劉　騏，史　柳，姜龍杰，孔　深

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

0　引　言

近年來，我國政府加大了電網(wǎng)建設(shè)。其中，特高壓系統(tǒng)具有電能容量大、電壓等級高的特性，其安全隱患大，一旦發(fā)生故障，不僅會影響電能的正常輸送，而且容易損壞電氣設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)損失。要使特壓變電站安全穩(wěn)定的運(yùn)行，就必須做好接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[1-2]。本文結(jié)合特高壓變電站自身的運(yùn)行特性，分析變電站站址的周圍環(huán)境和電路情況，采取合理科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，完成對特高壓變電站接地系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，充分發(fā)揮其作用。

1　特高壓變電站短路電流分析

由于特高壓變電站的電能容量大、電壓等級高，接地系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，所引起的瞬間短路電流非常大[3，4]。有專家認(rèn)為，需要進(jìn)一步的提高變電站系統(tǒng)的地電位[5]。我國特高壓變電站主要采用光纜通信線路，并在此基礎(chǔ)上盡量使用瀝青混凝土鋪設(shè)地面，以此提高接觸電壓[6]。正常工作中電纜線路絕緣層的耐受值為2 kV，實(shí)驗(yàn)表明，二次電纜接地時會提升40%的地電位，即使電纜線路絕緣層的耐受值將達(dá)到5 kV，因此可將變電站系統(tǒng)原來承受的2 kV提升到5 kV，由于處在承受的最大電壓下，必須高度警惕通信線路對變電站系統(tǒng)的影響，以防造成電位升過高的問題。特高壓變電站接地電阻和短路電流的關(guān)系密切，經(jīng)過對晉東南變電站線路實(shí)驗(yàn)分析可知，當(dāng)變電站接地電阻減小，其短路電流的分流系數(shù)會增大，即其入地短路電流越多[7，8]。短路電流和接地電阻呈反比關(guān)系，所以接地電阻和入地電流是決定變電站系統(tǒng)地電位升的兩大因素。因此在分析特壓變電站短路電流時必須重視裕度問題。

2　土壤模型分析

根據(jù)對晉東南變電站站址的視在土壤電阻率測試的結(jié)果分析，可知在測試范圍內(nèi)，土壤的各向異性大致相同。土壤為沿水平分層的多層土壤，所以，變電站站址一般選擇地勢平坦的平原。北京西1 000 kV變電站站址處于山前沖洪積平原，地層主要分布粉土、砂類土、粉質(zhì)粘土等。對變電站站址的土壤電阻率的測試一般采用對稱四級法。晉東南變電站站址采用最小二乘法對測量點(diǎn)進(jìn)行擬合反演過程從而進(jìn)行土壤建模，大致過程是，通過假設(shè)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較、調(diào)整，直至兩者誤差達(dá)標(biāo)。北京西變電站站址使用CDEGS軟件對測量結(jié)果的平均值進(jìn)行建模，大致原理與前者相同。

3　分流系數(shù)和接地電阻分析

北京西特高壓變電站包括4回1 000 kV出線和4回500 kV出線。由于二者在側(cè)短路時的分流系數(shù)不同，就需要計(jì)算出各自的短路電流分流系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖表，由圖表顯示的分流系數(shù)與接地電阻之間的關(guān)系得到500 kV側(cè)短路時的分流系數(shù)要小于1 000 kV側(cè)短路時的分流系數(shù)。由此得到變電站的接地電阻與其短路電流分流系數(shù)的關(guān)系，即變電站的接地電阻越大，其短路電流分流系數(shù)越小，入地電流越少，兩者呈反比關(guān)系。

