高土壤电阻率地区发变电站接地设计

高土壤电阻率地区发变电站接地设计

广东省电力设计研究院（ 510600）钟玉秋吴志成

【摘要】结合某220kV变电站的实际工程数据，通过分析接地设计参数对地电位、接触电位差、跨步电位差的影响程度，重点探讨目前高土壤电阻率地区发电厂、变电站的接地设计问题，以供同行在工程设计中共同探讨。

【关键词】高电阻率发电厂变电站接地设计

1 概述

随着我国城市居民用电负荷的进一步增长，为满足城市用电负荷分配的要求，越来越多的220kV变电站已作为配电变电站进入城区，此类变电站的特点是，变电站规模不大，220kV及110kV 高压电器采用GIS设备，变电站面积小，电力系统容量不断增大而导致发变电站接地故障短路电流越来越大。因此造成变电站在接地设计方面的突出问题是接地面积小（5000～10000m2），土壤电阻率高（一般为500～1200Ω·m或更高），无可敷设外接接地条件等。发电厂较变电站有更大的占地面积，但由于土壤电阻率较高，入地电流的不断增加，接地网的设计也变得较为困难。另DL/T621—1997行业标准在面对当前不断增长的系统短路容量的条件下，仍维持2000V的地电位规定值不变，对地网的接触电位差和跨步电位差容许值的要求更趋严格，而根据最近工程设计情况分析，要求将接地电阻降到DL/T621—1997行业标准的值是十分困难的。本文将结合我国某220kV变电站的实际工程数据，重点探讨目前高土壤电阻率地区发电厂、变电站的接地设计问题。

我们知道发电厂、变电站接地设计的目的主要是设计一个合适的地网满足电力系统运行要求，保证人身、设备安全。一个低电阻的接地网无疑会对设备安全运行、人身免受有害电击是十分有利的，但影响建立发电厂、变电站安全接地的因素很多，在目前电网容量越来越大的今天，即使地网接地电阻很低，也不能保证电气设备和人身的安全，整体的接地系统的电阻和一个人受到有害电击并没有直接联系。有着相对低的接地电阻的发电厂、变电站可能是十分危险的，而有着较高电阻的发电厂、变电站通过仔细设计地网后会变得更为安全[1]。下面就高土壤地区发电厂、变电站接地设计，探讨影响发电厂、变电站安全接地设计的因素及采取的措施。

2 安全接地设计的影响因素及解决措施

合理的设计一个安全地网，使得发电厂、变电站有一个低的足够安全的接触电位差、跨步电位差、地电位是我们设计安全地网的最终目的。

接触电位差是接地故障电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地表面上离设备水平距离0.8m处与设备、构架等离地面垂直距离1.8m处两点间的电位差。实际是由于地网网孔的存在形成的网孔内各点对接地网的电位差，我们将网孔中心对地网接地极的电位差（最大值）称为最大接触电位差。为了发电厂、变电站内运行人员操作带电外壳接地设备时，不造成触电危险，应将接触电位差限制在安全值范围内。接触电位差的允许值及地网实际接触最大电位差的计算公式如下

接触电位差（允许值）Ut（V）

Ut=■（1）

地网最大接触电位差Utmax（V）

Utmax = KtmaxUg （2）

式中Utmax——最大接触电位差；

Ktmax——最大接触电位差系数。

跨步电位差是一人两脚间为0.8m跨距时的地表处的电位差，是由于电力系统的接地故障电流或雷电流流入大地时在土壤中形成的电压降产生的，其两点间的电位差受土壤电阻率的影响较大。在均匀土壤中，电阻率越低，其值越小，电阻率越高，其值越大，若土壤电阻率不均匀时，情况将变得更为复杂。但作用于人体的跨步电位差主要受地表面土壤电阻率的影响，见计算公式（3）跨步电位差（允许值）Us（V）

Us=■（3）

地网最大跨步电位差Usmax（V）

Usmax = KsmaxUg （4）

式中 Usmax——最大跨步电位差；

Ksmax——最大跨步电位差系数。

地电位是发生接地故障时，入地电流流经接地体在接地网内产生的电位升高，地电位升高产生的转移电位会危及与之连接的其它系统人身及设备安全，也有可能对本地设备产生反击电压危害。地电位是入地电流和接地电阻的函数。

接地装置电位（地电位）Ug（V）

Ug = IR （5）

式中I——入地短路电流，A；

R——接地装置的接地电阻。

影响地网上述三个参数的主要因素很多，但主要有接地故障电流的大小（I）和持续的时间（t），架空地线分流系数（K），土壤电阻率(ρ)，地表材料电阻率(ρf)，土壤电阻率的均匀性等因素。下面我们就针对地网设计中三个安全值的要求、影响因素、解决方法逐一分析如下。

为进一步说明问题，我们通过一个现有的GW变电站的设计数据来分析接地网的设计参数的影响因素及影响程度。

某变电站的接地设计原始参数如下：

接地短路（故障）电流的持续时间t：0.6s

最大入地故障电流（分流后的最大值）I：1.5kA

测得的等效均匀土壤电阻率值（考虑季节系数）ρ： 500Ω·m

可用接地网的面积(109×92m)S:10028m2

表面垫层碎石的电阻率（潮湿状态）ρf：2500Ω·m

按DL/T621—1997的要求，发电厂、变电站的电气装置的接地“应敷设以水平接地极为主的人工接地网”,GW变电站的地网拟采用有水平接地极和垂直接地极组成的复合接地网。

经工程计算，GW变电站的规程允许的接触电位差、跨步电位差分别为334V、676V。按双层土壤（ρf =2500Ω·m）考虑计算的接触电位差、跨步电位差的允许值分别为773V、2483V。而计算的接地电阻为2.5Ω，实际计算的地电位值高达28710V，远大于规程2000V的要求，为满足要求，接地电阻值需降到0.1Ω以下，是原接地电阻的4％，也就是将土壤电阻率降到34.8Ω·m。那么，在无法降低接地电阻情况下如何使得本变电站的接地网更安全呢？下面就是本文重点讨论的问题。

2.1 接地故障持续时间对地网设计参数的影响

图1曲线为接触电位差、跨步电位差随接地故障持续时间的变化曲线。从中看出，故障持续时间对安全的影响是十分明显的，因此快速切除接地故障，会使变电站运行将变得更加安全。例如故障在0.1s切除时，接触电位差、跨步电位差的允许值分别为819V和1657V，而0.6s切除时为334V和676V，允许值均降低到0.1s时的40％，可见故障的持续时间对接触电位差、跨步电位差影响程度较大，特别是在0.1～0.9s区间，效果更加明显。但从实际情况来看，断路器的开断时间，保护动作时间均与设备型式及制造有关，通常是无法改变的，真要改变将花费更大的代价，是不合实际的也是不现实的。