变电站接地电阻的设计及校验方法
2019-04-12郭彩丽
郭彩丽
（宇超电力股份有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）
随着我国经济生活水平的不断发展，对电能的需求也在日益地加重，电网分布也越来越密集，其中110 kV变电站的建设占据了很大的比重，国家电网对110 kV变电站实行模块化通用设计，在江苏省内基本所有户内的110 kV变电站均要求采用A2-6方案设计。
一个变电站接地网的布置方式关系到人身和设备的安全，合理的接地网设计对变电站的安全可靠运行至关重要。该文针对某市某110 kV变电站新建工程的接地网进行计算分析，并给出提高接触电压和跨步电压允许值的方法。
某市某变建设规模：远景3×50 MVA主变压器，电压等级为110 kV/10 kV；本期建设2台50 MVA三相双绕组变压器。供电线路包括电缆和架空线2种，其中电缆（630 mm2）长度为2.4 km，单回路架空线（240 mm2钢芯铝绞线带避雷线）长度为5.8 km。
1 变电站单相入地短路电流的计算
1.1 本期规模
1.1.1 系统参数
常用基准值：
根据系统收资，
（1）甲方提供系统短路容量为：1300 MVA。
系统阻抗标幺值为：
（2）线路正序（负序）阻抗标幺值为：
线路零序阻抗标幺值为：
（3）变压器的阻抗标幺值：
1.1.2 本期规模系统接线图（图1～图4）
1.1.2 单相短路时入地电流计算
单相短路电流正序分量：Id1（1）=Ij/ （X∑1’+X∑2’+ X∑0’）=0.502/（0.0977+0.0977+0.0858）=1.785kA
单相短路合成电流：Id（1）=3×Id1
（1）=5.355 kA
根据三相序网的基本概念，正序网络和负序网络中，流经系统中性点和变压器中性点的电流为0，在零序网络中，流经系统中性点的电流等于三相电流之和，即零序电流分量的3倍。所以流经变压器中性点的电流为：
图1 本期正序阻抗图
图2 本期负序阻抗图
图3 本期零序阻抗图
图4 单相短路电流计算复合网络阻抗图
流经变压器中性点电流：
计算得Iz=1.35kA
变电站内发生短路时，流经接地装置的电流：
I内=（Id（1）-Iz）×（1-Kf1）
变电站外发生短路时，流经接地装置的电流：
I外=Iz×（1-Kf2）
Kf1：变电站内发生短路时避雷线的工频分流系数，Kf1=0.5（经验值）
Kf2：变电站外发生短路时避雷线的工频分流系数，Kf2=0.1（经验值）
经计算：
I内=2.0 kA
I外=1.22kA
因此，单相短路时入地电流
I入=I内=2.0 kA
1.2 远景规模
1.2.1 系统参数
电力系统规划设计的远景短路电流一般采用简化或者近似的计算，计算时假设故障前为空载；所有节点电压均为平均额定电压；系统各个元件的电阻略去；只计算短路电流的故障分量和基频的周期分量。
（1）根据甲方提供的10年左右规划预估系统短路容量为4000 MVA，系统阻抗标幺值为：
XS1’= XS2’= XS0’=100/4000=0.025
（2）变压器的阻抗标幺值：
Xb1’= Xb2’= Xb0’=0.17×50/100=0.34
1.2.2 远景规模系统接线图（图5～图8）
图5 远景正序阻抗图
图6 远景负序阻抗图
图7 远景零序阻抗图
图8 单相短路电流计算复合网络阻抗图
1.2.3 单相短路时入地电流计算
单相短路电流正序分量：
单相短路合成电流：
流经变压器中性点电流：
计算得Iz=1.41kA
变电站内发生短路时，流经接地装置的电流：
I内=9.61 kA
变电站外发生短路时，流经接地装置的电流：
I外=1.269 kA
因此单相短路时入地电流
I入=I内=9.61 kA
2 变电站接地电阻最大值计算
对于有效接地和低电阻接地的系统的变电所电气装置保护的接地电阻宜符合下列要求：
R≤2000/I
其中：R—考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω。
I—计算用的流经接地装置的入地短路电流；A。
经计算本期规模接地网电阻
R≤2000/2140=0.934Ω
经计算远景规模接地网电阻得
R≤2000/9610=0.208Ω
3 变电站接地网设计方案的确定
