变电站三维立体接地网设计

刘佰强，何新萍，郗 亮

（1.渭南供电局 陕西 渭南 714000；2.陕西省电力公司检修公司 陕西 西安 710065；3.陕西省电力公司电力经济技术研究院 陕西 西安 710065）

为保证系统短路电流快速散失，保证人身和电气设备的安全运行，变电站接地网有着重要的作用。随着电网容量的急剧增加，系统短路故障电流越来越大，同时变电站布置日益紧凑、占地面积较小，按照常规接地网设计，接地电阻值将难于满足规程要求[1]。110 kV开发区变电站采用的超深垂直接地极三维立体接地网是一种可行的变电站接地解决方案，适用于城区变电站，在下层土壤电阻率较小的地区或着是地下水位较浅的地区效果尤为明显。

1 变电站概况

110 kV开发区变电站位于渭南市高新技术开发区，远期规划为50 MVA变压器3台，本期新上50 MVA变压器两台，110 kV远期出线四回，本期新上两回，10 kV远期出线45回，本期新上30回。110 kV开发区变由330 kV渭南变提供两路电源，采用双回输电线路供电，线路长度4.55公里，导线采用LGJ-300/40钢芯铝绞线。建设110 kV开发区变电站可以满足高新技术开发区的快速发展，确保区内产业项目的用电可靠性。

2 主接地网设计

2.1 等值土壤电阻率的选取

根据现场实测变电站的土壤电阻率为80 Ω·m，考虑季节及测量时土壤较湿的因素，表层土壤电阻率取120 Ω·m。站区场地地处渭河I级阶地，地下水位埋深约为19.00 m，年变幅小于1.50 m。季节性冻土深度小于0.60 m，勘查深度（14.60 m）内地层大致分为黄土状粉土、粉质粘土、粉土3层，随着深度增加土层湿度越大[2]。同时根据《电力工程电气设计手册》中土壤电阻率的参考值，可以预见在地下19.00 m处的含水层处会有较低的电阻率，参考值选取深层土壤电阻率为30 Ω·m[3]。

2.2 接地电阻的要求值

2.2.1 入地短路电流

计算接地电阻要求值时首先应计算流经接地装置的入地短路电流。

流经接地装置的入地短路电流采用在接地装置内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应5～10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及接地避雷线中分走的接地短路电流[4]。

根据渭南地区“十二五”110 kV电网系统设计，按2020年网架结构计算330 kV渭南变的110 kV母线三相短路电流为25.36 kA，单相短路电流为30.37 kA[5]。由此推算系统参数，正序阻抗X1Σ＊=0.0198，零序阻抗 X0Σ＊=0.0100。110 kV渭开I、II线路正序阻抗为X1l＊=0.0138，零序阻抗X0l＊=0.0648。

开发区变110kV母线短路的序分量网络如图1所示。

计算开发区变110 kV母线三相短路电流为18.80 kA，单相短路电流为15.72 kA。

按照渭南电网运行方式的规定开发区主变压器中性点不接地，仅需计算站内发生接地短路时流经接地装置的电流：I=Imax（1-Kf1），其中 Imax=15.72 kA，Kf1=0.72，计算入地短路电流I=4.4 kA。

2.2.2 接地电阻要求值

有效接地系统中的变电所电气装置保护接地的接地电阻一般情况下应符合：R≤2 000/I[6]，上面计算得出的流经接地装置的入地短路电流I=4.4 kA，所以110 kV开发区变的接地电阻应做到0.45 Ω以下。

图1 110 kV母线短路的序分量网络图Fig.1 110 kV busbar short sequence component network diagram

2.3 接地装置

2.3.1 存在问题

随着电网容量的急剧增加，系统短路故障电流越来越大。为保证系统短路电流快速散失，保证人身和电气设备的安全运行，生产运行部门对变电站接地网提出了更高、更严格的要求。一般的接地网采用以水平接地体为主、边缘闭合的复合接地网，其接地电阻值估算公式：