入地電流和接地電阻是決定變電站地電位升的兩大因素，需要綜合考慮接地電阻和變電站地電位升的關(guān)系。變電站接地電阻對分流系數(shù)影響明顯。變電站接地電阻越小，變電站地網(wǎng)分流系數(shù)越大，即入地電流越大。但是分流系數(shù)又與變電站應(yīng)達(dá)到的接地電阻有關(guān)，與前者形成矛盾，為了調(diào)節(jié)其中的矛盾，需要留出充分的裕度。針對該情況，可以將分流系數(shù)與變電站接地電阻的關(guān)系通過函數(shù)表現(xiàn)出來，然后再分析變電站接地網(wǎng)應(yīng)當(dāng)達(dá)到的接地電阻，并在此基礎(chǔ)上留出充分的裕度。

總結(jié)上述接地電阻和變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)、入地電流的關(guān)系，即接地電阻與變電站分流系數(shù)呈反比，與入地電流呈正比，但在此基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合反面關(guān)系來分析。例如，按照要求，接地電阻應(yīng)當(dāng)小于5000/I，但是變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)與接地電阻有關(guān)，而變電站應(yīng)達(dá)到的接地電阻與變電站接地網(wǎng)分流系數(shù)有關(guān)，所以需要在要求的接地電阻基礎(chǔ)上留出充分的裕度，即變電站要求達(dá)到的電阻要比理論電阻偏大。

當(dāng)變電站接地電阻在0.05～0.5 Ω時，變電站接地電阻與分流系數(shù)的關(guān)系大致呈線性關(guān)系。500 kV側(cè)短路時，接地電阻為0.05 Ω時，分流系數(shù)為0.56；接地電阻為0.5 Ω時，分流系數(shù)為0.34。根據(jù)要求計(jì)算，接地電阻應(yīng)小于0.121 Ω。1 000 kV側(cè)短路時，當(dāng)接地電阻為0.05 Ω時，分流系數(shù)為0.59；當(dāng)接地電阻為0.5 Ω時，分流系數(shù)為0.31。根據(jù)要求計(jì)算得出：變電站的接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.116 Ω。綜上，變電站接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.116 Ω。

4　特高壓變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1　水平接地網(wǎng)分析

變電站接地網(wǎng)的埋置很有講究，不僅要結(jié)合要求來布置接地網(wǎng)，還要考慮接地網(wǎng)的布置對工作人員人身安全的影響。實(shí)踐證明，特高壓變電站接地網(wǎng)應(yīng)該埋在凍土層以下，通常為地表以下1.0 m以下。確定好位置后，再根據(jù)要求均勻地布置導(dǎo)體。根據(jù)晉東南特高壓變電站的計(jì)算結(jié)果顯示，這樣的布置使地電位升小于5 kV，為了確保特高壓變電站的電氣設(shè)備安全運(yùn)行；跨步電壓的值遠(yuǎn)小于其安全限值，因此就算不鋪高阻層也可以滿足人身安全。但是，接觸電壓卻遠(yuǎn)超其安全限值，綜上所述，需要鋪設(shè)高阻層以保障人身安全。將接地網(wǎng)埋在凍土層以下的原因在于凍土層比較薄，對接地電阻造成的影響小。其中，導(dǎo)體間隔15 m，特高壓變電站地電位升最佳值為3 943 V，跨步電壓安全限值為520 V，高阻層安全限值為460 V，為保障人身安全，需設(shè)高阻層厚度約為6 cm。數(shù)據(jù)根據(jù)各個變電站的實(shí)際情況不同而有所改變。

4.2　深垂直接地級降低接觸電壓的效果

特高壓變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮土壤的導(dǎo)電性、厚度；在此情況下，通過合理的布置垂直地級，可以有效地降低特高壓變電站的接地電阻，減小變電站的接觸電阻，并明顯地降低跨步電壓和接觸電壓，達(dá)到地表均壓的效果。不同垂直接地極布置方案對地網(wǎng)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的影響計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由于垂直地級的長度與特高壓變電站的整體占地面積比值小，會造成降阻不均，但是連續(xù)增加接地電阻的長度會對降低接觸電阻的效果不明顯，原因在于隨著地極的增加，其對最大接觸電壓的降低效果趨于飽和。以晉東南變電站的垂直地極工作情況的調(diào)查和結(jié)果為例。晉東南變電站中間的土壤厚且導(dǎo)電性非常好，很適合通過加深垂直地極來降低接地電阻，從而減小接觸電壓。結(jié)果表明，通過增加深垂直接地極能夠明顯的降低變電站的接觸電壓、跨步電壓。其原因在于垂直地極起到了地表均壓的作用。但是變電站仍需鋪設(shè)高阻層，以更好地保障人身安全。

