1000 kV GIS(HGIS)接地设计方案

庞亚东，倪 敏

（北京国电华北电力工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

国家电网公司1000 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。全面总结特高压试验示范工程设计经验，对指导后续1000 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的现实意义。

晋东南变电站1000 kV开关设备选用GIS，南阳开关站和荆门变电站1000 kV开关设备选用HGIS。晋东南站GIS的主要技术参数为：额定电压1100kV，母线额定电流8 kA，进出线额定电流6.3 kA，额定短时耐受电流50 kA/2 s；南阳站和荆门站HGIS的主要技术参数为：额定电压1100 kV，进出线额定电流6.3 kA(荆门站5 kA)，额定短时耐受电流50 kA/2 s。

为了确保人身和设备安全，GIS和HGIS均采用了多种接地措施。1000 kV GIS（HGIS）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（HGIS）中存在快速暂态(VFT)过程，在其作用下将产生快速暂态过电压(VFTO)，在此过程中，可能在GIS接地的外壳上出现暂态接地电位升(TGPR)。

针对1000 kV设备的特点，设备的接地方案一方面要依靠设备自身采取措施，另外需要制订合理设计原则，使其既方便施工，又保证人身和设备安全。

1 设计规程对GIS(HGIS)的接地要求

安全接地设计要实现2个目标：一是在正常和故障条件下，将电流引入到大地，不超过任何运行和设备的限制，即保证设备安全；二是保证运行人员人身安全。HGIS相当于母线敞开式布置的GIS，从而针对GIS的接地要求，同样适用于HGIS，同时由于HGIS相间距离大，其接地要求更高，技术方案也更为复杂。将国内外相关规程针对GIS接地要求的条款进行汇总，以便使特高压工程的接地设计方案能够有的放矢。

1.1 DL/T5352—2006《高压配电装置设计技术规程》

（1）GIS配电装置感应电压不应危及人身和设备的安全。外壳和支架上的感应电压，正常运行条件下不应大于24 V，故障条件下不应大于100 V。

（2）在GIS配电装置间隔内，应设置1条贯穿所有GIS间隔的接地母线或环形接地母线。将GIS配电装置的接地线引至接地母线，由接地母线再与接地网相连。

（3）GIS配电装置选用分相设备时，应设置外壳三相短路线，并在短路线上引出接地线通过接地母线接地。

外壳的三相短接线的截面应能承受长期通过的最大感应电流，并应按短路电流校验。

1.2 DL/T 5091—1999《水力发电厂接地技术设计导则》

（1）离相式GIS宜采取多点接地方式。接地线布置在三相短接板处，使接地线在正常运行时，只流过不平衡电流。离相式GIS外壳感应电流约为80%导体电流，其外漏磁很少，通常不会引起钢构发热。

（2）专用接地母线及与地网连接线的截面应按最大单相短路电流的70%进行选择，热稳定时间按2s考虑。

1.3 GB 5064《交流电气装置的接地设计规范》（征求意见稿）

GIS外部近区故障人触摸GIS的金属外壳时，手—脚的接触电位差应满足

式中：Utmax为接地网最大接触电位差，由人脚下的点所决定；U'tomax为GIS外壳上、外壳之间或这些外壳与任何水平/垂直支架之间金属到金属因感应产生的最大电压差；Ut为接触电位差容许值。

1.4 IEEE Std 80—2000《交流变电站安全接地导则》

由于GIS的紧凑结构特征和短尺寸，在绝缘气体中的电气击穿、母线对地击穿或运行期间断路器或隔离开关操作时，两触头间的气体击穿都将产生高频的暂态分量，可能耦合到接地系统中。在整个接地系统中必须考虑这些暂态分量，它可能引起幅值很高、持续时间很短的地电位上升。

1.5 小结

可以看出，相关规程中对GIS接地均作出了具体要求，因此，具体工程中GIS和HGIS接地设计需要结合工程情况、设备特点进行深入研究，以满足规程要求。

2 GIS和HGIS的感应电流分析

2.1 GIS感应电流

对于典型的GIS变电站，GIS外壳通过短接母排短接后，在正常运行时，设备外壳上会产生一个方向相反而其数值几乎与母线导体上流过的电流相等的感应电流，使得壳外的剩余磁场大为降低，设备周围的支架、基础及接地网中几乎不存在热损耗或温升。

交流特高压试验示范工程中，晋东南1000 kV变电站采用GIS。由于其外形尺寸大，额定电流达到6.3kA，其对外壳、支架及接地线感应电流不容忽视。通过设备厂家解析计算，可以得到如下主要结论。

（1）关于接地线感应电流，套管部位最大，达到额定电流的12%，其值约为800 A。

（2）GIS短路板处接地线电流，应在额定电流的5%以内，其值小于350 A。

（3）短路板在套管处的电流值约为额定电流的40%，其值约为2.8 kA。在主母线侧的电流值约为额定电流的63%，其值约为4.4 kA。

（4）当导体电流为6.93 kA时，A相和C相壳体电流值为4.8 kA，低于DL/T 5091—1999《水力发电厂接地技术设计导则》中的经验值，证明外漏磁较多，B相壳体电流值为6.022 kA。

1000 kV GIS各点接地线感应电流分布如图1所示。

2.2 HGIS感应电流

在正常的工作状态下，HGIS接地网中的感应电流要明显高于典型的GIS变电站。其主要原因在于1000 kV HGIS相间距离达到15 m，导致HGIS设备外壳上的感应回流远远小于额定电流，初步计算结果表明外壳感应电流不足额定电流的65%。壳外的剩余磁场不为0，该剩余磁场在接地网中会产生很大的感应电流。

