晋东南特高压变电站接地电阻设计与优化布置

晋东南特高压变电站接地电阻设计与优化布置

0接地系统工频参数的数值计算方法研究供电站接地系统是维护能源系统的安全运行，保障驾驶员和供电设备安全的基本保证和重要措施。调查表明，我国曾发生多起由于接地系统的接地电阻未达到要求所导致的事故或事故的扩大。根据统计，我国发生的由于接地系统引起的事故损失每次都在数百到数千万元，由此产生的间接经济损失更大。特高压系统的电压等级高、容量大、接地短路电流将相当大，为保证电力系统的安全、可靠运行，对接地系统的要求将更加严格。开展这方面的研究工作对于确保特高压系统的安全运行起着至关重要的作用。接地系统工频参数的数值计算是接地系统设计的基础，目前已从过去的基于均匀土壤模型利用经验公式对接地电阻值进行估计，发展到采用分层土壤模型进行接地系统工频参数的数值计算。目前针对接地系统工频参数的数值计算方法已开展了大量的研究工作，基本原理参见文献。本文的主要工作是根据1000kV晋东南变电站土壤电阻率的测试结果，进而分析得到其分层结构进行接地系统设计，提出接地系统的设计方案。1最佳土壤模型的确定采用对称四极法对晋东南变电站站址的视在土壤电阻率ρh进行了测量，测试了东西和南北2个方向的视在土壤电阻率随2电流极间距dAB的变化规律，测试结果如图1所示。2方向的测量数值极其接近，说明在测试深度范围内土壤各向异性变化不大，土壤为沿水平分层的多层土壤。对于n层的水平分层土壤有2n-1个未知量。土壤建模的过程也是用最小二乘法对测量点进行拟合的反演过程，由假设模型的计算结果与实测结果比较，调整假设模型，直至二者之间的误差达到一定的要求。首先根据地表面测量得到的视在电阻率，用最小二乘法建立由测量值ρm及由未知土壤模型建立的计算值ρc所构成的目标函数式中：为目标函数；为各层土壤电阻率；为各层土壤厚度；n为土壤层数；N为测量得到的土壤视电阻率个数。最后，采用无约束非线性最优化方法对目标函数进行寻优，得到最佳土壤模型。根据图1测量结果分析得出晋东南变电站站址土壤结构可分为水平3层，表层厚2.35m，电阻率45.7Ω⋅m，中间层厚87.6m，电阻率20Ω⋅m，底层电阻率为122Ω⋅m。此外，根据当地气象资料分析，1000kV晋东南变电站站址的冻土层厚度为0.66m，地表的冬季冻土层的电阻率取1500Ω⋅m。存在季节冻土时，土壤模型变为4层，冻土层小的表层土壤厚度变为1.69m。2变电站接地系统的设计近年来由于短路电流增加，国内普遍认为应提高允许的地电位升。目前二次电缆绝缘层的工频耐受电压限值为2kV，文献分析表明，二次电缆屏蔽层双端接地时，其绝缘层承受的电位差最大不超过地电位升的40%，则允许的地电位升为2kV/40%=5kV，即二次电缆屏蔽层双端接地可将变电站允许的地电位升从2kV提高到5kV。此时必须注意通信线路引起的高电位引出的问题，目前一般采用光缆通信线路，因此这方面问题可不予考虑。地电位升IR(I为入地短路电流，R为接地电阻)取5kV已在三峡电站、110kV青藏铁路输变电工程变电站、750kV的官厅及兰州东变电站的接地系统设计中应用。晋东南特高压变电站切除故障电流的时间t取0.15s。采用IEEEStd80—2000中计算人体允许的接触电压和跨步电压计算公式，得出晋东南变电站的接触电压和跨步电压如表1所示。建议变电站地面敷设的高阻层材料为沥青混凝土，电阻率取5000Ω⋅m。可以看出，铺设高阻层能明显提高接触电压和跨步电压的允许值。同时，增加高阻层的厚度能有效提高人体允许的接触电压和跨步电压，但当高阻层达到一定厚度后，人体接触电压和跨步电压的允许值随高阻层厚度增加而提高的幅度很小。3接地电阻分析与1000kV晋东南变电站相连的所有线路包括：1000kV至南阳1回；500kV本期为5回出线，分别至晋城变2回、至长治变3回。晋东南变电站接地电阻未知，计算得到500kV侧短路和1000kV侧短路时的分流系数S(入地短路电流与短路电流之比)随变电站接地电阻的变化如图2所示。按照晋东南1000kV变电站目前的出线情况，500kV侧短路时的分流系数比1000kV侧短路时的小，即500kV侧短路时短路电流中真正的入地电流所占的比例比1000kV侧短路时的小。由图2可以看出，变电站的短路电流分流系数与变电站的接地电阻关系很大，变电站的接地电阻越小，其短路电流分流系数越大，即其入地短路电流越多。