基于全寿命周期的接地网方案优化设计

2020-05-26昝晶晶闫鹏

科技创新导报 2020年4期

昝晶晶　闫鹏

摘要：变电站接地网设计是保障人身和设备安全的前提，接地设计时要综合考虑接地材料的热稳定校验、接地网均压校验等，由于接地网改造具有工期长投资大的特点，接地网防腐问题也是重要的影响因素。以某户内220kV变电站为例，制定出铜接地网和“扁钢+牺牲阳极”两种方案，均满足接地网设计的各项安全指标。根据全寿命周期理论，统筹考虑初始投资、运行维护成本、故障停电费用以及残值的全过程，通过对比，最终得出牺牲阳极的扁钢接地网方案经济最优。

关键词：全寿命周期接地网防腐

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0009-03

Abstract： The design of grounding grid in substation is the precondition of ensuring the safety of human body and equipment. It is necessary to consider the thermal stability check of ground material， the ground net pressure check and so on. Since the ground grid retrofit is a project with long construction period and large investment demand， grounding grid corrosion issues are also important factors. Taking an indoor 220kV substation for an example， two schemes of copper grounding network and "flat steel + sacrificial anode" are formulated， both schemes meet the safety indicators of ground grid design. According to the whole life cycle theory， the whole process of initial investment， operation and maintenance cost， power cut cost and residual value are considered as the whole process. By comparison， the flat steel grounding grid with sacrificial anode is the best plan.

Key Words： Full life cycle; Grounding grid; Anti-corrosion

变电站接地系统是保证电力系统安全运行的根本条件，接地网设计的目的是保证人身和设备的安全，接地装置的主要作用是将短路电流经过接地引下线和接地体引入大地，变电站的接地装置主要包括主接地网、室内环形接地网和接地引线。主接地网包括水平接地体和垂直接地极，图1所示为某户内220kV变电站接地系统示意图。建筑防雷接地、电气一次设备接地和电气二次设备接地相互独立，通过不同接地引线接入主接地网。电气二次设备接入主接地网的接地点应远离建筑防雷和电气一次设备接地的接入主接地网的接地点，地中沿导体距离应不小于15m。

1 接地材料的应用要求

接地导体主要应该满足三个要求，一是热稳定要求，即接地导体的截面积要满足导体极限温升，不至于因短路电流产生的高温而熔断。二是均压要求，即要满足接触电压和跨步电压的校验。三是寿命要求，因接地网开挖难度大、工期长、改造费用高等原因，接地装置应具有较长的使用年限。

1.1 热稳定要求

当系统发生接地短路时，流过接地体的电流将迅速产生高温，可能导致接地体的熔断，或者损坏接地体。因系统故障时间极短，接地体在短时间内不能将热量散发到外界，所以，必须保证接地体有足够大的散流面积，接地材料的截面积必须满足热稳定校验的条件，校验热稳定的公式如下：

式中：Sg——接地线的最小截面，mm2;

Ig——流过接地导体的最大接地故障不对称电流有效值，A;

te——短路的等效持续时间，s;

C——接地線材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。

热稳定系数在《交流电气装置的接地设计规范》中已经有明确说明，进一步咨询铜覆钢生产厂家后确定，φ18铜覆钢的热稳定系数取128，导体截面积相当于254mm2。短路电流持续时间取0.56s，钢材的热稳定系数为70，铜的热稳定系数为210，根据GB/T50065附录E，当系统为有效接地方式时，IG取单相接地故障电流，以某220kV变电站为例，单相接地故障电流按22.45kA考虑。

经计算，在不考虑腐蚀的情况下，三种材料的截面如下表所示。国家电网公司十八项反措中指出，在新建工程设计中，校验接地引下线热稳定所用电流应不小于远期可能出现的最大值，有条件地区可按照断路器额定开断电流考核;接地装置接地体的截面积不小于连接至该接地装置接地引下线截面积的75%。本站220kVGIS断路器的额定开端电流为50kV，所以水平接地体和接地引下线均考虑了一定裕度。