南阳开关站和荆门变电站均采用HGIS。生产厂家通过EMTP（电磁暂态计算程序）计算软件，得出荆门变电站（额定电流4kA）地网中的感应电流情况。

工况1：计算时考虑了HGIS专用铜接地网，铜接地母线假定敷设深度为0.4 m。

工况2：同工况1相比，在GIS的套管端部增加考虑了汇流母排。

工况3：同工况2相比，增加考虑了设备基础下方0.8 m深处敷设的变电站主地网的影响。变电站主地网材质为扁钢。

各种工况下感应电流值参见表1，表1中的计算点在HGIS的具体位置见图2。

通过计算，以工况3为参考，HGIS工作电流为4 kA时，端部引下线感应电流为939 A，相间短路线为1.864 kA/850 A。

表1 3种工况下HGIS汇流母线及主地网中的感应电流Tab.1 HGIS collector bus and main ground network induced current A

由上述分析可见，GIS和HGIS接地线均存在较大的感应电流，尤其HGIS更为严重。GIS和HGIS接地线感应电流持续存在，且注入到主地网中，因此需选择满足热稳定要求的接地线，并需对设备下的主接地网做适当的加强。

3 接地设计方案

交流特高压试验示范工程，主地网均采用热镀锌扁钢，设计网格尺寸为15～20 m，理论上只要变电站的接地电阻值满足相关设计规范要求，接地线截面满足长期感应电流要求就没有问题。但从工程施工方便考虑，1000 kV GIS接地点众多；HGIS相间距离大，需设置相间汇流母线。采用接地引下线直接与主地网连接方式，施工难度大，1000 kV设备基础体积较大，混凝土一般分2次施工，因此铺设适当间距的辅助地网是最佳方案。

3.1 晋东南变电站GIS辅助地网方案

（1）由于1000 kV GIS接地引下点数量众多，但局部相对比较集中，且分布较有规律（沿纵向直线排列），因此铺设5 m×5 m的辅助接地网较为合理。

（2）辅助接地网敷设于GIS基础的二次浇灌层以下。

（3）辅助地网采用70 mm×10 mm热镀锌扁钢，辅助接地网外缘的交叉处就近与主接地网交叉处连接，连接线在出基础混凝土后的500 mm的范围内做防腐处理。

（4）基础表面上设置与GIS连接的接地端子，接地端子与辅助接地网交叉点处用70 mm×6 mm铜板可靠连接。

接地网连接示意图见图3。

3.2 荆门变电站HGIS辅助地网方案

1000 kV HGIS的接地必须要满足正常运行时地网中的感应电流及短路热稳定的要求，根据表1计算结果HGIS接地设计方案如下：

（1）HGIS辅助地网采用50 mm×5 mm的铜排。

（2）在HGIS两端母线套管的下方需敷设2根平行的50 mm×5 mm的铜排。

（3）为了降低主地网尤其是套管下方主地网中的电流，在HGIS两侧套管处需采用2×50 mm×5 mm的铜排作为汇流母线。

（4）垂直HGIS方向需采用1或2根50mm×5mm的铜排。

（5）辅助地网采用带绝缘护套的铜绞线或铜排，敷设在HGIS基础二次灌浆层之下，铜绞线与主地网镀锌扁钢间的焊接采用放热焊，焊接处用绝缘热缩材料封闭包裹以防止电化学腐蚀。

1000 kV HGIS辅助地网连接方式与GIS相似。

3.3 接地设计方案分析

特高压交流试验示范工程接地方案满足了相关规程规范的要求，具体体现在以下各方面。

（1）GIS、HGIS设置相间短路线，最大程度上抑制了感应电流幅值，满足正常及事故状态下，设备外壳和支架上感应电压的要求。

（2）对于主回路上发生的快速暂态过电压(VFTO)，主要通过断路器、隔离开关上设置电阻的方式抑制。

（3）辅助地网的设计应结合设备资料和土建基础施工方案，合理确定埋设深度和网格尺寸。

（4）辅助地网及其接地连接线的截面尺寸，一方面应能承受长期通过的最大感应电流，同时要按最大单相短路电流来校验。在此基础上，还应保证设备外壳及接地线温升满足相关标准要求。

（5）采用GIS或HGIS时，计算最大接触电压应考虑设备外壳、外壳间以及外壳与支架的感应电压的影响，因此，需要采取措施减少漏磁，降低感应电流。

4 结论

随着交流特高压试验示范工程的成功投运，1000 kV GIS和HGIS的接地问题得到了很好的解决，对后续特高压工程具有很好的示范作用。

（1）具有气体绝缘金属封闭开关装置的变电站(GIS和HGIS变电站)接地电阻的要求与常规变电站基本相同。

（2）考虑便于施工，同时为满足1000 kV GIS和HGIS外壳感应电流的释放、开关设备操作引起的快速暂态电流的快速流散等，应就近设置GIS（HGIS）区域辅助接地网。该辅助接地网细节应由设备制造厂提出要求或设计。

（3）为了快速流散正常时的感应电流和GIS操作时产生的快速暂态电流，GIS（HGIS）区域专用接地网宜采用铜导体。同时为了防止专用接地网与主接地网采用不同导体材料产生的腐蚀，主接地网也宜采用铜或镀铜钢材料。

（4）对于500 kV气体绝缘变电站，由于系统要求其通流容量日益增大，需要参照特高压工程考虑并加强辅助地网的设计工作。

[1]DL/T 5352—2006高压配电装置设计技术规程[S].

[2]DL/T 5091—1999水力发电厂接地技术设计导则[S].

[3]GB5064交流电气装置的接地设计规范（征求意见稿）[S].

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