其中SΣ为闭合接地网的总面积，ρ为站区等值土壤电阻率。

常规复合接地网接地电阻值与土壤电阻率成正比而与闭合接地网面积成反比，当土壤电阻率一定时，接地电阻值取决于接地网的面积。110 kV开发区变电站采用半户内布置，110 kVGIS组合电器、10 kV配电装置、电容器、接地变、控制室布置在二层配电楼内，三台主变压器布置在配电楼户外西南侧。变电站布置紧凑、占地面积较小，接地网基本埋设在建筑物和道路下，按照常规复合接地网设计，接地电阻值将难于满足规程要求。

2.3.2 三维立体垂直接地网

1）垂直超深铜镀钢接地棒

垂直接地极的接地电阻计算公式为 Rv=ρ（ln（8L/D）-1）/2πL，可见增加垂直接地极深度可以降低接地电阻，如果将复合接地网的垂直接地极做到电阻率较低的含水层以下将会使接地电阻大大降低，同时地下深层形成的有效半球散流网就越大，散流效果越好[7]。常规采用深井接地来实现垂直接地极的加长，但是深井接地施工需要使用洛阳铲或机械钻孔，施工较为繁琐，工期较长。目前有一种钢镀铜接地棒可以实现垂直接地极的加长，并且施工方便、高效。

铜镀钢接地棒由实心冷抽钢棒，先镀上一层镍，再在镍层上镀厚度一致的铜。其强度高，适于深钻，铜层不破裂，不脱落，耐腐蚀性能良好，施工十分方便，可手工或利用相关机械施工。

铜镀钢接地棒单根长度有1.2、1.5、1.8米等不同规格，通过接地棒两端的螺纹和连接器可以方便的实现多根接地棒的连接，方便地实现垂直接地极的加长，最大可深入35米以上的地层，同时首节接地棒头部附尖端便于深入硬的土层，施力驱动时接地棒顶部加驱动头，接地棒的组装示意图如图1所示。

图2 垂直超深接地极组装示意图Fig.2 Ultra-deep vertical ground electrode assembly diagram

110 kV开发区变电站选择直径14.2 mm，单根长度1.5 m的铜镀钢接地棒，配电楼下设4根总长10.5 m的铜镀钢接地极，配电楼四周设9根总长25.5 m的铜镀钢接地极。布置垂直接地极时间距宜大于20米，可忽略接地极之间的屏蔽影响。这样就相当于在站区布置了多个深井接地，但施工简单、方便，根据现场的施工，若使用机械工具一根25.5 m的铜镀钢接地极大约半个多小时就可以完成，大大提高了施工工期。

2）水平接地体及接地体的连接

考虑户内配电接地网后期难于改造，110 kV开发区变电站的水平接地体采用120 mm2的铜绞线。虽然接地网采用铜材一次性投资较大，但是由于铜的载流量比扁钢大得多，其截面设计比扁钢小许多，最主要还在于铜接地比常规采用镀锌扁钢的接地网耐腐蚀性好很多。镀锌扁钢在地下腐蚀速度（总厚度）为0.065 mm/年，接地网大约不到二十年就需要进行接地网改造，使得后期的改造成本较大，而对于户内配电改造接地网的成本将更大。采用铜材有较好的耐腐蚀性，铜的腐蚀速度大约为0.02 mm/年，是镀锌钢的三倍以上，其应用寿命要比扁钢长得多。采用铜接地体可以保证接地电阻的长期稳定，提高接地网的可靠性，避免大规模接地网的开挖改造，其寿命基本可达到40年以上。

110 kV开发区变电站水平接地体采用120 mm2铜绞线按照5 m×5 m的网格布置均压网，配电楼下的水平接地体敷设在-4.50 m土建基础以下，然后沿土建开挖基础上引至-0.8 m处，并与垂直超深铜镀钢接地极可靠连接，这就在地下深层形成了半球散流接地网，构成了变电站的三维立体接地网。

接地体的连接在接地施工中至关重要，铜绞线之间及铜镀钢接地极的连接采用放热焊接，这是一种简单而有效的连接金属的方法，可以方便地进行铜和铜或铜和钢的电气连接，图2是一字型导体对接焊示意图。放热焊接是利用金属氧化—还原反应产生的高温来完成金属导线间的连接，焊药腔内的焊药经起燃药点燃后通过铝跟氧化铜的化学反应产生了液体铜和氧化铝渣，氧化铝渣浮到表面，高温铜浆熔化钢垫片经倒流洞流入焊腔内，将熔接点部份的导体一起熔化，冷却后即形成了一个完整的接头。

