体在土壤中的腐蚀速度
埋在土壤中的金属将被腐蚀，由于腐蚀的作用，导体直径不断减小，接地网的热稳定性能及导电性能都会不断降低，超过一定的年限，导体就会被腐蚀、断裂，接地网解体造成事故。因此在选择导体材料时应考虑选用耐腐蚀的材料。
埋入土壤中的接地网，其表面的不同部位因接触介质的理化性质不同而形成了不同的电极电位。这种接地网金属构件的不同电位及电位差异是引起接地网土壤腐蚀的根本原因，其腐蚀机理在本质上是电化学腐蚀。电位偏负的金属，也就是常见的比较活泼金属，如Fe(铁)，容易失去电子，在土壤中容易被腐蚀，这就是钢接地网容易被腐蚀的重要原因。
3) 导体的导电性
接地网尺寸越大，土壤电阻率越低，导体电阻率越高，各部分导体的电位差就越大。设计中必须考虑对这种电位差的控制。此外，若以铜的导电率为100%，钢的导电率仅为10.8%，因此铜的导电率是钢的10倍左右。在同样的的短路电流作用时，钢发热要严重的多，导体升温也要高得多，对热稳定不利。同时，由于钢的导电性比铜差，钢材接地网的不等电位问题比铜材接地网的不等电位问题突出，特别是钢材磁导率的饱和特性，使得钢制地网的安全性能分析变的较为复杂。
4.2 接地导体截面积选择
选择导体截面一般根据稳定性要求来确定导体的最小截面，同时考虑导体的腐蚀性，并留有一定的裕度。
在GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中，根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地导体(线)的最小截面应符合：
在校验接地导体(线)的热稳定时， 及 应采用表4-3所列数值。接地导体(线)的初始温度，一般取40℃。对钢和铝材的最大允许温度分别取400 ℃和 300 ℃。铜(含铜镀钢绞线和铜镀钢棒)釆用放热焊接方式或铜焊方式时，最大允许温度分别取700 ℃或450 ℃。在爆炸危险场所，应按专用标准或规定执行。
根据热稳定条件，没有考虑腐蚀时，接地装置的接地导体的截面尺寸不宜小于连接至该接地装置的接地线的截面的75%。
若接地材料选用热镀锌扁钢，经计算，主接地网截面不得小于312.7mm2，接地引下线截面不得小于416.9mm2。计及腐蚀影响，若满足地网的寿命不小于40年，则需要采用截面为-80×8mm2的热镀锌扁钢作为主地网材料，采用截面为-80×10mm2的热镀锌扁钢作为接地引下线材料。
若接地材料选用铜材，经计算，主接地网截面不得小于87.9mm2，接地引下线截面不得小于117.2mm2。计及腐蚀影响，采用截面为-40×5mm2的铜材，地网寿命大于40年；采用截面为-50×5mm2的铜材，接地引下线寿命大于40年。
综上所述，从导电性、耐腐蚀特性、可靠性等技术特性来说，铜接地体在综合性能上要优于镀锌钢接地体，从经济上来说，铜接地体的一次性投资比较高，在本站设计寿命范围内，钢接地体总的经济性优于铜地网。因此，我们推荐采用镀锌扁钢做为本站接地材料。
本工程接地材料及截面选择如下：以水平接地体为主，在避雷器、避雷针等处设置长度为2.5m的DN50镀锌钢管作为垂直接地极，形成复合地网。在避雷器、避雷针及四周处设垂直接地极作集中接地，并与主接地网连接。主接地网采用-80×8镀锌扁钢，电气设备通过-80×10镀锌扁钢与主接地网可靠连接。
5 地网模型建立
本站面积较大，500kV侧短路点可能会对接地阻抗产生影响，同时接地阻抗又会影响分流系数的大小，从而造成地表电位、接触电势和跨步电压分布不同。因此需要对各短路点逐一分析。通过分析比较各种可行的接地系统设计方案，研究规律，提出实际变电站接地系统的设计方案。
5.1 优化设计原理
通过降低接地电阻来降低接地系统短路时的地电位升，确保二次系统的安全，同时采用优化地网水平导体的方法来均衡地表的电位分布，确保接触电势和跨步电压满足人身安全要求。采用优化设计能够有效地改善接地系统的电位分布的不均匀性，这将从两个方面提高接地系统的安全性能：一是降低接触电势和跨步电压，确保故障时寿命安全；二是由于均衡电位，可以降低故障时出现通过二次电流施加在二次设备上的过电压水平，提高电气设备的安全性。
