国内外工程变电站接地网设计的比较

□ 杨立成

上海思源输配电工程有限公司 上海 201108

1 研究背景

良好的接地系统设计是电力工程的一项重要工作内容,也是确保运行人员安全、变电站稳定运行的基础保障。近年来,随着国民经济的高速发展,电力系统的规模和负荷日益增大,对接地网设计的要求越来越高。另一方面,随着国家“一带一路”倡议和“走出去”战略的实施,越来越多的国内电力设备企业和设计、施工单位开始涉足国际电力工程项目。在此背景下,对采用国际标准的变电站接地网设计进行研究和应用具有现实意义。

目前,国内工程的接地网设计和接地电阻计算主要依据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》、DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》、相关电力工程电气设计手册等,国际工程则主要依据IEEE 80—2013 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding。笔者对大接地短路电流系统下国内外工程变电站接地网设计的标准规范、相关概念、计算方式等内容做介绍和分析,并结合工程经验进行比较,使广大工程技术人员和管理人员更加深入了解、掌握两者的异同点和适用的工况范围,以便更有针对性地实现应用。

2 国内工程变电站接地网设计

2.1 基本原则

根据国内相关标准及规范,在大接地短路电流系统,即110 kV及以上电压等级电网中,一般土壤电阻率区域的接地电阻计算式为:

R≤2 000/I

(1)

式中:R为考虑季节变化的最大接地电阻;I为流经接地装置的计算用入地短路电流,一般应考虑电力系统未来10～15 a最大运行方式。

2.2 接地故障时系统短路电流与入地短路电流

需要特别强调的是,发生故障时,系统短路电流和流经接地装置进入地网的短路电流是两个不同的概念,很多初级技术人员往往会混淆。

变电站接地计算时,一般以系统两相接地短路电流、单相接地短路电流的大值作为计算的故障电流,根据电网未来10～15 a规划的等值阻抗模型分别计算高压侧、中压侧母线短路电流水平。以220 kV变电站为例,等值阻抗网络如图1所示。以此等值阻抗网络分别计算220 kV侧母线、110 kV侧母线两相及单相接地短路电流水平,进而确定系统的最大故障电流水平。

变电站内或外发生接地短路时,短路电流可以分为三个部分:流经接地装置的流入地网的短路电流、变压器中性点流过的短路电流、架空避雷线所分得的接地短路电流。

若要计算入地短路电流I,则只需要先计算出接地故障时流经变压器各中性点的短路电流及流经架空避雷线的短路电流,相关计算式为:

I=(Imax-In)(1-Kf1)

(2)

I=In(1-Kf2)

(3)

式中:Imax为发生接地故障时系统的最大短路电流;In为发生接地故障时流经变压器中性点的短路电流;Kf1为发生变电站内接地故障时架空避雷线的分流因数;Kf2为发生变电站外接地故障时架空避雷线的分流因数。

实际所采用的计算值选择式(2)、式(3)计算结果的大值。

需要特别说明的是,在实际工程应用中,不能将系统最大短路电流用于计算接地网电阻,否则会导致计算值偏大,不利于工程成本控制。

另外,在GB/T 50065—2011中规定R≤2 000/IG,IG考虑了入地短路电流直流分量对人员安全及接地装置的影响。此时按照接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值进行设计,并引入衰减因数的概念。

2.3 最大接触电势和最大跨步电势

近年来我国电力系统快速发展,系统负荷及容量不断增大,系统的短路电流水平已经达到20 kA、30 kA或更高,入地短路电流也越来越大,因此在工程应用中,实际人工接地体的电阻值往往会大于式(1)要求的允许值。对此,在实际工程应用中,可以按最大接触电势和最大跨步电势进行校验。

最大允许接触电势Ut为:

(4)

式中:ρs为人脚站立处地面的土壤电阻率;Cs为土壤表层衰减因数;ts为接地短路电流的持续时间,即主保护动作时间加断路器分闸时间。

最大允许跨步电势Us为:

(5)

k=(ρ1-ρ2)/(ρ1+ρ2)

(6)

式中:ρ1为上层电阻率;ρ2为下层电阻率。

2.4 热稳定校验

随着当前国民经济的快速增长和电网规模的不断扩大,对于大接地短路电流系统而言,故障时的短路电流也越来越大,有必要对所选接地装置进行校验,以确保满足热稳定要求。热稳定校验计算式为:

(7)

式中:S为满足热稳定要求的最小接地体截面;I′为流经接地线的短路电流;t为主保护动作时间、失灵保护动作时间、断路器动作时间之和;C为热稳定因数,实际应用中钢材取70,铜材取210。

2.5 接地体电阻

假设土壤电阻率均匀,可以对单根垂直接地体、不同形状水平接地极,以及水平接地极为主边缘闭合的复合接地网进行计算。复合接地网相关计算式为:

(8)

(9)

(10)

Rn=aRe

(11)

式中:Rn为复合接地网接地电阻;Re为等值方形接地网接地电阻;L0为接地网外边缘总长;L为水平接地极总长;S1为接地网总面积,m2;h为水平接地极埋设深度;d为水平接地极直径或等效直径;ρ为土壤电阻率。

