張卓為，王向平

(1. 浙江省電力設(shè)計院，浙江 杭州 310014；2. 華東電力設(shè)計院，上海 200063)

有效接地系統(tǒng)中變電所的接地設(shè)計探討

張卓為，王向平

(1. 浙江省電力設(shè)計院，浙江 杭州 310014；2. 華東電力設(shè)計院，上海 200063)

110kV～500kV系統(tǒng)常采用有效接地系統(tǒng)，110kV及220kV系統(tǒng)中變壓器中性點直接接地或經(jīng)低阻抗接地，部分變壓器中性點也可不接地；330kV及500kV系統(tǒng)中不允許變壓器中性點不接地運行。文章對有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中的變電所接地要求加以梳理，并結(jié)合工程實例對變電所的接地設(shè)計進(jìn)行了分析探討，結(jié)合國家電網(wǎng)公司“兩型一化”變電站設(shè)計建設(shè)導(dǎo)則，提煉出變電所接地設(shè)計的主要考慮思路及解決方案。

有效接地；直接接地；低阻抗接地；兩型一化；二次系統(tǒng)。

目前，浙江省內(nèi)220 kV～500 kV變電所通常為有效接地或低電阻接地系統(tǒng)。本文對有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中的變電所，討論了接地系統(tǒng)設(shè)計的主要思路。關(guān)于設(shè)備接地引線，規(guī)程實施要求較為明確，本文不作詳細(xì)論述。

變電所的接地處理直接關(guān)系到設(shè)備和人身的安全。變電所的接地網(wǎng)要滿足工頻短路電流、雷電沖擊電流的要求，滿足監(jiān)控和自動化裝置等弱電元件安全穩(wěn)定運行的地電位要求。

變電所的接地設(shè)計需要按照相關(guān)規(guī)程規(guī)定，并需根據(jù)工程特點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計考慮。

1 高阻地區(qū)變電所接地設(shè)計思路

對有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中的變電所，電氣裝置保護(hù)接地的接地電阻首先應(yīng)考慮是否符合下式要求：

R=考慮季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；I=計算用的流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，A。

對高阻地區(qū)變電所一般不能滿足上述要求，為此還應(yīng)按下列方式考慮：

可通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較增大接地電阻，但不得大于5 Ω，且應(yīng)符合下列要求：

⑴為防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，對可能將接地網(wǎng)的高電位引向廠、所外或?qū)⒌碗娢灰驈S、所內(nèi)的設(shè)施，應(yīng)采取隔離措施。例如：對外的通信設(shè)備加隔離變壓器；向廠、所外供電的低壓線路采用架空線，其電源中性點不在廠、所內(nèi)接地，改在廠、所外適當(dāng)?shù)牡胤浇拥?；通向廠、所外的管道采用絕緣段，鐵路軌道分別在兩處加絕緣魚尾板等等。

⑵考慮短路電流非周期分量的影響，當(dāng)接地網(wǎng)電位升高時，發(fā)電廠、變電所內(nèi)的3～10 kV閥式避雷器不應(yīng)動作或動作后應(yīng)承受被賦與的能量。

⑶應(yīng)驗算接觸電位差和跨步電位差。

對要求⑴，在地電位大于2000 V時按要求采取措施即可。例如浙江220 kV青田變，地電位為16800 V，其設(shè)有一臺所外給水泵，則要求所外給水泵的380 V動力電源經(jīng)設(shè)在主控樓中的隔離變壓器后再經(jīng)10 kV電纜爬至圍墻，再用架空絕緣線路(對地絕緣能耐受 16800 V工頻過電壓)引出至給水泵房。對給水泵的控制回路需采取隔離措施后才能引出所外或?qū)⑵淇刂苹芈凡灰胨鶅?nèi)。

對要求⑵，應(yīng)予以核算。例如浙江500 kV市北變電所，考慮采用10 kV所外電源，需對引至該所外電源線路上的10 kV避雷器，應(yīng)予以核算。根據(jù)，10 kV避雷器在暫態(tài)電壓作用下不應(yīng)動作，要求全場地網(wǎng)工頻接地電阻值為：

