民用建筑合建变电站接地系统优化设计

羌丁建 熊 静 陈 晋

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 210000）

合理的接地系统设计是变电站安全可靠运行的重要保障。接地不良有可能导致或造成事故扩大，从而危及系统运行安全[1-4]。随着经济社会的发展，越来越多变电站深入到城市负荷中心，并与民用建筑合并建设。民用建筑合建变电站不仅需要考虑变电站接地网的安全性与经济性，也要考虑民用建筑内人员与设施的安全。由于民用建筑合建变电站通常建设面积较为狭小，接地电阻、接触电势和跨步电压难以满足要求，如何优化设计接地系统，成为需要重点研究的课题。

本文以某民用建筑合建220kV变电站为例进行优化设计研究，利用 CDEGS仿真精细化设计，提出同时满足安全性和经济性要求的接地网设计方案，同时针对民用建筑合建变电站接地设计中需要注意的问题作出简要分析。

1 工程概况

1.1 工程概述

该220kV变电站位于商业中心，采用全户内布置。地上部分变电站与购物中心为独立建筑形式，地下部分为合建停车库，如图1所示。变电站与购物中心、停车库均为一体化设计、建设。

该220kV变电站的建设规模见表1。

1.2 设计输入条件

1）短路电流

220kV母线最大单相短路电流按47.8kA考虑。

2）土壤模型

按均匀土壤模型考虑，土壤电阻率 80Ω·m，土壤具有弱腐蚀性。

3）分流系数

站外分流系数按0.75考虑。

4）接地网设计

水平主接地网敷设范围为90m×50m，水平接地体埋深为1m、平均间距约10m。

2 接地材料选择

2.1 性能比较

选择合适的接地材料，是变电站安全可靠运行的关键。工程中常用的接地材料有纯铜、热镀锌钢、铜覆钢等。本文从导电性能、耐腐蚀性能、热稳定性能和经济性等角度[5]，对接地材料选择进行分析。

图1 民用建筑合建变电站剖面图

表1 建设规模及设备选型

1）导电性能

考虑接地材料在20℃时的电阻率，纯铜、热镀锌钢和铜覆钢分别为 17.24×10−6Ω·mm、138×10−6Ω·mm、71.66×10−6Ω·mm。铜的电阻率是上述材料中最低的，在接地网型式、土壤环境等相同的情况下，铜接地网的接地电阻和网格压差均相对较小。

2）耐腐蚀性能

铜材的耐腐蚀性能较热镀锌钢强。当产生腐蚀时，铜材表面能够产生附着性极强的氧化物，并阻止进一步腐蚀。具体工程中，还应根据土壤酸碱性和腐蚀性情况，选择适用的材质。

3）热稳定性能

钢的熔点为1510℃，钢接地网连接处最高允许温度为 400℃；铜的熔点为 1083℃，采用放热焊接时其接头的最高允许温度达到 900℃；铜覆钢的熔点为 1115℃，其连接接头最高允许温度也可达到450℃。接地体截面相同时，铜材料热稳定性最好。

4）经济性

考虑接地材料经济性时，一般结合不同材质接地网的使用年限，进行全寿命周期比较分析。钢接地网初期投资较低，但因腐蚀速度较快，后期更新维护成本较高。铜和铜覆钢接地网，基本满足全寿命周期免维护的要求，总体经济性与钢接地网相当。

本工程220kV变电站与民用建筑合建，坐落于地下停车库上方，其接地网敷设于停车库下方土壤层中，后期维护困难。综合上述性能与经济性比较分析，建议优先选择铜接地网。

2.2 截面选择

接地体截面，应根据国家标准 GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》附录E公式进行热稳定校验[6]。

式中，Sg为接地导体的最小截面（mm2）；Ig为流过接地导体的最大接地故障不对称电流有效值，取47.8kA；te为接地故障的等效持续时间，取0.4s；C为热稳定系数，取249。

经计算，接地引下线最小截面为 Sg=121mm2。按规程要求，水平接地体截面按接地引下线截面75%选取，即 91mm2。适当考虑腐蚀因素，接地网选用120mm2铜绞线。

