高寒冻土地区牵引变电所接地系统设计探讨

丁 峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

高寒冻土地区牵引变电所接地系统设计探讨

丁 峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

从牵引变电所接地系统设计目的分析出发,讨论现行设计规范对接地电阻值要求的局限性,并结合实际案例,采用仿真计算和实地测试等方法进行验证,提出对于高寒冻土地区牵引变电所的接地系统设计思路,应结合工程具体情况整体考虑,避免只简单注重接地电阻值,而忽视对地电位分布的分析。

牵引变电所;接地系统;接触电势;跨步电势;地电位升

牵引变电所接地网性能是否能满足所内电气设备的安全运行及运营人员的人身安全,其技术指标是否经济合理,直接取决于接地网设计的正确性。而进行接地设计,首先需知道接地网敷设处的大地土壤电阻率。土壤电阻率作为接地设计的基础依据、决定地网性能的重要参数,由于受大地结构复杂性的影响,数值的变化范围很大,尤其在高原冻土地区,其值可高达数千Ω·m,往往使得位于该类地区的牵引变电所接地电阻值设计困难,很难满足现行相关规范推荐值的要求。

本文以高原某线牵引变电所实测数据为例,分析和讨论高寒冻土地区牵引变电所接地系统的合理设计。

1 不同“标准”接地电阻要求

《铁路电力牵引供电设计规范》(TB10009—2005)(以下简称《铁标》)规定,当流经接地装置的入地短路电流大于等于4000A时,牵引变电所接地电阻值不应大于0.5Ω;在高土壤电阻率地区,允许将接地电阻值提高,但不应超过5Ω,同时应采取相应措施,并校验接触电势和跨步电势[1]。

《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》(IEEEStd80—2000)标准中对接地电阻规定,为了使地电位升减小到最小,接地系统对远端大地应保持较低的接地电阻值,对于大多数变电所及占地面积较大的变电所,其接地电阻值通常可为1Ω左右,而对于较小规模的变配电所,应根据当地条件确定,通常可接受的电阻值范围为1～5Ω[2]。

由上述标准内容可以看出,两者对接地电阻值的相关规定存在着一定的差异,与IEEE相对宽松的接地电阻值要求相比,《铁标》的规定则较为严格。

2 接地分析

2.1 电阻值要求局限性分析

(1)对于牵引变电所敷设的复合型地网,其接地电阻可按下述简化公式计算

式中 Rg——变电所接地电阻,Ω;

ρ——变电所所在地土壤电阻率,Ω·m;

A——变电所接地网面积,m2;

LT——接地导体总埋设长度,m。

由(1)式可知,在诸多影响接地电阻大小的因素中,最大的影响来自于土壤电阻率,其值的变化与接地电阻值成正比。图1为某高原测得的不同季节的土壤电阻率变化曲线,由图1可以看出,在高寒冻土地区,其高土壤电阻率特性往往不随季节的变化而变化,在此类不良土壤地区设置牵引变电所,要使接地电阻值满足《铁标》规定的接地电阻要求是十分困难的。

图1 土壤电阻率测量值曲线

另由(1)式知,在土壤电阻率一定的情况下,接地电阻值的大小主要取决于接地网面积。以图1测得的数据为例,假定土壤电阻率取1500Ω·m,接地电阻值按《铁标》规定以最大限值5Ω计,根据公式(1)可知,地网面积需求为175×175m2。而对于牵引变电所而言,由于所内变配电设备数量的局限性,特别是采用GIS设备的变电所,其场坪一般来说不可能达到上述面积,也即是说,在高土壤电阻率地区,依靠常规的接地网敷设方式难以达到《铁标》规定的接地电阻限值。

(2)目前我国客运专线及重载铁路牵引变电所电源进线常采用220kV及330kV电压等级。随着变电所接入系统容量的不断增大,流经接地网的入地短路电流也大大增加,以某万吨铁路为例,牵引变电所进线采用220kV电压等级,根据电力系统提供数据,变电所处短路电流可达9000多A。根据《铁标》规定,当所内入地短路电流大于等于4000A时,牵引变电所接地电阻值应小于等于0.5Ω。而对于位于不良土壤地区的牵引变电所来说,使其接地电阻值满足规范规定的阻值要求极其困难。即使采取各种措施将接地电阻降低至0.5Ω,接地电压也高达近5kV甚至更高,若不采取均压、分流等措施,仍难以满足保护接地的要求。

综上所述,高土壤电阻率、接地网敷设范围受到限制及系统容量的增大是造成高寒冻土、高土壤电阻率地区接地设计困难的3个原因。此类地区的接地设计,仅靠限制接地电阻值来降低接地电压,以确保人身及设备安全,维护供电系统的可靠运行,不仅在技术上难以实现,在经济上也很不合理。

2.2 接地设计目的分析

反映变电所接地系统性能的电气参数主要为:接地电阻、接触电势、跨步电势及地电位升。作为变电所接地系统,其应满足:(1)在正常和故障两种状态下,在保证所内接触电势、跨步电势及地电位升满足限值要求,同时不对变电所的运行产生有害影响的前提下,为电流提供入地通道,以保证牵引供电系统及设备安全可靠地运行;(2)在任何状态下,均应保证位于接地装置附近的人员不会发生触电危险,以确保人身安全。也即是说,对于牵引变电所而言,其接地的主要目的,是为了在正常和事故状态以及在所内遭受雷击的情况下,利用大地作为导流回路,将所内设备接地处的电位钳制在允许的安全范围之内。在某些情况下,变电所接地电阻即使很低,在发生接地故障时,仍可能出现很高的电位梯度,给运行人员和设备带来危险[3]。因此,对于高土壤电阻率地区牵引变电所的接地系统设计,应统筹考虑,从均衡电位入手,统一考虑接地电阻、接触电势、跨步电势及地电位升,进行整体性设计,以使接地设计经济、合理,并满足安全运行要求;不能仅强调降低接地电阻来保障安全,还应综合考虑接触电势、跨步电势及地电位升的要求,以确保设备及人员安全[3-8]。

