摘要：本文对110kV 变电站各种接地网布置方案进行综合分析。经过对水平接地网与复合接地网的对比得出，采用复合接地网有利于降低接触电位差、接地电阻值及跨步电位差；通过对接地网中导体等间距布置与不等间距布置的比较得到，采用不等间距布置有利于改善接地网电位分布、提高经济性。
关键词：变电站；接地网；优化设计
0引言
变电站接地装置可有效的保障电力设备稳定运行及工作人员的安全。随着机电设备使用量的及用电总额的增加，变电站电压等级及容量不断升高，变电站内接地网的安全性能的要求越来越高。接地网作为变电站的重要系统，直接关系到变电站设备稳定运行、工作人员的安全及整个电力系统的使用寿命。接地网设计过程中一般只注重接地电阻值的大小，施工过程缺乏监管，后期验收测试容易被忽视。由于接地不良而引起电力系统中断及相关电力设备损坏的实例众多，因此，本文以110kV 变电站为依据，根据设备安全运行参数，结合系统土壤电阻率值及最大入地短路电流，得到接触电位差、接地电阻、及跨步电位差允许值。校核接地网的跨步电位差及接触电位差，并通过对对不同方案的对比，对变电站接地网进行优化。
1．接地网设计优化设计的含义及原则
变电站接地系统的优化设计是通过对接地网内水平导体的合理布置，使土壤表层的电位及水平导体的泄露电流密度均匀分布，最大程度上利用水平导体的导电性能，降低接触电位差和跨步电位差，可靠的保证变电站的安全性能。
变电站接地网优化设计的原则是结合工程实际情况，在保证电力系统安全稳定运行的情况下，采用最经济的设计方案降低接地网建设成本。
2．变电站接地网设计的影响因素
变电站接地网设计时，会受到多种因素的影响，主要包括：
2.1土壤电阻率的准确性
土壤电阻率的准确性直接关系到接地网设计误差的大小。因此，在实际勘测的过程中，为了确保土壤电阻率的准确性，需要使用两种以上的方法进行结果对比分析。水平网埋深要根据土壤电阻率的大小因地制宜，并通过更改垂直接地极的长度获得较好的接地效果。
2.2选择合适的接地体
接地网导体的截面积决定其承受入地电流的热效应的能力，因此，接地网导体的截面越大越好，但在满足变电站安全稳定运行的情况下，继续增加导体的截面，就会增加更多的导体材料消耗，接地网的成本就会增加。
2.3减少接地电位
接地电阻R越小，接地网导电性能越好，入地短路电流越小，对人体越安全。接地网施工前，把地整平，尽量采用电阻率较低的土质降低接地电阻。同时，采用措施增大系统零序阻抗和分流。
3．变电站接地网设计的约束
3.1接地电阻允许值
本文根据某110KV变电站相关技术资料及变电站现有电气设备选型。得到变电站最大入地短路电流I=8.24kA。根据国内电力行业接地标准，可得到变电站内接地电阻值R：
R ≤2000/I ⑴
其中：R—最大接地电阻值（考虑季节系数变化），Ω；
I—计算得到的最大入地短路电流，A。
将最大入地短路电流数值带入上式可得到最大接地电阻为0.243Ω，随着电力系统容量的增大，变电站的短路电流不断升高，一些变电站接地电流已经达到30 kA甚至更高。接地网要求的接地电阻值的越来越低，选用的导体材料达到允许值难度增大。 因此，电力行业相关规定对接地电阻值的要求已经适当放宽，不再强制规定接地电阻必须小于０.５Ω。地电位升高允许值也不断加大，有的变电所甚至达到14.5kV。
3.2 接跨步电差及触电位差
变电站发生接地故障时，站内跨步电位差与接触电位差直接关系到人身安全。根据国内电力行业接地规程相关规定可知，在110kV及以上有效接地系统发生两相接地时或单相接地时，接地装置允许的最大接触电位差和最大跨步电位差为：
⑵
⑶
式中：Ut—接触电位差，V；
Us—跨步电位差，V；
ρs—地表面的土壤电阻率，Ω•m；
t—接地电流的持续时间，0.6s。
根据变电站保护系统设备配置及保护动作的相应时间，可得到接地电流的持续时间大约为0.6秒。根据检验测得的数据及考虑一定的影响因素将变电站内表层土壤电阻率取值为1500Ω•m，将数值带入公式⑵、⑶，可得到接地装置的跨步电位差Us和接触电位差Ut分别为1580.2V和553.8V 。
由于跨步电位差与接触电位差均和土壤电阻率成正比，变电站实际建设中，可通过提高表层土壤电阻率的方法，提高跨步电位差及接触电位差允许值。有效的保证接地系统的安全性能。因此，变电所构架周围、设备支架及道路敷应选用电阻率较高的混凝土、碎石、砾石或沥青。
3.3接地材质和截面的确定