1.2 均压要求

布置接地网时主要校验跨步电压和接触电压是否在安全值范围内，接地网的布置方式主要分为等间距接地网和不等间距接地网，根据土壤电阻率和短路持续时间计算出跨步电压和接触电压的允许值，再根据不同方案的网格设置进行校验，选择技术和经济最优的方案。表2是某220kV工程采用不等间距接地网布置时的计算结果，地网面积86.5×55m2，-80x6扁钢，埋深0.8m。均压带非等间距布置时，最小采用网格6×8根即可满足人身安全要求。而采用等间距布置最小网格7×11根时，接地网网孔为8.6m×9.17m，且不能满足人身安全要求。根据《交流电气装置的接地设计规范》，等间距布置时，接地网的水平接地极采用10m～20m的间距布置。7×11根的等间距布置已经违反了规程规定，从经济性上看也不如非等间距布置，可以看出，不等间距接地方案经济和技术指标都更优。

1.3 寿命要求

《国家电网公司输变电工程提高设计使用寿命指导意见》中指出，“接地材料的选型要充分考虑土壤的腐蚀状况。户内变电站接地材料应与建筑物使用寿命相匹配。户外变电站接地材料使用寿命达到40年。”影响接地材料寿命的最主要原因就是腐蚀，因此，解决接地网的腐蚀问题，延长接地网的使用寿命，是变电站安全稳定运行的重要保障。

2 基于全寿命周期的方案比选

资产全寿命周期管理的目的是在保证电网安全运行的前提下，做到全寿命周期内成本最低，综合考虑规划、设计、采购、建设、运行、检修、技改、报废的全过程，实现经济技术方案的最优。

《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》指出，变电站土壤电阻率在20～50Ω·m之间时，可采用碳钢加阴极保护或碳钢加热镀锌的防腐措施。对于全户内变电站、紧凑型变电站，在经济技术合理时也可采用铜材作为接地体。土壤电阻率在10Ω·m以上时，采用镁合金牺牲阳极，镁合金牺牲阳极材料性能应符合GB/T17731的规定。本站土壤电阻率30～40Ω·m之间，因此，从技术上看，选择铜材或者“钢材+镁合金牺牲阳极”两种方案都可以，表3对两种方案的材料选择进行了详细说明。

2.1 两种不同方案的接地材料选择

如表3所示。

2.2 全寿命周期成本计算

采用全寿命周期成本简称（LCC）的方法，对两种接地方案进行对比论证。从变电站LCC计算模型看，LCC的计算方法，需大量的详细、真实、可靠的数据支持，为此必须掌握有关设备、维护、检修等费用的历史数据。在缺乏部分数据的现状下，本工程LCC计算，将做一下简化处理，主要考虑初始的投资C1、运行维护成本CO、故障停电费用CF以及残值CD。即LCC=C1+CO+CF+CD。

（1）一次性投资成本。

一次投资成本主要考虑两种接地网的材料费和安装费。扁钢单价按6000元/t考虑，镁合金牺牲阳极费用为1.75万元左右，铜按60000元/t考虑，根据材料表计列的长度，计算出材料费。两种地网初始投资成本（C1）详见表5。

（2）运行成本。

变电站内运行成本考虑试验费用、安装调试、检修费和维护费。对比铜接地网和牺牲阳极的扁钢接地网，根据厂家预估，两种情况的试验费用、安装调试费和维护费大抵相同，牺牲阳极的扁钢接地网方案在全寿命周期内考虑2次检修，铜接地网考虑1次检修。

（3）故障停电费用。

本次比较认为两种方案的中断供电损失成本（CF）均为0，均取同一基准值。

（4）残值统计。

主要考虑接地网拆除及接地材料的残值。铜接地网运行30年无需改造，腐蚀非常小，故铜地网残值较大。采用牺牲阳极的防腐措施后，镀锌扁钢接地网的方案拉近了与铜接地网的差距。

因LCC最终的比较结果取其差价决策，由表6可知：通过两个方案的LCC的差价比较，牺牲阳极的扁钢接地网方案比铜地网方案少14.64万元。

3 结语

本文综合分析了影响接地材料选择的三个因素，在国家标准要求下，进行变电站接地材料的选择，截面的确定，接地网的布置等。在接地网设计时引入全寿命周期的理念，目的是在保证电网安全运行的前提下，选择最优的接地方案，实现更大的经济效益。

参考文獻