220kV变电站接地电阻计算及接触电压和跨步电压校验

近年来,伴随着我国经济的快速发展,电网规模不断扩大,电压等级也逐渐升高,电力系统在不断的发展和进步,但电网发生故障时的接地电流也随之增大,接地电压也相应的越来越高,不仅给日常巡检和故障维护人员带来了严重的安全隐患和危险,同时也会破坏电气设备绝缘,导致变电站开关跳闸、机组停机等连锁事故发生,严重威胁人民的生命财产安全。电气接地系统作为变电站不可缺失的一部分,对保障站内电气设备稳定可靠运行,站内外运维人员安全,具有很重要的作用。因此,合理布置变电站接地网,选择合适的接地导体,准确计算接地电阻和校验接触电压及跨步电压,使之满足相应的国家标准、安全标准,对变电站整体设计具有十分重要的意义。

1变电站背景及概况1.1变电站规模220kV鱼南变建设规模为:4×240MVA,4回220kV出线+18回110kV出线,220kV及110kV系统均采用双母线双分段接线方式。1.2站址位置220kV鱼南变位于鱼山岛石化园区内,变电站位于中央大道与滨海南路交叉处西南角。220kV鱼南变北侧为2#管廊,便于110kV电缆出线。1.3土壤电阻率测量根据《浙江石油化工有限公司4000万吨/年炼化一体化项目地块二岩土工程勘察技术报告书》,本次勘察在场地内进行了大地土壤电阻率测试,测试结果如表1所示。由于本变电站位置处于开方区和填方区之间,根据土壤电阻率测试报告,不同类型的土壤电阻率普遍较低(1.93~6.40Ω·m),但凝灰岩地层电阻率很高,故采用回填素土的方式来降低土壤电阻率,考虑到石块等因素,该地层土壤电阻率按100Ω·m进行计算。结合整个变电站的位置布局,其大部分区域位于填方区,仅小部分区域位于开方区,且变电站对开方区要求回填素土,同时地下水位较高,地下水含盐碱时土壤电阻率较小,垂直接地极可有效与低电阻土壤接触。综合上述情况,本项目取220kV变电站区域平均土壤电阻率为50Ω·m。同时,由于石化区内均设有地下接地线,且面积极大(不小于3km×3km),要求220kV变电站和石化区的地下接地网紧密连接(不少于4点),因此本项目石化区地下接地网接地电阻取0.1Ω。