接地材料一般选用铜及碳钢。由于钢材的成本比铜低，国内接地网常采用普通碳钢作为接地材料，选择接地材料时要充分考虑导体的热稳定性及耐腐蚀性。热稳定要求接地导体必须满足的最小截面积，计算公式为：
⑷
其中：Sg—接地导体的截面积，mm２；
Ig—不对称电流有效值，A，
te—等效持续时间，s；
C—热稳定系数。
因此，在满足承受入地电流的热效应的情况下。水平接地体采用40×5mm的紫铜排，垂直接地体采用50×5mm的角钢。考虑到接地体的抗腐蚀性能，接地体需要进行镀锌处理。
4．变电站接地网的优化设计
3.1土壤电阻率确定
土壤电阻率一般采用四极法进行多次测量并取平均值。勘测结果显示，拟建场地地层结构简单、稳定性较好、地层分布连续。土壤电阻率较稳定。运用所得测量结果计算土壤等值电阻率为140.5Ω•m，考虑到预留一定的安全系数，本次设计将土壤等值电阻率取值为150Ω•m。
3.2等间距接地网设计计算
变电站内接地网面积为75m×45m。将布置方式定义为：宽度方向的网个数×长度方向的网个数。结合以往布置经验及相关文献，将水平接地网设计为9×15、5×８、15×25、及7×11 等间距布置。复合接地网中每根垂直接地极2.5m长，与水平接地网节点焊接在一起。复合接地网接地电阻值、接触电位差及跨步电位差均低于水平接地网。复合接地网均压效果良好，安全性能更高。水平接地网15×25等间距布置的复合接地网接地电阻值接触电压差及跨步电压差均符合要求。水平接地网9×25等间距布置的复合接地网接触电位差和跨步电位差进均复合要求，但接地电阻小于0.5Ω。考虑到9×25等间距布置方式导体用量比15×25等间距布置方少，可将水平接地网9×25布置方式作为复合接地网等间距布置方案的首选方案。
3.3不等间距接地网设计
等间距布置的水平接地网，由于端部和邻近效应的存在，接地网边角处电流泄露量比网中心大许多。影响接地网电位分布，随着接地网面积和网孔数的增加，边角处与中心处的电势差不断增大。采用不等间距布置能够有效的改善接地网电位分布。布置示意图如图１所示，从网中心开始第i根与第i+1根导线间距逐渐增大。网孔边长可根据导线长度占接地网长度或宽度的百分比及结合GB／T 50065-2011 《交流电气装置的接地设计规范》的相关规定来确定。
图1 接地网不等距分布示意图
复合接地网与水平接地网相比在接地电阻值、接触电位差及跨步电位差方面具有明显优势。经过对复合接地网中水平接地网不等间距布置方案进行相应的参数计算，不等间距布置的复合接地网5×15、5×16、6×12、６×13、7×11和８×９设计方案接触电位差和跨步电位差均满足校验要求，接地电阻小于０.５Ω。因此，这６种不等间距布置的复合接地网符合设计要求。
3.4设计方案确定
本次优化方案设计水平接地体采用40×5mm的紫铜排，垂直接地体采用50×5mm的角钢。由于铜排成本较高，因此，在满足变电站安全性能的前提下，有尽量降低接地网必成本。选择性价比最高的接地网布置方案。对比结果如表1所示。
表3材料统计
由表1 可知，在保证变电站安全性能的前提下，不等间距布置复合接地网方案在用铜量及用钢量方面都比水平接地网等间距布置方案低。用铜量降低约20%，有钢量降低大约40%。其中，6×12不等间距布置的复合接地网用铜排量最少，各方面参数均能满足设计要求。考虑到经济性，6×12不等间距布置方式可作为水平接地网的布置方式。
5．结论
通过以上分析可知，与水平接地网相比，复合接地网在降低接地电阻值、接触电位差和跨步电位差等有明显优势方面；与等间距布置方式相比，采用不等间距布置的接地网电势分布较均匀。同时，接地网设计时，在有效保证变电站安全性能的前提下，尽量选用工程造价较低的设计方案。
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作者简介：晁岱峰（1987.05.24）；性别：男，民族：汉，籍贯：贵州省贵阳市，学历：本科，毕业于贵州大学；现有职称：工程师；研究方向：变电站电气一次。
论文作者:晁岱峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：变电站论文; 电位差论文; 间距论文; 电阻率论文; 土壤论文; 水平论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第19期论文;