楊 凱 姬悅心

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 2.陜西送變電工程有限公司）

0 引言

電力設(shè)備能夠正常的運(yùn)行，保證工作人員的人身安全，接地裝置是非常關(guān)鍵的設(shè)備。近年來(lái)，電力行業(yè)發(fā)展較快，提升了電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和容量，如果發(fā)生故障問題，不僅通過(guò)接地網(wǎng)流散的電流會(huì)不斷地上升，接地網(wǎng)電位也會(huì)增加，接地網(wǎng)本身是一種不外露的工作，再加上人們對(duì)于該問題不是很重視，接地網(wǎng)施工本身不細(xì)致，測(cè)量缺乏準(zhǔn)確性等原因，從而導(dǎo)致各種事故的發(fā)生，系統(tǒng)不能正常的運(yùn)行，甚至?xí)斐稍O(shè)備受到損壞。

接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是合理地布置接地網(wǎng)中的水平導(dǎo)體，根據(jù)導(dǎo)體泄漏電流密度分布、土壤表層電位分布情況，進(jìn)一步地發(fā)揮導(dǎo)體的價(jià)值性作用，從而有效降低接觸電位差和跨步電位差，對(duì)人身及設(shè)備的安全更具有保障性作用。根據(jù)工程的具體情況，電力系統(tǒng)如果為安全運(yùn)行狀態(tài)下，能夠有效減少接地網(wǎng)工程費(fèi)用和造價(jià)，因此，對(duì)變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案更為經(jīng)濟(jì)、合理。此次以某地區(qū)110kV變電站作為研究主要內(nèi)容，將系統(tǒng)最大入地短路電流、土壤電阻率值等方面作為依據(jù)，對(duì)此變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了最大優(yōu)化，并且校核了接地網(wǎng)的接觸電位及跨步電位的差，另外，針對(duì)各個(gè)布設(shè)方式的經(jīng)濟(jì)性實(shí)施了比較，總結(jié)出最為合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)約束

1.1 接地網(wǎng)電阻允許值

將本次選取的某地區(qū)110kV變電站電氣設(shè)備作為依據(jù)，針對(duì)該城市供電公司發(fā)策部給予的相關(guān)資料，計(jì)算了此站的短路電流，獲取的最大入地短路電流是8.2kA。以我國(guó)電力行業(yè)接地相關(guān)要求規(guī)定，該地區(qū)110kV變電站接地網(wǎng)電阻值需要符合下列公式的要求：

該式當(dāng)中：R-充分的考慮了季節(jié)系數(shù)變化的最大接地電阻值，Ω；

I-計(jì)算為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，A。

系統(tǒng)也在日益更新，在這個(gè)過(guò)程中短路電流在不斷的增大，接地電阻想要符合允許值范圍存在一定的難度，因此，在DL／T621-1997中明確要求，借助技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，可以對(duì)接地電阻值適當(dāng)?shù)脑黾?，然而，不能大?Ω，還需要以6.2.2條的要求進(jìn)行校驗(yàn)工作的開展。通過(guò)對(duì)規(guī)程進(jìn)行對(duì)比，直接接地及小電阻接地系統(tǒng)中接地電阻的取值要求沒有強(qiáng)制性的規(guī)定。再者，由于系統(tǒng)容量也有所變大，國(guó)內(nèi)的一些變電站短路入地電流甚至超過(guò)了30kA，雖然讓R減少到了0.5Ω，地電位也上升到15kV，然而，從具體的運(yùn)行情況來(lái)看，地電位上升為14.5kV也不會(huì)對(duì)人身和設(shè)備的安全造成影響［1-2］。

1.2 接觸電位差和跨步電差允許值

此次研究中，將我國(guó)電力行業(yè)接地規(guī)程要求作為參考，110kV變電站的有效接地系統(tǒng)，6～35kV低電阻接地系統(tǒng)方面，如果出現(xiàn)兩種情況，如單相接地或者是兩相接地，發(fā)電廠及變電所兩者之間接地裝置接觸電位差及跨步電位差應(yīng)該小于下列數(shù)值：

上述式中：Ut、US、ρs、t分別表示接觸電位差、跨步電位差、人腳站立位置地表面的土壤電阻率、接地短路電流的持續(xù)時(shí)間 （s），主要有主動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、斷路器失靈保護(hù)時(shí)間等，此次設(shè)計(jì)中的取值時(shí)間是0.6s。

接觸電位差和跨步電位差本身對(duì)人身安全有著直接的影響。所以，在建設(shè)變電站過(guò)程中，設(shè)備支架與構(gòu)架附近和道路需要進(jìn)行碎石、瀝青等的鋪設(shè)，這樣才能讓表層土壤電阻率得到提升，最終提高接觸電位差及跨步電位差允許值。