表1　垂直接地極對接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的影響

4.3　水平接地網(wǎng)的均壓優(yōu)化布置

由于凍土?xí)档徒拥叵到y(tǒng)的安全性，且一年四季的土壤模型有所不同，但是接地系統(tǒng)只能按一種方案布置，因此只能采用比較分析來確定最佳方案。即分析融凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在冰凍季節(jié)的安全性以及冰凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在融凍季節(jié)的安全性。通過綜合兩種情況來確立最佳方案。

接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在已有的接地系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整水平接地網(wǎng)中接地導(dǎo)體的布置電阻、電壓達(dá)標(biāo)，即得到最優(yōu)壓縮比。通過比較融凍季節(jié)接地網(wǎng)優(yōu)化壓縮比和不優(yōu)化值，冰凍季節(jié)接地網(wǎng)的優(yōu)化壓縮比和不優(yōu)化值；融凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)冰凍季節(jié)的接地電阻、最大接觸電壓、跨步電壓，冰凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在融凍季節(jié)的接地電阻、接觸電壓、跨度電壓的值。可知在優(yōu)化設(shè)置后，接地系統(tǒng)的安全性得到大大的改善，并得到接地網(wǎng)按照冰凍季節(jié)的最優(yōu)壓縮比進(jìn)行設(shè)計(jì)時，在融凍季節(jié)接地系統(tǒng)的安全性也有所改善。綜上所述，采用冰凍季節(jié)的最優(yōu)壓縮比最佳。

4.4　接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

變電站占地面積大，1 000 kV側(cè)短路點(diǎn)和500 kV側(cè)短路點(diǎn)可能會影響接地阻抗，從而影響分流系數(shù)值。由于兩側(cè)入地電流不同，導(dǎo)致電壓分布不同，因此需要逐一分析、比較可行性接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出符合實(shí)際情況的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)能明顯的改善接地系統(tǒng)的電位分布不均，提高接地系統(tǒng)的安全性能，提高電氣設(shè)備的安全性。以北京西特高壓變電站為例，采用均勻布置時，接地網(wǎng)的電阻比不等距時增加2.1%，地電位升與最大接觸電勢均增加，因此該變電站應(yīng)采用不均勻地網(wǎng)布置。

5　結(jié)束語

綜上所述，特高壓變電站接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對于保障變電站系統(tǒng)的安全有著極為重要的作用。上文結(jié)合了對特高壓變電站的土壤、短路電流、分流系數(shù)和接地電阻的分析，在此基礎(chǔ)上，通過對同模型下可行性方案的比較，提出合理的接地系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)方案。減小安全事故，降低經(jīng)濟(jì)損失，在保證特高壓變電站正常運(yùn)行的前提下，進(jìn)一步提高變電站的安全性能，為我國

的電氣發(fā)展提供良好的前提條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社,2005.

[2]張文亮，張國兵.特高壓交流試驗(yàn)電源特點(diǎn)探討及比較[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(4)：3-6.

[3]張武軍，何奔騰，沈冰.特高壓帶并聯(lián)電抗器線路的行波差動保護(hù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(10)：58-6.

[4]解廣潤.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2007.

[5]李光中，陳彩屏，趙初元，邊界元法在基礎(chǔ)接地中的應(yīng)用——混凝土基礎(chǔ)樁接地電阻的計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1991，(3)：59-63.

[6]張波，何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].高電壓技術(shù)，2015，(8):69-82.

[7]潘卓洪，張露，譚波，等.垂直多層土壤的格林函數(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(25)：150-156.

[8]田松，魯海亮，文習(xí)山，等.安全性分析在變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].高壓電器，2014,50(7)：44-56.