图3 放热焊接示意图Fig.3 Schematic exothermic welding

放热焊接使用的熔模由石墨加工而成，需要根据连接导体的型式选择模具和焊粉，具体可以参考厂家的详细资料，其施工过程非常简单，可以分为4个步骤完成，施工示意如图3所示。

图4 放热焊接流程图Fig.4 Flowchart exothermic welding

第一步 去除氧化层，并将导线放入打开的模具内。

第二步 用夹具将模具夹紧，放入钢垫片盖住导流孔确保密封良好。

第三步 倒入焊药，在上面洒上起燃药。

第四步 合上顶盖，用点火枪点燃。十秒钟之后，再打开模具。

放热焊接施工简单，不需外接电源或热源，且连接可靠，焊接点的载流能力、耐腐蚀性不受影响，焊接材料可以是铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢等。可以看出，这种焊接工艺是接地网连接的一种好方法。

2.4 接地电阻计算值

110 kV开发区变站区内（40 m×70 m）按照 5 m×5 m的网格布置水平接地体，垂直接地体为直径14.2 mm，单根长度1.5 m的铜镀钢接地棒，配电楼下设4根总长10.5 m的铜镀钢接地极，配电楼四周设9根总长25.5 m的铜镀钢接地极。垂直超深铜镀钢接地极与水平接地体可靠连接，构成了变电站的三维立体接地网。计算整个接地网的接地电阻为0.31 Ω，满足前面的接地电阻要求值 0.45 Ω，计算步骤如下：

单根25.5 m垂直接地极的电阻按照下式计算

其中h为电阻率为ρ1的地层厚度，本站计算取地下水深度19米，l为垂直接地体的长度（米），d为垂直接地体的直径（米），ρ1为上层土壤电阻率，本站取 120 Ω·m，ρ2为下层土壤电阻率，本站取 30 Ω·m。

水平和垂直接地体组成的立体接地网的接地电阻为

其中R11为垂直接地体的自电阻，可近似等于垂直接地体的并联电阻，R22为水平接地体的自电阻，R12为水平接地体和垂直接地体的互电阻，可根据下式计算。

2.5 接地装置的热稳定校验

接地网布置完成后需要对接地体的热稳定进行校验，保证接地网的安全可靠。根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合/c，这里的Ig对有效接地系统应为按照远期系统规划计算的最大接地短路电流，本站为15.72 kA，te取 1 s。

经计算接地线的最小截面Sg≥74.90 mm2。接地网按使用寿命50年，腐蚀速度0.02 mm/年考虑，接地线的最小截面应不小于91.02 mm2，水平接地体选择120 mm2铜绞线可以满足要求。

3 结 论

随着市政部门对城区变电站美观性和占地面积的要求，使得变电站的接地问题越来越突出，采用常规的接地方法很难满足规程的要求。110 kV开发区变电站采用的超深垂直接地极三维立体接地网是一种可行的变电站接地解决方案，特别适用于城区变电站，下层土壤电阻率较小的地区或着是地下水位较浅的地区效果明显，对于其他的接地网设计也有一定的借鉴意义。

[1]李景禄，胡毅，刘春生.实用电力接地技术[M].北京：中国电力出版社，2002年.

[2]渭南供电局110 kV开发区变电站配电楼岩土工程勘察报告（详勘）[M].陕西：陕西地矿第二工程勘察院，2010.

[3]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，1989.

[4]陈嘉斌.接地技术与装置[M].北京：中国电力出版社，2003.

[5]渭南地区“十二五”110 kV电网系统设计[M].陕西：陕西省电力设计院，2010.

[6]电力工业部电力科学研究院高压研究所.DL/T 621-1997.交流电气装置的接地[S].北京：中国电力出版社，1997.

[7]潘东华.变电站三维立体接地网技术的应用分析[J].上海电力，2004（4）:248-250.

PAN Dong-hua.Dimensionalsubstation grounding grid technology analysis[J].Shanghai Electric Power，2004 （4）:248-250.