变电站的主接地网为方孔接地网，均压带总根数为21根。
变电站接地网技术参数：变电站的主接地网以水平接地网为主，接地材料选用截面120 mm2铜绞线且边缘闭合的复合接地体接地，垂直接地体为Φ14.2镀铜接地棒，长度为2.5m，共79根。接地体总长度（垂直接地体+水平接地体）为：1 300 m；接地网外缘边线总长度为：220 m；水平接地体埋深：0.8 m；接地网的总面积：2 675m2。经勘测变电站土壤电阻率ρ（Ω·m）=24.42。
接地电阻计算公式：
经计算接地电阻：R=0.237Ω
本工程的接地装置的接地电阻虽然不满足远景规模对接地电阻的要求。由于接地电阻值相差比较小，通过技术经济比较，可适当地增大接地电阻值，根据标准DL/T621—1997《交流电气装置的接地》中5.1条的要求，接地电阻不得大于5Ω。但是必须根据远景的情况校验接触电位差和跨步电位差。
4 变电站接触电位差和跨步电位差的校验
4.1 定义
接触电位差定义：当接地短路电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位差，在地面上离距设备水平距离0.8 m处与沿设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离为1.8 m处两点间点电位差。
跨步电位差定义：地面上水平距离为0.8 m的两点间的电位差。
4.2 远景规模最大接触电位差和跨步电位差计算
发生接地故障时，接地装置的电位：
Ew=I入×R=9.61×0.237×1000=2277.57V
此时接地网最大接触电位差：
Ejm=Kj×Ew=0.168×2277.57=382.6 V ；
此时接地网最大跨步电位差：
Ekm=Kk×Ew=0.071×2277.57=161.7 V ；
其中：跨步系数Kk=0.071
接触系数Kj=0.0168
4.3 变电站接触电位差和跨步电位差的允许值计算
根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》中3.4条：110 kV及以上有效接地系统，发生单相接地或者同点两相接地时，变电站接地装置的接触电压和跨步电压不应超过下列值：
Ej：接触电位差，V。
Ek：跨步电位差，V。
ρf：人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m。
t：接地短路（故障）电流的持续时间，s（主保护动作时间+第一级后备保护动作时间+断路器开断时间）；t=0.7s
变电站的跨步电位差和接触电位差需要根据远景规模校验，远景最大接触电位差Ejm= 382.6 V； 远景最大跨步电位差Ekm=161.7 V ；变电站道路需要选择水泥混凝土路面，在变电所围墙和房屋附近铺碎石，根据《电力工程电气设计手册》电气一次部分中表16-3 “土壤和谁的电阻率参考值”中查的：
（1）水泥的电阻率：（在干土中）
ρf水泥=1000Ω·m
（2）水泥的电阻率：（在湿土中）
ρf水泥=200Ω·m
（3）碎石的电阻率：
ρf碎石=5000Ω·m
由于靠近建筑物附近的都是碎石，所以接触电位差采用碎石的电阻率计算，道路是水泥路面，电阻率按照湿土中的电阻率计算。
根据上述条件计算得出接触电位差和跨步电位差的值：
接触电位差允许值：
Ej= 1223V＞Ejm= 382.6 V
跨步电位差允许值：
Ek=375V ＞Ekm=161.7 V
满足远景规模的要求。
5 结论
（1）该文采用系统单相接地短路电流减掉流经变压器中性点短路电流法计算入地电流，从而对变电站接地网接地电阻、计算跨步电位差和接触电位差进行计算，为变电站接地系统的设计和验算提供了一种有效的方法。
（2）本工程在建筑物和围墙的四周铺设碎石，厚度大概20 cm，即具有经济性维护又方便，增加计算接触电位差允许值的地面土壤电阻率，增加接触电位差的允许值。
（3）如变电站远景单相接地短路时的最大接触电位差和跨步电位差超出允许值时，可以采用下列的措施提高接触电压和跨步电压的方法：1）在经常维护的通道、操作机构四周、保护网的附件增加局部的水平均压带，以降低人身承受电压；2）铺设砾石（碎石、卵石）地面或沥青地面，以提高地表面的电阻率，以降低人身承受的电压。