2变电站接地电阻计算及接触电压和跨步电压的校验2.1计算依据接地电阻、接触电压和跨步电压的计算依据《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011、《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》GB/T50064—2014《GuideforSafetyinACSubstationGrounding》IEEEStd80—2000。2.2原始数据2.2.1故障电流有效值和持续时间根据《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011中附录E.0.1和E.0.3条文规定,计算接地导体(线)最小截面中接地故障等效持续时间te与ts相同；ts为计算接触电位差及跨步电位差允许值时接地故障电流持续时间。计算方法如下。(1)发电厂和变电站的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时,te应按式(1)取值:式中,tm为主保护动作时间,按实际整定,取0.04s;tf为断路器失灵保护动作时间,按工程经验,取0.2s;to为断路器开断时间,按当前市场主流设备开断时间,取0.06s。(2)当配有1套速动主保护、近或远(或远近结合的)后备保护和自动重合闸,有或无断路器失灵保护时,te应按式(2)取值:式中,tr为第一级后备保护动作时间,按工程经验和保护上下级配合,取0.5s。本220kV变电站220kV系统安装2套主保护,接地故障等效持续时间为0.3s。2.2.2分流系数故障电流分流系数Sf的计算可分为站内故障短路和站外故障短路。参考规范《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011附录B及其条文说明,当站内发生短路故障时,其分流系数是由系统中的电流分布决定的。影响分流系数的因素如下。(1)变电站接地网的接地阻抗当发生接地故障时,按照基本电路原理,若变电站接地网的接地阻抗较小时,通过变电站入地的故障电流就较大;反之,当变电站接地网的接地阻抗很大时,故障电流则分别经接地网、架空地线、电缆外皮等不同途径流入大地。此外,变电站接地网的接地阻抗值并非恒定不变,会随着季节变化、接地材料腐蚀等因素在一定范围内变化,故分流系数也随之变化。(2)线路杆塔的接地电阻与前述变电站接地阻抗类似,当线路杆塔接地电阻相对较小时,故障电流通过杆塔流入大地更容易,站内分流系数随之减小;反之,若杆塔接地电阻较大,站内分流系数也会相应的变大。(3)地线的布置、尺寸和材质与线路杆塔接地电阻情况类似,在地线导电性能好、架空线路全线架设双地线等情况下,相应的站内分流系数会减小。(4)其他因素参考附录B.0.2条文说明中的表6~8,随着变电站的进出线回路数增加,分流系数减小;线路的档距和档数增加时,变电站的分流系数会增大。由于本站出线主要采用电缆,且与另外2个220kV变电站(龙峙变和鱼东变)均位于同一石化区内,因此按工程经验,本项目取站内短路发生接地故障时的分流系数为0.4。2.2.3入地故障电流入地电流也是决定地电位升高的一个重要因素。系统发生短路故障时有一部分电流从接地网散流入地,余下部分经变压器中性点、架空地线、电力电缆屏蔽层等途径回流到系统。设计人员应根据当前和远景的最大运行方式下电气一次接线、送电线路状况、故障状态下系统的电抗与电阻比值等方面做出相应的规划,确定设计水平年的最大接地故障不对称电流的有效值。入地故障电流计算公式见式(3)。式中,Sf为分流系数,取0.4；Df为衰减系数,取1.0;Ig为接地故障时的最大接地短路电流,根据本项目的短路电流计算得Ig约为33.3kA。经计算,本项目220kV变电站的最大入地故障电流约为13.32kA。2.3计算过程2.3.1主接地网的布置根据《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011中的规定,发电厂、变电站的接地网,除了利用建筑物、构筑物等自然接地极外,还应该敷设以水平接地体为主的人工接地网。水平接地网布置图如图1所示。图1水平接地网布置图主接地网以道路周围内1m为边缘线,敷设以水平接地体为主的人工接地网,接地网外部边缘应闭合,接地线外部边缘各角做成圆弧形状,圆弧的半径不宜小于均压带间距的50%,接地网内还应敷设水平均压带,防止出现电位差。本站水平接地体的埋深按1.0m设计,并设Φ25mm长度2.5m的不锈钢棒垂直接地极。主接地网按不等距网格布置设计,最外侧边缘水平接地体间隔布置稍密,但不小于6m。为了增强雷电冲击电流的散流效果,在避雷针、避雷器附近加装垂直接地体。垂直接地体的长度为2.5m,垂直接地极之间的水平距离不宜小于5m,其顶部与水平接地体焊接。2.3.2接地网的计算(1)接地电阻要求按照《交流电气装置的接地设计规范》GB/T50065—2011中的规定,本项目有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻应符合公式(4)的要求。(2)接地电阻计算1)等距复合接地网根据GB50065中式(A.0.4-4)计算,见式(5)。2)不等距复合接地网根据GB50065中式(D.0.4-12)计算,见式(6)。3)地电位升高值根据GB50065中式(B.0.4)计算,见式(12)。4)接触电压允许值根据GB50065中式(4.2.2-1)计算,见式(13)。5)跨步电压允许值根据GB50065中式(4.2.2-2)计算,见式(15)。6)接触电压计算值根据GB50065中式(D.0.3-1)计算,见式(16)~(23)。7)跨步电压计算值根据GB50065中式(D.0.3-13)计算,见式(24)~(26)。

3计算结果本项目220kV变电站的接地电阻、地电位升高值、接触电压和跨步电压的计算结果如表2所示。4

结束语通过上述的计算和校验分析,鱼南变220kV变电站的地电位升高值、接触电压和跨步电压满足规范要求;在变电站发生接地故障产生最大入地电流时,满足人员的生命安全保障需求。但随着电力系统容量不断扩大发展,考虑接地网随着时间受腐蚀,特别是沿海地区,接地