冻土地区某变电站接地方案研究

周圣枝，付磊，宋周

（湖北省电力勘测设计院，武汉430040）

冻土地区某变电站接地方案研究

周圣枝，付磊，宋周

（湖北省电力勘测设计院，武汉430040）

对冻土地区某变电站接地网设计了等间距地网和不等间距地网+均压带2种方案，经仿真计算，不等间距地网+均压带方案能满足安全运行要求。为解决土体及接地体热胀冷缩影响接地体的寿命，建议地下接地体设置伸缩节，伸缩节最大间距不大于30m。【Abstract】Two schemesfor the grounding grid of a substation in permafrost area are designed,namely equally spaced grounding grids and unequallyspacedgroundinggrids+uniformpressurezone.Throughsimulation,thesecondschemecansatisfytherequirementsofsafeoperation. Tosolvetheproblemthatexpansionandcontractionofthesoilandgroundingbodywillaffectthelifespanofthegroundingbody,itissuggested thatexpansionjointsaresetingroundingbody,withamaximaldistanceof30mbetweenthejoints.

冻土；变电站接地；不等间距地网

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.025

1 引言

冻土对接地电阻有很大影响。随着温度降低，土壤中盐等化学物质溶解度将下降，使导电离子数目减少，同时水的粘度将增大，导致溶液中导电离子运动阻力增大，运动速度减缓，土壤电阻率升高。反之温度升高，土壤中水分解冻，使得电离子数目增加，水的粘度降低，土壤电阻率降低[1]。

冻土土壤电阻率的跳变，对接地电阻影响很大。若将接地网直接敷设在冻土层，一是电阻率跳变会影响接地电阻；二是在夏季表层土壤部分融化，而下部土壤未融化，此时接地电阻仍较大，而接触电压和跨步电压的允许值会下降，影响运行人员安全[2]。本文推荐将地网敷设在冻土层以下。

2 计算参数输入

2.1 土壤地质情况

本站地域冻土深度为1.6m，下层电阻率约为80Ω·m，考虑季节系数及场地土方平整的影响，冬季最严重情况冻土土壤电阻率取400Ω·m。

2.2 入地短路电流

本站220kV母线短路时，三相短23kA，单相短24.7kA；66kV母短路时，三相短17.8kA，计算可得：

Ig=(Imax-Ibn)(1-kel)=11kA （1）

式中，Ig为入地短路电流，kA；kel为避雷线分流系数，取50%；Ibn为主变中性点入地电流，根据变电站接线形式计算取2.7kA；Imax为最大短路电流，取24.7kA。

2.3 接地体截面选择

本站地下水及场地土对钢材有微腐蚀性。结合腐蚀特性，本站选用镀锌扁钢作接地材料。

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011），求得接地导体最小截面：

式中，sg为导体最小截面积，mm2；Ig为入地短路电流，取11kA；C为短路等效持续时间，取0.5s;te为接地材料的热稳定系数，取70。

考虑40a设计寿命，及腐蚀影响，求得接地导体截面为：

式中，a为接地扁钢宽度，取60mm；b为接地扁钢厚度，取6mm；γ为年腐蚀速度，取0.065mm/a；A为地网设计寿命，取40a。

接地导体选用60mm×6mm扁钢满足要求，接地引下线按不小于接地导体截面的75%选取，选60mm×8mm扁钢。

3 地网设计及安全性分析

3.1 等间距地网设计方案

3.1.1 地网设计方案

采用软件CDEGS进行建模，主地网埋深1.8m，采用100m×80m矩形地网，网孔大小10m×10m等间距布置。经仿真计算，接地电阻为0.45Ω，最大接触电压为1332V，最大跨步电压为219V。

3.1.2 地网安全性分析

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T 50065—2011），接触电压和跨步电压允许值计算公式如下：

式中，ρs为土壤电阻率；Cs为表层衰减系数；Ut为接触电势允许值；Us为跨步电势允许值；ts为短路持续时间。

经计算，若不采取绝缘处理措施，接触电压允许值为342V，跨步电压允许值为642V，接触电压不满足运行要求。

若设置绝缘地坪处理，采用150mm厚度碎石+沥青绝缘地坪，电阻率为5000Ω·m，此时接触电压允许值为1193V，仍不满足安全运行要求。

3.2 不等间距地网+均压带设计方案

3.2.1 地网设计方案

将等间距设计改为按最优压缩比0.7设计，外围敷设埋深2.0m深度的均压带，其他设计参数均不变，经仿真计算，其接地电阻为0.42Ω，接触电压和跨步电压分布见图1和图2。

3.2.2 地网安全性分析

经仿真计算，做绝缘地面处理后，接触电压和跨步电压最大值分别为922V和186V,小于对应允许值1193V和642V，满足安全运行要求。

另外，地下接地体在极低温状态收缩变短，土体冻胀冻结具有较高的嵌固效果，容易使接地带连接部位受拉断裂；建议地下接地体在适当部位设伸缩节，伸缩节最大间距不宜大于30m。

图1 接触电压分布图

图2 跨步电压分布图

4 结论

经CDEGS软件仿真计算，本站采用等间距地网无法满足安全运行要求。采取不等间距+均压带方案，地网接地电阻降为0.42Ω，做绝缘地坪处理后，接触电压和跨步电压分别为922V和186V,小于对应允许值1193V和642V，满足安全运行要求。

为解决土体及接地体热胀冷缩影响接地体的寿命，建议地下接地体设置伸缩节，伸缩节最大间距不大于30m。

【1】陈慈萱，刘旭，青藏线冻土地区接地问题探讨[J].铁道通信信号，2006,42(8):6-8.

【2】李爱民，解广润，改善冻土地区接地安全性的措施[J]高电压技术, 1991(2):10-12.

Study on Grounding Scheme of a Substation in Permafrost Area

ZHOU Sheng-zhi,FU Lei,SONG Zhou
(PowerchinaHubeiElectricEngineeringCorporation,Wuhan 430040,China)

permafrost;groundingsystemofthesubstation;unequallyspacedgroundinggrid

TM63

A

1007-9467（2016）10-0055-02

2016-10-03

周圣枝（1986～），男，湖北武汉人，工程师，从事变电站设计研究。