3 工程应用

某高原冻土地区电气化铁路,为验证均衡电位、整体性设计的合理性,对电气化铁路新建牵引变电所进行仿真及工程验证分析。

3.1 仿真计算

(1)基本边界条件

电力系统基本参数:供电线LGJ -240;避雷线GJ -70;双回路,单独架设;阻抗标么值0.28841。

牵引变电所基本参数:进线电压等级110kV;三相V/v接变压器,(25+20)MVA。

平均土壤电阻率:1500Ω·m

故障电流持续时间:采用主保护动作时间0.3s

(2)仿真过程

根据实测土壤电阻率,通过对土壤结构进行分析,考虑改善局部电位分布,对牵引变电所地网水平接地带作等距分布,并在水平地网内部加入垂直接地极。结构如图2所示。

对该结构地网作模拟分析,得变电所接地电阻值6.9543Ω,地电位升4265.3V;此值已超出《铁标》规定的关于接地装置的接地电阻要求。所内接触电势、跨步电势计算结果如图3～图6所示。

图2 牵引变电所接地网结构

图3 接触电势三维视图

图4 接触电势二维色块图

图5 跨步电势三维视图

考虑牵引变电所围墙建在所内接地网边缘外侧,且为砖块结构,因此对变电所地网边缘处出现的接触电势、跨步电势峰值予以忽略。但根据二维色块图,在不采取任何措施的情况下,所内跨步电势虽然满足要求,接触电势却无法满足安全运行的需要。

图6 跨步电势二维色块图

由于受地质、征地及土壤结构等因素影响,此变电所无法采用扩充地网面积、深井接地等方式进行降阻处理。为满足变电所内接触电势的要求,考虑对所内地面作碎石层覆盖处理。处理后对所内接触电势作重新计算,结果见图7。

图7 处理后接触电势二维色块图

由图7可见,采用覆盖处理后,变电所内接触电势已可满足安全运行要求。

3.2 工程验证

按图2结构敷设牵引变电所地网,施工完毕后实测接地电阻值,共进行3次,阻值分别为6.68、7.36、7.64Ω。实测电阻值与仿真结果基本接近,误差考虑为不同测量时期引起的土壤电阻率变化所至。后对接触电势及跨步电势进行测试,满足规范要求。

验证说明,牵引变电所接地电阻值虽然超过了规范要求,但综合考虑电位分布后,仍能满足安全运营的需要。

4 结论与建议

(1)高寒冻土地区牵引变电所的接地系统,应结合工程具体情况整体考虑,应避免只简单注重接地电阻值,而忽视对地电位分布的分析。

(2)高寒冻土地区牵引变电所接地系统设计中,应考虑地面电位分布不均带来的危险,结合仿真计算和实地测试等手段计算地面电位分布,有针对性地采取安全措施,做到安全可靠,技术先进,经济合理。

(3)高寒冻土地区牵引变电所接地网设计在技术难度大、经济性不合理的情况下,可根据入地故障电流状况,对所内接触电势、跨步电势及转移电势进行研究分析,当上述电势均满足的情况下,可适当提高接地电阻允许值,以使得变电所的接地设计更趋合理。

参考文献:

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10009—2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2]IEEEStandards.IEEEStd80 -2000IEEEGuideforSafetyinAC SubstationGrounding[S].IEEE-SAStandardsBoard,2000.

[3] 陈先禄,刘渝根,黄勇.接地[M].重庆:重庆大学出版社,2002.

[4] 丁峰.不同土壤结构的牵引变电所接地系统设计[J].电气化铁道,2011(3):8 -11.

[5] 邹建明.大型地网接地技术的研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[6] 曾永林.接地技术[M].北京:中国水利电力出版社,1979.

[7] 徐华,文习山,黄玲.大型变电站接地网的优化设计[J].高电压技术,2005(12):63 -65.

[8] 庄池杰,曾嵘,张波,等.高土壤电阻率地区变电站接地网设计思路[J].高电压技术,2008(5):893 -897.

Discussion on Grounding System Design of Traction Substation in Severe Cold and Frozen Soil Area

DING Feng
(Department of Electrification, China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd. , Xi'an 710043, China)

With the analysis on the design purpose of traction substation grounding system,the boundedness on earth resistance value requirements in current design code is discussed in this paper. Also in combination with actual case,by means of verifying with simulated calculation and actual test methods,the design idea for grounding system of traction substation in severe cold and frozen soil area is provided.The paper thinks that:it should be considered integrally based on the specific project circumstance so as to avoid just paying attention to ground resistance value but ignoring the analysis of the potential distribution.

traction substation;grounding system;touch voltage;step voltage;ground potential rise

U224

A

1004 -2954(2012)11 -0095 -03

2012-03-07

丁 峰(1970—),男,高级工程师,1994年毕业于华东交通大学铁道电气化工程专业,工学学士。