可以看出，分流系数与变电站的接地电阻有关，而变电站所应达到接地电阻又与分流系数有关，两者有一定矛盾，在分析变电站的分流系数时应当注意该矛盾，留出充分的裕度。由于最终的变电站地电位升由入地电流和接地电阻的乘积决定，晋东南1000kV变电站短路电流分流系数的取值还要考虑变电站的允许地电位升和接地电阻的综合因素。针对该情况，可以将分流系数与变电站接地电阻的关系通过函数拟合出来，然后再分析变电站接地网应当达到的接地电阻。由图2可以看到，当其他条件确定后，变电站接地电阻在0.05∼0.5Ω范围内变化时，变电站接地电阻与分流系数的关系可粗略表示为线性关系，可估算出分流系数随接地电阻的变化率K式中：S0.05为变电站接地电阻在0.05Ω时的分流系数；S0.5为变电站接地电阻在0.5Ω时的分流系数。当变电站的接地电阻为Rg时，分流系数应为此时注入变电站接地网的短路电流为式中：If为短路电流；Df为短路电流衰减系数，根据晋东南变电站所联系统的参数，Df取1.2。变电站接地电阻应满足求解式(3)可得变电站接地电阻所要达到的设计值当1000kV晋东南变电站的500kV侧短路时，由图2所示的分流系数随接地电阻的变化可知：接地电阻为0.05Ω时，变电站分流系数为68.9%；接地电阻为0.5Ω时，变电站分流系数为40.9%。由式(2)可得K=0.6222。由于短路电流为63kA，由式(4)可知，为使地电位升小于安全限值5kV，变电站接地电阻应当小于0.1Ω。当1000kV晋东南变电站的1000kV侧短路时，由图2所示的分流系数随其接地电阻的变化可知，接地电阻为0.05Ω时，变电站分流系数为87.0%；接地电阻为0.5Ω时，变电站分流系数为51.6%。由式(2)可得K=0.7867。由于短路电流为50kA，由式(4)可得，为使地电位升小于5000V，变电站接地电阻应小于0.100Ω。综合上面的分析，晋东南1000kV变电站的接地电阻应当小于0.101Ω。此时500kV侧短路时对应的变电站的分流系数为0.643，对应的最大入地短路电流为0.643×1.2×63kA=48.6kA;1000kV侧短路时对应的变电站的分流系数为0.812，对应的最大入地短路电流为0.812×1.2×50kA=48.7kA。按照同样的分析方法，如果按照地电位升不大于2000V的要求，晋东南1000kV变电站的接地电阻应当小于0.038Ω。这是难以实现的，也是没有必要的。4高压站连接系统的设计4.1设备安全限值晋东南变电站接地网应埋于冻土层以下，建议埋设深度为1.0m，导体均匀布置，间距约为20m。计算结果表明，地电位升为3924V，小于5kV，因此可保障变电站内的设备安全；跨步电压97V，其安全限值为530V，即使不铺高阻层也可以满足人身安全要求；但接触电压为928V，远大于无高阻层时的安全限值468V，为保障人身安全，需要铺设5cm厚的高阻层。冻土层的存在对接地电阻的影响较小，这是由于冻土层较薄而接地网埋在冻土层以下的土壤层的缘故。4.2算结果表及表1由于晋东南变电站中间层的土壤导电性非常好，并且很厚，因此可以考虑增加深垂直接地极来降低接地电阻，从而减小变电站内的接触电压。不同垂直接地极布置方案对地网接地电阻、接触电压和跨步电压的影响的计算结果如表2所示。可以看出，增加深垂直接地极可以明显降低晋东南变电站的最大接触电压，跨步电压也有所降低，这是由于垂直接地极起到了在地表均压的作用。由于变电站占地面积很大，深垂直接地极的相对长度较小，因此其对变电站的降阻效果并不明显。随着垂直接地极的增加，其对降低最大接触电压的效果趋于饱和。综合表2的结果，结合增加垂直接地极的经济性，采用在接地网四角布置4根、并在每边布置2根垂直接地极(共12根)的布置方案，是所有增加垂直接地极方案中的最佳方案。但变电站内仍需铺设高阻层，才能保障人身安全，与普通水平接地网相比，没有明显优势，因此推荐晋东南特高压变电站采用水平接地网便可。4.3融冻季节下接地网安全性的优化设计接地系统的优化设计，在DL/T620中称为不等间距布置，即在已有接地系统范围的情况下，通过调整水平接地网的接地导体的布置确保接地系统的接地电阻、地表最大接触电压及跨步电压最小，即寻找最优压缩比。地表季节冻土会降低接地系统的安全性。