特高压变电站接地系统设计的探究

刘　骐，史　柳，姜龙杰，孔　深

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

0　引　言

近年来，我国政府加大了电网建设。其中，特高压系统具有电能容量大、电压等级高的特性，其安全隐患大，一旦发生故障，不仅会影响电能的正常输送，而且容易损坏电气设备，造成经济损失。要使特压变电站安全稳定的运行，就必须做好接地系统的设计[1-2]。本文结合特高压变电站自身的运行特性，分析变电站站址的周围环境和电路情况，采取合理科学的设计方案，完成对特高压变电站接地系统的优化和完善，充分发挥其作用。

1　特高压变电站短路电流分析

由于特高压变电站的电能容量大、电压等级高，接地系统一旦发生故障，所引起的瞬间短路电流非常大[3，4]。有专家认为，需要进一步的提高变电站系统的地电位[5]。我国特高压变电站主要采用光缆通信线路，并在此基础上尽量使用沥青混凝土铺设地面，以此提高接触电压[6]。正常工作中电缆线路绝缘层的耐受值为2 kV，实验表明，二次电缆接地时会提升40%的地电位，即使电缆线路绝缘层的耐受值将达到5 kV，因此可将变电站系统原来承受的2 kV提升到5 kV，由于处在承受的最大电压下，必须高度警惕通信线路对变电站系统的影响，以防造成电位升过高的问题。特高压变电站接地电阻和短路电流的关系密切，经过对晋东南变电站线路实验分析可知，当变电站接地电阻减小，其短路电流的分流系数会增大，即其入地短路电流越多[7，8]。短路电流和接地电阻呈反比关系，所以接地电阻和入地电流是决定变电站系统地电位升的两大因素。因此在分析特压变电站短路电流时必须重视裕度问题。

2　土壤模型分析

根据对晋东南变电站站址的视在土壤电阻率测试的结果分析，可知在测试范围内，土壤的各向异性大致相同。土壤为沿水平分层的多层土壤，所以，变电站站址一般选择地势平坦的平原。北京西1 000 kV变电站站址处于山前冲洪积平原，地层主要分布粉土、砂类土、粉质粘土等。对变电站站址的土壤电阻率的测试一般采用对称四级法。晋东南变电站站址采用最小二乘法对测量点进行拟合反演过程从而进行土壤建模，大致过程是，通过假设模型的计算结果与实测结果比较、调整，直至两者误差达标。北京西变电站站址使用CDEGS软件对测量结果的平均值进行建模，大致原理与前者相同。

3　分流系数和接地电阻分析

北京西特高压变电站包括4回1 000 kV出线和4回500 kV出线。由于二者在侧短路时的分流系数不同，就需要计算出各自的短路电流分流系数。根据计算结果绘制图表，由图表显示的分流系数与接地电阻之间的关系得到500 kV侧短路时的分流系数要小于1 000 kV侧短路时的分流系数。由此得到变电站的接地电阻与其短路电流分流系数的关系，即变电站的接地电阻越大，其短路电流分流系数越小，入地电流越少，两者呈反比关系。

入地电流和接地电阻是决定变电站地电位升的两大因素，需要综合考虑接地电阻和变电站地电位升的关系。变电站接地电阻对分流系数影响明显。变电站接地电阻越小，变电站地网分流系数越大，即入地电流越大。但是分流系数又与变电站应达到的接地电阻有关，与前者形成矛盾，为了调节其中的矛盾，需要留出充分的裕度。针对该情况，可以将分流系数与变电站接地电阻的关系通过函数表现出来，然后再分析变电站接地网应当达到的接地电阻，并在此基础上留出充分的裕度。

总结上述接地电阻和变电站接地网分流系数、入地电流的关系，即接地电阻与变电站分流系数呈反比，与入地电流呈正比，但在此基础上，还需要结合反面关系来分析。例如，按照要求，接地电阻应当小于5000/I，但是变电站接地网分流系数与接地电阻有关，而变电站应达到的接地电阻与变电站接地网分流系数有关，所以需要在要求的接地电阻基础上留出充分的裕度，即变电站要求达到的电阻要比理论电阻偏大。

当变电站接地电阻在0.05～0.5 Ω时，变电站接地电阻与分流系数的关系大致呈线性关系。500 kV侧短路时，接地电阻为0.05 Ω时，分流系数为0.56；接地电阻为0.5 Ω时，分流系数为0.34。根据要求计算，接地电阻应小于0.121 Ω。1 000 kV侧短路时，当接地电阻为0.05 Ω时，分流系数为0.59；当接地电阻为0.5 Ω时，分流系数为0.31。根据要求计算得出：变电站的接地电阻应当小于0.116 Ω。综上，变电站接地电阻应当小于0.116 Ω。

