交流特高压晋东南变电站1 100 kV GIS接地系统设计

2010-03-28方煜瑛

电力建设 2010年12期

方煜瑛，卢鹏

（河南平高电气股份有限公司，河南省平顶山市，467001）

0 引言

发展特高压已列入我国中长期发展规划，特高压输电具有广阔的发展前景，必将对输变电行业产生深远的影响[1-4]。国家电网公司1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程已经成功投运。全面总结特高压交流试验示范工程变电站设计经验，对指导后续1 000 kV变电站工程设计符合“安全可靠、技术先进、经济合理、环境友好”的原则，促进电力工业可持续发展具有重要现实意义[5]。

1 晋东南变电站1 100 kV GIS

1.1 1 100 kV GIS总体介绍

晋东南1 000 kV变电站1 100 kV开关设备采用1 100 kV气体绝缘金属封闭开关设备（gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS），该设备是由我国自主研制，主接线为一进一出，共2个间隔，包含2台断路器、5组隔离开关、8组接地开关、3支避雷器、6支套管以及508 m长的管道母线。晋东南1 100 kV GIS主接线和总体布置见图1，设备长度达到62 m，宽度达到43.5 m，最高处（套管）达到17 m[6]。

1.2 GIS的主要技术参数

晋东南特高压变电站1 100 kV GIS额定电压为1 100 kV，额定电流为6.3 kA（设备及分支母线）/8 kA（主母线）；额定短路短时耐受电流为50 kA，额定短路持续时间为2 s；断路器为双断口卧式布置，额定短路开断电流为50 kA，首开极系数为1.3，其分闸时间不大于30 ms，合闸时间不大于120 ms，每相分、合闸并联电阻值为600 Ω[7]；机械寿命5 000次，配置液压操动机构。

1.3 1 100 kV GIS接地网的特殊要求

常规超高压变电站通常采用单网接地设计，材质为钢，这种接地方案已不能满足特高压GIS变电站的要求。1 100 kV GIS通流容量大，工作电流呈正弦交变，使设备外壳对地之间感应出电动势，产生持续的感应电流。同时，在GIS中存在快速暂态过程，在其作用下将产生快速暂态过电压（very fast transient over-voltage，VFTO），在此过程中，可能在GIS接地的外壳上出现暂态地电位升高（transientground potentialrise，TGPR）。针对1 000 kV设备的特点，为了确保人身和设备的安全，GIS需要采用多种接地措施。

2 晋东南1 100 kV GIS接地要求

1 000 kV特高压变电站电气装置的接地设计是确保系统正常运行和故障时电气装置、运行人员安全的重要技术安全措施。对于装用1 100 kV GIS的变电站，按照GB 50065—200×《交流电气装置的接地设计规范》[8]送审稿设置变电站的接地网，还必须在GIS所在区域设置专用的辅助地网，并与变电站接地网相连。辅助地网的作用是：

（1）在系统正常运行时，将三相外壳上感应电流的不平衡电流引入地网；当系统发生故障时，将在外壳上感应的瞬时电流快速引入地网。

（2）将隔离开关开合母线充电电流引起的特高频暂态电流快速引入地网，以降低对运行人员和二次设备的不利影响。

（3）将GIS正常运行和故障时在外壳上产生的接触电压和地面上的跨步电压限制在安全范围内。

1 100 kV GIS的专用辅助地网应由GIS设备厂商根据设备的具体结构布置、参数和接地要求进行计算和设计。辅助地网应使用铜质导体，网格的疏密和所用铜排的截面取决于设备的布置、接地点的数目和可能通过的工频短路电流、雷电冲击电流和特高频电流的大小，其设计应能确保在正常运行时和故障状态下，外壳上的感应电压和地面上的跨步电压满足运行人员安全的要求以及二次设备的电磁干扰要求。

为了保证外壳上的大电流和特高频电流能快速导入地网并有较强的防腐性能，要求1 100 kV GIS专用辅助地网与变电站主地网的连接应采用焊接。辅助地网的接地引下线应由可能通过的额定短路电流决定，三相外壳之间应装设足够数量的相间导流排并形成闭环回路，每个闭环回路应尽量以最短的距离与辅助地网相连，并能承载额定短路电流的作用，相间导流排应能承载额定电流。

3 晋东南1 100 kV GIS感应电流分析

3.1 GIS设备相间环流分析

由于特高压GIS采用多点接地方式，壳体、接地线、接地网中都会流过感应电流，当主回路中电流增大时，接地线、接地网中的感应电流也将增大。为不使接地线过热，应设置连接分相壳体的相间导流排，尽量通过相间导流排处理感应电流，而不通过辅助网、接地网来处理，图2为相间环流示意图。

通过对特高压GIS向接地网注入电流的计算分析和对分相壳体上的感应电流估算，1 100 kV GIS接地线电流三维解析模型见图3，1-18指测点位置，接地线电流解析结果见图4。在回路的两端设置相间导流排，壳体的感应电流大部分通过相间导流排处理，而通过垂直接地线中的电流可控制在额定电流的5%以内，其值小于350 A。套管部位接地线的感应电流最大，达到了额定电流的12%，其值约为800A。

3.2 辅助网格间距对接地线中感应电流的影响

通过计算不同辅助网格间距对感应电流的影响，认为网格间距为3～6 m时，网格间距对流入接地网的电流值没有较大的影响；若网格过密，会造成接地线中流过的电流增大，虽然不会对接地网的温升造成影响，但必须要考虑接地引下线的温升。

3.3 GIS设备中暂态地电位升高的分析

通过分析开关设备操作时产生暂态地电位升高（transientground potentialrise，TGPR）的原理可知，母线壳体上不存在不连续的部分时，就不会在壳体上产生TGPR。由于晋东南变电站1 100 kV GIS没有绝缘法兰，因此在壳体上不会产生TGPR现象，而仅在套管出线处产生TGPR。该处的TGPR幅值与壳体对地的阻抗Z成正比，由于在高频领域，接地线的阻抗（ωL）很大，通过降低ωL来降低Z是比较困难的，因此采用相间导流排将GIS三相壳体短接来降低Z，也即采用解决GIS环流时采用的相间导流排来解决TGPR的问题。根据计算，当接地线连接在辅网的网格交叉点时，网格间距不同对TGPR的影响很小。

综合以上计算结果，再考虑到方便土建施工、便于连接接地线等方面，最终确定辅网网格间距为5 m。