式中：Ugf為避雷器工頻放電電壓下限值26 kV；Uxge為標(biāo)稱相電壓(10/3=5.77 kV)；I為入地電流，kA。

當(dāng)按1Ω要求控制時，Ugf經(jīng)計算遠(yuǎn)大于26 kV，顯然該避雷器將損壞。因此，設(shè)計方應(yīng)指出該隱患,并建議采用35 kV所外電源。

對要求⑶，應(yīng)驗算接觸電位差和跨步電位差。變電所接地網(wǎng)為以水平網(wǎng)格狀接地體為主，垂直接地體為輔的復(fù)合接地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)為了均勻地表電位分布和適宜設(shè)備接地引上線的需要，通常采用接近方孔式的網(wǎng)格，也可采用不等距網(wǎng)格。水平接地網(wǎng)的外緣應(yīng)閉合，外緣各角應(yīng)做成圓弧形。圓弧的半徑宜大于均壓帶間距的一半，外緣經(jīng)常有人出入的走道處應(yīng)敷設(shè)“帽檐式”均壓帶。按計算水平接地網(wǎng)的最大接觸電位差和最大跨步電位差。

實際上，最大接觸電位差和最大跨步電位差僅僅發(fā)生在水平接地網(wǎng)的局部，不必要求整個接地網(wǎng)均按此值校核。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊電氣一次部分》，接地網(wǎng)內(nèi)的最大接觸電勢，發(fā)生在邊角網(wǎng)孔上，最大跨步電勢發(fā)生在接地網(wǎng)外直角處，且距接地網(wǎng)外緣距離為(hp－0.4)和(hp+0.4)的兩點間(hp為埋深，單位m)。由于接地網(wǎng)內(nèi)絕大部分地區(qū)的接觸電勢都要比邊角網(wǎng)孔的接觸電勢小，因此只要在這些邊角網(wǎng)孔的地區(qū)，適當(dāng)加強(qiáng)均壓，或敷設(shè)高電阻率的地面層，就可以相當(dāng)安全的用邊角網(wǎng)孔沿接地網(wǎng)對角線相鄰的網(wǎng)孔電勢來設(shè)計。對方格網(wǎng)孔而言，次邊角網(wǎng)孔電勢比邊角網(wǎng)孔電勢小30%左右。

通過數(shù)值模擬仿真軟件CDEGS，按實際工程情況模擬分析其接地網(wǎng)格內(nèi)外的電位差，有同樣的結(jié)論，最大跨步電勢位于水平接地網(wǎng)邊角外側(cè)，最大接觸電勢位于水平接地網(wǎng)邊角地帶，且均比鄰近的次邊角網(wǎng)孔電勢大30%以上，見圖1、圖2。

因此，對跨步電勢或接觸電勢的峰值地帶，即接地網(wǎng)邊角內(nèi)外側(cè)，可以單獨采取均壓或敷設(shè)高電阻率地面層等措施，使該區(qū)域的接地網(wǎng)能滿足跨步電勢和接觸電勢的要求。設(shè)計中將主接地網(wǎng)最外圍2周間距減小到2 m，主接地網(wǎng)邊緣埋設(shè)垂直接地極，都是這類措施。再例如，對土壤電阻率2700 Ω·m的浙江220 kV青田變電所，為了減小圍墻墻角外電位分布梯度，在圍墻墻角外2m處(地網(wǎng)外)，采用鍍鋅扁鋼做一個與接地網(wǎng)無電路連接的輔助均壓帶；對土壤電阻率600 Ω·m的浙江220kV荷花變電所，在圍墻以內(nèi)10 m范圍內(nèi)采用碎石鋪設(shè)，鋪設(shè)厚度不小于20 cm。

因此，可總結(jié)如下的設(shè)計思路：當(dāng)變電所接地電阻按1 Ω要求控制，變電所跨步電勢仍不滿足要求，且進(jìn)一步降低接地電阻至跨步電勢滿足要求的費用較高顯示經(jīng)濟(jì)性不合理時，可在配電裝置場地采用碎石、卵石或灰土封閉等地坪處理方式，對全所鋪設(shè)碎石，鋪設(shè)厚度不小于20 cm，所內(nèi)道路及操作小道采用水泥配筋路面(鋼筋混凝土路面)。采取該措施后，地表面電阻率可取2500 Ω·m。此時變電所接地電阻按1 Ω控制，大部分工程跨步電勢均能滿足要求。