4　特高压变电站接地系统设计

4.1　水平接地网分析

变电站接地网的埋置很有讲究，不仅要结合要求来布置接地网，还要考虑接地网的布置对工作人员人身安全的影响。实践证明，特高压变电站接地网应该埋在冻土层以下，通常为地表以下1.0 m以下。确定好位置后，再根据要求均匀地布置导体。根据晋东南特高压变电站的计算结果显示，这样的布置使地电位升小于5 kV，为了确保特高压变电站的电气设备安全运行；跨步电压的值远小于其安全限值，因此就算不铺高阻层也可以满足人身安全。但是，接触电压却远超其安全限值，综上所述，需要铺设高阻层以保障人身安全。将接地网埋在冻土层以下的原因在于冻土层比较薄，对接地电阻造成的影响小。其中，导体间隔15 m，特高压变电站地电位升最佳值为3 943 V，跨步电压安全限值为520 V，高阻层安全限值为460 V，为保障人身安全，需设高阻层厚度约为6 cm。数据根据各个变电站的实际情况不同而有所改变。

4.2　深垂直接地级降低接触电压的效果

特高压变电站接地系统的设计需要考虑土壤的导电性、厚度；在此情况下，通过合理的布置垂直地级，可以有效地降低特高压变电站的接地电阻，减小变电站的接触电阻，并明显地降低跨步电压和接触电压，达到地表均压的效果。不同垂直接地极布置方案对地网接地电阻、接触电压和跨步电压的影响计算结果如表1所示。

由于垂直地级的长度与特高压变电站的整体占地面积比值小，会造成降阻不均，但是连续增加接地电阻的长度会对降低接触电阻的效果不明显，原因在于随着地极的增加，其对最大接触电压的降低效果趋于饱和。以晋东南变电站的垂直地极工作情况的调查和结果为例。晋东南变电站中间的土壤厚且导电性非常好，很适合通过加深垂直地极来降低接地电阻，从而减小接触电压。结果表明，通过增加深垂直接地极能够明显的降低变电站的接触电压、跨步电压。其原因在于垂直地极起到了地表均压的作用。但是变电站仍需铺设高阻层，以更好地保障人身安全。

表1　垂直接地极对接地电阻、接触电压和跨步电压的影响

4.3　水平接地网的均压优化布置

由于冻土会降低接地系统的安全性，且一年四季的土壤模型有所不同，但是接地系统只能按一种方案布置，因此只能采用比较分析来确定最佳方案。即分析融冻季节的优化设计在冰冻季节的安全性以及冰冻季节的优化设计在融冻季节的安全性。通过综合两种情况来确立最佳方案。

接地网的优化设计就是在已有的接地系统基础上，通过调整水平接地网中接地导体的布置电阻、电压达标，即得到最优压缩比。通过比较融冻季节接地网优化压缩比和不优化值，冰冻季节接地网的优化压缩比和不优化值；融冻季节的优化设计冰冻季节的接地电阻、最大接触电压、跨步电压，冰冻季节的优化设计在融冻季节的接地电阻、接触电压、跨度电压的值。可知在优化设置后，接地系统的安全性得到大大的改善，并得到接地网按照冰冻季节的最优压缩比进行设计时，在融冻季节接地系统的安全性也有所改善。综上所述，采用冰冻季节的最优压缩比最佳。

4.4　接地系统设计方案

变电站占地面积大，1 000 kV侧短路点和500 kV侧短路点可能会影响接地阻抗，从而影响分流系数值。由于两侧入地电流不同，导致电压分布不同，因此需要逐一分析、比较可行性接地系统设计方案，提出符合实际情况的接地网设计方案。采用优化设计能明显的改善接地系统的电位分布不均，提高接地系统的安全性能，提高电气设备的安全性。以北京西特高压变电站为例，采用均匀布置时，接地网的电阻比不等距时增加2.1%，地电位升与最大接触电势均增加，因此该变电站应采用不均匀地网布置。

5　结束语

综上所述，特高压变电站接地系统的优化设计对于保障变电站系统的安全有着极为重要的作用。上文结合了对特高压变电站的土壤、短路电流、分流系数和接地电阻的分析，在此基础上，通过对同模型下可行性方案的比较，提出合理的接地系统最佳设计方案。减小安全事故，降低经济损失，在保证特高压变电站正常运行的前提下，进一步提高变电站的安全性能，为我国

的电气发展提供良好的前提条件。

参考文献：

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