3 接地网布置设计方案

3.1 不等间距接地网布置

本工程220kV变电站与民用建筑合建，其主接地网敷设于变电站建筑投影下方土壤层中。由于接地网敷设可利用面积较小，需通过对接地导体优化布置，使得接地电阻、地表电位分布、接触电势和跨步电压等安全参数满足要求[7-8]。

研究表明，按指数规律布置水平接地导体不仅可以降低地表电位梯度，从而很大程度上降低接触电势和跨步电压，同时也是一种安全、经济的设计方法[9]。指数规律布置设计方法如下。

1）确定中心网孔间距：

2）确定n级的网孔间距：

式中，L为地网边长；N为接地导体根数；C为压缩比。

利用 CDEGS软件仿真，寻求水平接地体布置的最优压缩比，结果见表 2。当 C=0.7时，接地电阻值最优。

表2 不同压缩比对接地网性能的影响

3.2 斜长接地极降阻设计

当接地电阻仍不满足要求时，可考虑采用降阻措施，主要有物理降阻和化学降阻两类[10-11]。

1）物理降阻措施主要有：敷设外引接地体以扩大水平接地体面积、采用深井接地极、充分利用自然接地体接地等。

2）化学降阻措施主要有：利用化学降阻剂来改善接地体周围土壤的电阻率、采用高导活性离子接地单元加强散流能力等。

本工程220kV变电站与民用建筑合建，位于城市中心，不具备外引接地体的条件，同时化学降阻方式易对城市环境造成污染。本文提出采用不等间距水平接地网结合斜长接地极的设计方案。斜长接地极一方面能够起到深井接地极的作用，满足纵深散流要求；另一方面亦能在不另征地的条件下等效扩大接地网面积；斜长接地极之间的相互屏蔽影响，较同等的垂直接地极小，故降阻效果更佳[1]。文献[12]研究了斜长接地极的降阻效果，利用 CDEGS软件仿真分析了斜长接地极布置位置、角度、长度、根数等对不同面积接地网的降阻效果和特征，进而确定了斜长接地极的布置型式。本文引用该文献的研究成果，在不等间距水平主接地网的基础上，最终形成如下设计方案：

1）水平主接地网敷设范围为 90m×50m，水平接地体埋深为1m、平均间距约10m，按照C=0.7的压缩比不等间距布置。

2）在水平接地网外缘，增设16根斜长接地极。

3）斜长接地极单根长度25m，与水平面成20°角。

图2 水平接地网结合斜长接地极设计方案示意图

3.3 接地电阻、接触电势、跨步电压校验

经 CDEGS软件仿真计算，采用不等间距水平接地网结合斜长接地极的设计方案，其接地电阻R=0.43Ω，较水平接地网方案减小 24%；接触电势Ut=699V（不满足 296V限值要求），跨步电压 Us=127V（满足363V限值要求）。在可触及的设备周围1m范围设置绝缘地坪后，提高接触电势允许限值，亦能满足要求。

图3 接触电势分布图

图4 跨步电压分布图

4 民用建筑合建变电站接地设计其他问题

1）短路电流分流系数

民用建筑合建变电站一般均为全电缆出线，220kV及110kV单芯电缆通常为护套双端接地，因此短路故障时，大部分故障电流将通过电缆金属护套回流。与架空出线变电站相比，短路电流分流系数将大大提高。常规接地设计中，为简化计算，分流系数通常按0.5估算。在民用建筑合建变电站中，可考虑适当增大分流系数，以简化接地网设计。

2）站外安全性

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》定义，最大跨步电位差为接地网外的地面上水平距离 1m处对接地网边缘接地极的最大电位差。民用建筑合建变电站位于中心城区，一般毗邻马路，往来人员密集，因此必须将可能存在危险的最大跨步电压差限制在变电站内部。在不影响接地电阻的情况下，宜考虑将接地网边缘（仅考虑水平主接地网）设置在变电站内侧1m左右。

5 结论

本文针对民用建筑合建变电站受占地面积小等因素的限制，使用常规接地网设计方案难以满足接地系统的安全性与经济性要求，提出不等间距接地网结合斜长接地极的接地设计方案。经 CDEGS软件仿真分析，接地电阻、接触电势和跨步电压均能满足校验要求。同时针对民用建筑合建变电站在分流系数、站外安全性等方面的特殊问题进行了分析。

参考文献

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