接地系统的优化设计就是在已有接地系统范围的情况下，通过调整水平接地网的接地导体的布置确保接地系统达到最安全。接地系统的安全参数包括接地电阻，地表电位分布、最大接触电势和最大跨步电压。因此，接地系统的优化就是使接地系统地表的电位分布均匀，接地系统的接地电阻、地表最大接触电势及跨步电压最小。所以，非均匀土壤中接地系统优化的原理就是寻找一种合理的接地系统水平接地导体的排列方式，在这种接地系统布置方式下，接地系统表面的电位分布最均匀，接地系统的接地电阻、地表的最大接触电势和最大跨步电压达到最小值。
按指数规律布置地网导体不仅降低地表电位梯度，同时它也被证明是一种安全、经济的设计方法。使导体间距按指数规律分布，则距离中心网孔为n级的网孔间距为
根据以上定义可知，当给定地网边长L和导体根数N时，只要确定压缩比C便可得到地网的布置方案。因此接地系统优化设计工作的目标就是寻找最优压缩比，使接地电阻、最大接触电势和最大跨步电压达到最小值。这样我们可以利用接地系统电气参数分析软件，计算不同的压缩比对应的接地系统地表面的最大接触电势和最大跨步电压，以及接地系统的接地电阻，将接地电阻、最大接触电势和最大跨步电压最小时的压缩比，定义为最优压缩比，在此压缩比时接地系统的布置方式就是最优布置方式。
5.2 接地网方案的选择
经CDEGS计算，采用均匀布置方式比不等间距地网接地电阻增加2.1%，最大接触电势增加16.4%，最大跨步电压减小0.07%，最大地电位升增加1.4%。采用不均匀地网对减小边缘接触电势有比较明显的优势，因此，本站水平地网四周靠近围墙处采用不均匀地网布置方式。
综上所述，本站接地系统可采用如下方案：(1)水平接地网埋深0.8m；(2)水平接地网结合垂直接地体；(3)接地网边缘采用帽檐式均压结构；(4)采用压缩比0.68。初步得到涉武变电站接地系统的设计方案，如图2所示。
5.3 计算结果及分析
依据已定土壤电阻模型，按50%分流系数考虑，入地电流取为30kA时，接触电势、跨步电压、地电位升分布如下。
经计算本站接地方案结果：接地电阻为0.29，跨步电压最大值约为223.3V V，允许值约为189.1V V；接触电势最大值约为322.3V V，允许值约为150.3V；跨步电压不满足要求，接触电势不满足要求。为了安全操作考虑，在地表敷设厚度不小于15cm、电阻率不小于3000欧姆米的碎石，地面经处理后跨步电压最大值约为223.3V，允许值约为2151.9V；接触电势最大值约为322.3V，允许值约为641.0V；跨步电压和接触电势均满足要求。
6 主要结论
(1) 建立土壤分层模型，利用CDEGS软件对土壤电阻率测量结果的平均值进行建模分析，土壤拟合模型计算结果与测量结果的最大误差为7.972％，拟合结果与实际土壤分层吻合，土壤分层模型合理。
(2) 本站的分流系数按0.5选择；接地短路(故障)电流的持续时间按0.4s取值。
(3) 经计算全站主地网水平接地体采用-80×8镀锌扁钢，重要设备的接地线每相采用两根-80×10镀锌扁钢，垂直接地极采用DN50的镀锌钢管。
(4) 对比CDEGS计算结果，采用不均匀地网对减小边缘接触电势有比较明显的优势，本站接地系统采用边沿按最优压缩比0.68不等间距、中间按12m等间距布置的水平地网和垂直接地极的立体地网设计，在地表敷设厚度不小于15cm、电阻率不小于3000欧姆米的碎石。
(5) 采用CDEGS对拟选站址进行了建模计算，计算结果如下表。
结论绝缘处理后安全性满足要求
通过上述措施后，本工程接地网满足要求。
作者简介
张超（1984.01-），男，河北石家庄人 单位：河北省电力勘测设计研究院，研究方向：智能变电站技术。
论文作者:张超,李冲
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/15
标签：电势论文; 电位论文; 导体论文; 截面论文; 变电站论文; 系统论文; 土壤论文; 《电力设备》2016年第5期论文;