此次研究的110kV變電站和其他不同，該變電站在室內(nèi)，在計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，變電站表層和土壤電阻率范圍值取值為1500Ω.m，所以，該地區(qū)的110kV變電站接觸電位差是553.84V，跨步電位差是1580.18V。

1.3 接地材質(zhì)和截面的確定

目前國(guó)際上主要使用的接地材料以銅、鋼為主，我國(guó)使用的接地網(wǎng)材料主要為碳鋼，這是由于鋼和銅相比，前者成本費(fèi)用比較低，而且鋼的礦藏量比較多，在具體工作當(dāng)中，對(duì)導(dǎo)體材料進(jìn)行選取時(shí)，需要對(duì)導(dǎo)體熱穩(wěn)定性等進(jìn)行充分的考慮，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況對(duì)材料進(jìn)行有效的選取。

另外，系統(tǒng)如果存在接地故障問題，接地網(wǎng)經(jīng)過(guò)的短路電流比較大，所以，需要進(jìn)一步的檢驗(yàn)相關(guān)的接地體實(shí)施熱穩(wěn)定性，未充分考慮腐蝕的狀態(tài)下，接地導(dǎo)體最小截面面積需要根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

上述式中：Sg、Ig、te、C分別代表各不同，具體為接地導(dǎo)體的最小截面面積、流過(guò)接地導(dǎo)體的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值、接地故障的等效持續(xù)時(shí)間以及接地導(dǎo)體材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

以該地區(qū)的110kV變電站實(shí)況為出發(fā)點(diǎn)，有效選取了水平接地網(wǎng)材質(zhì)，紫銅排范圍是5×40，角鋼是此次選擇的垂直接地極材質(zhì)，范圍是L50×50×50。

2 變電站接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 確定土壤電阻率

測(cè)量土壤電阻率時(shí)，使用了四極法。以勘測(cè)結(jié)果為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了擬建，地層結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且分布具有一定的連續(xù)性，其穩(wěn)定性非常理想。計(jì)算土壤等電阻率時(shí)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量，最終得知140.54Ω.m，在設(shè)計(jì)計(jì)算方面，想要提升其安全性，對(duì)等值電阻率取得裕度，并且對(duì)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，最終土壤等值電阻率取值范圍是150Ω.m。

2.2 計(jì)算等間距接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

該地區(qū)的110kV變電站接地網(wǎng)面積是45m×75m。對(duì)變電站接地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其均壓導(dǎo)體布設(shè)等間距不同，分別為3m、5m、7m、10m，如今，設(shè)計(jì)水平接地網(wǎng)是15×25、9×15、5×8等間距進(jìn)行了布設(shè)，復(fù)合接地網(wǎng)在水平接地網(wǎng)的水平接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了垂直接地極的焊接，其長(zhǎng)度值為2.5m，然后根據(jù)各種布設(shè)方式，計(jì)算了水平接地網(wǎng)及復(fù)合接地網(wǎng)，結(jié)果如表1。

表1 接地網(wǎng)等間距布置計(jì)算結(jié)果

從表1我們得知，復(fù)合接地網(wǎng)和水平接地網(wǎng)進(jìn)行比較，接地網(wǎng)接地電阻值明顯減小，并且讓接觸電位差及跨步電位差發(fā)生了改變，所有差均減少，因此，均壓效果十分理想，能夠有效保障人身安全和設(shè)備的完好性，水平地位15×25等間距布設(shè)復(fù)合接地網(wǎng)，可以讓接地電阻值與該地區(qū)110kV變電站接地網(wǎng)接地電阻值的要求、接觸電壓差、跨步電壓差與允許值的要求相匹配。復(fù)合接地網(wǎng)當(dāng)中，水平地位9×15等間距布設(shè)的復(fù)合接地網(wǎng)，接地電阻值與接地電阻允許值的要求雖然不匹配，然而，其接地電阻值卻沒有超過(guò)0.5Ω，針對(duì)接觸電位差和跨位電位差兩方面進(jìn)行了校驗(yàn)，兩者和接觸電位差、跨步電位差允許值是完全相匹配的。因此，以上的敷設(shè)方式從接地網(wǎng)設(shè)計(jì)要求角度來(lái)講是可行的，該地區(qū)110kV變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案的選擇，這兩種布設(shè)方式均可。

2.3 計(jì)算不等間距接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水平接地網(wǎng)運(yùn)用等間距布設(shè)方式過(guò)程中，因?yàn)槎瞬考班徑?yīng)，其邊角位置泄漏電流比中心位置更大，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致電位部分存在很大的差異性，邊角網(wǎng)孔電勢(shì)和中心網(wǎng)孔電勢(shì)進(jìn)行比較，前者更高，因?yàn)椴钪当容^大，所以，接地網(wǎng)面積和面孔數(shù)也會(huì)因?yàn)槠涞脑黾佣l(fā)生改變，接地網(wǎng)運(yùn)用不等間距布設(shè)和等間距布設(shè)對(duì)比，可以讓接地網(wǎng)電位分布得到有效的改善［3］。