冰冻季节和融冻季节的土壤模型不同，在不同季节都可分析得到一个优化布置的方案，但最终接地系统只能按一种设计方案布置。因此考虑到不同季节的影响，涉及到按哪种模型设计接地系统更安全的问题。本文的思路是：分析比较融冻季节时的优化设计在冰冻季节时的安全性和冰冻季节的优化设计在融冻季节的安全性能，综合得到优化设计方法。融冻季节的优化设计方案。水平接地网如果不优化，接地网的接地电阻为0.078Ω，最大接触电压为928V，最大跨步电压为96.9V。通过计算得到，该接地网在融冻季节时的最优压缩比为0.65，按融冻季节优化设计接地系统后，接地网的接地电阻为0.076Ω，最大接触电压为700V(减小24.6%)，最大跨步电压为91.6V；当进入冰冻季节时，接地网的接地电阻为0.08Ω，最大接触电压为720V，最大跨步电压为108V。可以看出，在冰冻季节，接地电阻和接触电压、跨步电压都增加。冰冻季节的优化设计方案。如果不优化，接地网的接地电阻为0.080Ω，最大接触电压为930V，最大跨步电压为119V。通过优化设计得到，该接地网在冰冻季节时的最优压缩比为0.68，按冰冻季节优化设计接地系统后，接地网的接地电阻为0.078Ω，最大接触电压为700V(减小了24.8%)，最大跨步电压为105V。当进入融冻季节时，接地网的接地电阻为0.077Ω，最大接触电压为698V，最大跨步电压为100V。可以看出，在融冻季节，接地电阻和接触电压、跨步电压都减小。综上比较可见，采用优化布置后，接地系统的安全性得到明显改善，接触电压降低约25%，降低的幅度非常明显。接地网按照在冰冻季节时的最优压缩比0.68进行设计时，在融冻季节接地系统的安全性会得到改善。因此，接地网的最优压缩比选为0.68比较好。4.4地表地下接地网通过前述分析并结合变电站的实际情况，在接地网的边沿按最优压缩比0.68设计接地体的间距，在接地网的中间按20m等间距布置接地体，得到最终的晋东南变电站接地系统的设计方案如图3所示，其中接地网埋设深度为1.0m，接地体外围和部分中间交点上加5m长的短垂直接地极120根，以稳定干旱季节导致地表电阻率增加时对接地系统安全性的影响及增加流散雷电流的效果。在无冻土层时，接地网的接地电阻为0.076Ω，最大接触电压为689V，最大跨步电压为72.6V。有冻土层后，接地网的接地电阻为0.078Ω，最大接触电压为726V，最大跨步电压为87.8V。冰冻季节和正常季节的接地电阻都能满足IR<5kV的要求，此外，在地表敷设5cm的高阻层后，在雨季导致地表电阻率降低时，最大接触电压和最大跨步电压能满足人身安全的要求。5第二电缆屏蔽层的连接方式5.1次电缆短路分析短路时1000kV变电站接地系统不同部位的导体存在较大的电位差。由于该电位差能通过地网耦合进入二次电缆，影响二次系统安全性能。因此应分析接地系统短路对二次系统安全性能的影响。为此针对晋东南特高压变电站控制楼引出，与500kV和1000kV保护小室相连的3条最长的二次电缆a、b、c，分析了工频二次电缆附近发生工频短路时电缆的安全情况。由于电位在接地网上的非均匀分布，短路时电缆两端的电位是不相等的，从而有电流从屏蔽层流过，如果该电流过大，可能烧毁电缆；同时，二次电缆芯皮电位差如果过大，超过了电缆的绝缘耐压，则有可能击穿电缆绝缘。短路点选在变压器附近，分析短路电流入地点不同(点A、B、C)时二次电缆的芯皮电位差。所分析的控制电缆的型号是KVVP2–450/1000V四芯电缆，分析结果如表3所示。可以看出，短路点的位置对各条电缆的两端电位差影响很大，这不仅与两者之间的距离有关，还与电缆的走向和长度有关。在走向不变的情况下，短路点距电缆越近，电缆两端电位差越大；电缆越长，两端电位差越大。由于使用了铜接地网，电缆两端的电位差在125V以内(最大发生在点A短路时的单端接地电缆c上，为122V)，小于二次电缆绝缘层的工频击穿电压2kV。如地网为钢导体，二次电缆的芯皮电位差将增加，但仍在安全范围内。由表3的分析结果还可以看出，该电缆屏蔽层双端接地时的芯皮电位差小于单端接地时对应的值，因此单从减小电缆绝缘上承受的电压角度考虑，电缆应采用屏蔽层双端接地的方式。这也是将地电位升提高到5kV的要求。5.2电缆屏蔽层中的电流由于电位在接地网上的不等电位分布，短路时电缆两端的电位是不相等的，如