需要注意的是,对于土壤电阻率,传统计算方法按均匀土壤电阻率来选取,假定场地内各点沿纵向和横向的变化不大。但是,现场实际数据会随地点和深度的变化而发生变化,有时不同土层甚至会差别较大。针对此情况,建立土壤结构化模型,对土壤按不同性质和类别建立分层结构,利用相关软件进行仿真计算,是近年来接地计算的一个发展趋势,并在一些工程实践中得到了应用。

2.6 接地网计算流程

基于上述介绍,结合工程实际应用,接地网计算流程如图3所示。

3 工程实际应用

以某220 kV变电站实际工程数据作为输入,按照上述计算式及计算流程来计算该变电站接地电阻,并采取必要的降阻措施。

3.1 系统参数

主变压器电压为220 kV/110 kV/35 kV,容量为180 MVA。220 kV出线有12回,110 kV出线有14回。在两相接地短路情况下,故障点短路电流的最大值为29.8 kA。

3.2 接地网数据

根据现场测量若干点的结果,考虑季节因数1.3,加权后取土壤电阻率为1 200 Ω·m。初步设计接地网尺寸为150 m×200 m,由截面边长为60 mm、厚度为6 mm的接地扁钢构成。

3.3 计算结果

根据上述计算式及计算流程,接地体截面大于最小允许截面,满足热稳定要求,但求得接地网电阻为2.9 Ω,不满足式(1)要求,需要按照最大接触电势和最大跨步电势进行校验。经计算,该接地网电阻仍然不能满足最大接触电势的要求,因此需要采取进一步降阻措施。

3.4 降阻措施

目前,在实际工程应用中除敷设人工复合接地体外,其它降阻措施主要有敷设降阻剂、用钢管打接地深井、在延长线方向采用接地斜井等。考虑到保护环境,敷设降阻剂近年来已不提倡使用。经核算,这一项目需要打六口接地深井和四口斜井,深井相当于并联垂直接地体,斜井相当于并联水平接地体,这样可以将电阻降至满足最大接触电势和最大跨步电势要求。

4 国外工程变电站接地网设计

随着国内企业不断开展国际工程业务,与国际标准接轨,利用IEEE 80—2013来进行变电站接地网设计及计算已越来越受到关注。笔者主要结合工程实际对其中的主要原则和相关标准进行介绍。

4.1 接地故障时入地短路电流

IEEE 80—2013在入地短路电流中额外引入直流分量的概念,认为入地短路电流还要考虑直流分量对人员及设备的影响。在IEEE 80—2013标准中,最大入地短路电流IG计算式为:

IG=DfIg=DfSfIf=3DfSfI0

(12)

式中:Df为衰减因数;Ig为入地电流的有效值;Sf分流因数;If为对称故障电流有效值;I0为零序电流。

4.2 最大接触电势和最大跨步电势

IEEE 80—2013按人体电阻1 000 Ω考虑,因此IEEE 80—2013标准最大接触电势和最大跨步电势的计算相比国内更为保守,并且分别考虑两种不同人体质量下人体所允许通过的电流。

人体质量为50 kg时,人体所允许通过的电流IB为:

(13)

人体质量为70 kg时,人体所允许通过的电流IB为:

(14)

以人体质量50 kg为例,最大允许接触电势Etouch为:

(15)

最大允许跨步电势Estep为:

(16)

4.3 热稳定校验

IEEE 80—2013中,热稳定校验计算式为:

(17)

式中:A为接地导体截面积;I1为对称故障电流有效值;TCAP为热容量与单位体积比值;tc为故障电流持续时间;ar为在参考温度Tr时的电阻率热系数;ρr为接地体在参考温度Tr时的电阻率;Tm为最高允许温度;Ta为环境温度。

K0由式(18)或式(19)计算得到:

K0=1/α0

(18)

K0=1/αr-Trα0

(19)

式中:α0为0 ℃时的电阻率热系数。

4.4 接地体电阻

IEEE 80—2013给出了垂直接地体、水平接地体、复合接地网的电阻计算式,并且引入了水平接地体和垂直接地体之间相互影响的电阻Rm。复合接地网接地电阻Rg计算式为:

(20)

式中:R1为水平接地体电阻;R2为垂直接地体电阻。

4.5 接地网计算流程

IEEE 80—2013对应的接地网计算流程与国内工程相似。

5 结束语

笔者从工程应用角度出发,对国内外工程变电站接地网设计进行了比较,对各自的应用范围和注意事项进行了介绍。无论是国内标准还是国际标准,在各自工程项目领域都发挥着重要作用,后续在土壤电阻率分层建模、入地最大短路电流分流因数确定等方面仍需进一步研究,并在工程实践中不断总结。另一方面,变电站投运后接地材料腐蚀导致性能降低,系统短路水平由于电网和负荷不断增大而日益增高,针对这些情况,应当建立长效管理机制和有效监测手段,使变电站接地管理及接地电阻监测实现动态化和周期性,这是广大工程人员未来探索和研究的一个方向。