圖1為不等間距的長(zhǎng)方形接地網(wǎng)，圖中n1是接地網(wǎng)寬，長(zhǎng)方向上導(dǎo)體根數(shù)為n2。關(guān)于接地網(wǎng)寬及長(zhǎng)方向上的第i段導(dǎo)體長(zhǎng)度Lik占邊長(zhǎng)L的百分?jǐn)?shù)Sik計(jì)算時(shí)，可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

上述式中：L-接地網(wǎng)邊長(zhǎng)，長(zhǎng)方向，L＝L1；寬方向，L＝L2。

圖1 不等間距布置的長(zhǎng)方形接地網(wǎng)

接地網(wǎng)不等間距布設(shè)網(wǎng)孔邊長(zhǎng)及接地網(wǎng)邊長(zhǎng)的關(guān)系以DL／T621-1997《交流電氣裝置的接地》附錄B作為此次的參考依據(jù)，并且與式 （5）相結(jié)合，讓我們得知接地網(wǎng)不等間距布設(shè)每個(gè)網(wǎng)孔的邊長(zhǎng)值，分析計(jì)算結(jié)果是將表1作為參考依據(jù)，對(duì)比了復(fù)合接地網(wǎng)和水平接地網(wǎng)，其優(yōu)勢(shì)更為顯著。所以，計(jì)算了不同設(shè)計(jì)方案的參數(shù)。

根據(jù)文中的接地網(wǎng)接地電阻允許值、接觸電位差允許值、跨步電位差允許值等相關(guān)參數(shù)可知，對(duì)于此次研究的110kV變電站接地網(wǎng)接地電阻允許值方面，水平接地網(wǎng) 5×15、5×16、6×12、6×13、7×11、8×8不等間距布設(shè)的復(fù)合接地網(wǎng)中的任何一個(gè)設(shè)計(jì)方案都無(wú)法達(dá)到上述允許值的要求，但是對(duì)于接地電阻小于0.5Ω的要求是完全相匹配的，而且其接觸電位差及跨步電位差滿足了校驗(yàn)的規(guī)定。所以，對(duì)上述水平接地網(wǎng)不等間距布設(shè)復(fù)合接地網(wǎng)與接地網(wǎng)設(shè)計(jì)要求是相符合的。

2.4 設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性比較和方案確定

此次對(duì)水平接地網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選取的材質(zhì)為銅排，垂直接地極使用的材質(zhì)是角鋼，因?yàn)殂~排成本費(fèi)用比較高，所以，以安全性為基礎(chǔ)，需要對(duì)經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行充分的考慮。接地網(wǎng)布設(shè)方式符合要求的需要實(shí)施經(jīng)濟(jì)性比較，這樣得出的接地網(wǎng)布設(shè)方式性價(jià)比才最高。統(tǒng)計(jì)了不同接地網(wǎng)布設(shè)方式，見表2。

表2 不同布設(shè)方式的材料統(tǒng)計(jì)

如果運(yùn)用的設(shè)計(jì)方案為常規(guī)設(shè)計(jì)方案，那么，此次研究的110kV變電站接地網(wǎng)，9×15等間距布設(shè)是最為適應(yīng)的水平接地網(wǎng)，再者，對(duì)于水平接地網(wǎng)而言，所有節(jié)點(diǎn)位置焊接長(zhǎng)度范圍在2.5m。因此，在此基數(shù)上對(duì)不等間距布設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行深入的分析，并且進(jìn)行了對(duì)比，讓其使用的銅量及鋼量進(jìn)一步的減少。因?yàn)殂~排和角鋼的成本費(fèi)用比較高，所以我們應(yīng)該高度重視經(jīng)濟(jì)性問題，將銅排節(jié)約量作為依據(jù)，不管是任何一種布設(shè)方式的不等間距復(fù)合接地網(wǎng)，我們必須充分地考慮經(jīng)濟(jì)性方面。對(duì)于此次研究的110kV變電站接地網(wǎng)，如果選擇設(shè)計(jì)方案，6×12不等間距布設(shè)的復(fù)合接地網(wǎng)是目前最為科學(xué)、合理的方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

此次研究將復(fù)合接地網(wǎng)和水平接地網(wǎng)進(jìn)行了對(duì)比，可以讓接地電阻值、接觸電位差、跨步電位差同時(shí)降低，一定程度地調(diào)整了接地網(wǎng)電位分布，所以，使得接地網(wǎng)運(yùn)用不等間距布設(shè)效果更為顯著；設(shè)計(jì)變電站接地網(wǎng)過(guò)程中，還需要對(duì)工程造價(jià)等進(jìn)行充分的考慮，才能提高其性價(jià)比。