當(dāng)采取上述措施后，如驗算接觸電勢仍不滿足要求，可在隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)、設(shè)備本體、支架機(jī)構(gòu)等四周0.6 m處敷設(shè)局部閉合接地線，埋深0.3 m，并與設(shè)備支構(gòu)架的接地引下線相連。

2 采取所外線路避雷線分流的設(shè)計思路

對高阻地區(qū)變電工程，針對入地電流最大的短路工況，可通過加強(qiáng)所外線路的分流，減少流入變電所內(nèi)接地電流的措施，按式1進(jìn)行復(fù)核。

例如，對土壤電阻率2700 Ω的220 kV 青田變電所，為加強(qiáng)接地網(wǎng)內(nèi)短路時所外避雷線的分流系數(shù)，要求凡尚未開通地線載波的220 kV、110 kV線路，在距所區(qū)2 km范圍內(nèi)將避雷線逐塔重復(fù)直接接地。凡尚未架設(shè)避雷線的線路，避雷線在距所區(qū) 2km范圍內(nèi)采用良導(dǎo)體逐塔重復(fù)直接接地。所有線路的桿塔應(yīng)盡可能降低接地電阻以加強(qiáng)分流作用。220 kV、110 kV線路的避雷線引接到所內(nèi)門型構(gòu)架上后應(yīng)與主接地網(wǎng)相連，但應(yīng)有便于分開的連接點以便測量接地電阻。對35 kV線路避雷線一般只架設(shè)到線路終端桿塔為止不引接至出線門型架構(gòu)，35 kV線路從終端塔到變電所門型構(gòu)架這段無避雷線保護(hù)的進(jìn)線段由線路設(shè)計單位考慮防直擊雷的設(shè)計。

3 獨立避雷針接地裝置的的設(shè)計思路

對變電所的獨立避雷針，宜設(shè)獨立接地裝置，在非高土壤電阻率地區(qū)，其接地電阻不宜超過10 Ω。應(yīng)在基礎(chǔ)開挖時敷設(shè)并實測接地電阻，如達(dá)不到不大于10 Ω的要求，可根據(jù)現(xiàn)場情況延伸接地體。如仍有困難，接地裝置可與主接地網(wǎng)連接，但避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點至35 kV及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m。獨立避雷針及其接地裝置與主接地網(wǎng)或道路的地中距離不宜小于3 m，對達(dá)不到要求的道路應(yīng)均壓措施，可敷設(shè)瀝青路面。

對高阻地區(qū)工程，可以在獨立避雷針接地裝置處設(shè)20 m深接地淺井或設(shè)2～3個電解離子接地極，以降低雷電流幅值，提高整體的耐雷水平。

4 二次系統(tǒng)接地電阻要求考慮

按DL/T 5136《火力發(fā)電廠，變電所二次接線設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，電子裝置的邏輯(信號)接地是將邏輯信號系統(tǒng)的公共端接到地網(wǎng)，使其成為穩(wěn)定的參考零電位，由于邏輯(信號)地是所有邏輯電路的公共基準(zhǔn)點，對接地電阻的要求較嚴(yán)，一般不大于1 Ω。

將變電所的接地電阻控制到1 Ω及以下，須經(jīng)過詳實的降阻設(shè)計，方法有擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、水平接地體外引、雙層地網(wǎng)、接地深井、減小水平地網(wǎng)均壓帶間距、降阻劑、電解離子并聯(lián)接地裝置等等。設(shè)計應(yīng)針對工程實際，通過計算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來采取措施，也可將降阻工程委托給專業(yè)的接地公司。

對高阻地區(qū)工程，如果地電位較高，二次電纜可全部使用屏蔽電纜。

當(dāng)接地電阻確實難以降到1 Ω及以下時，在滿足規(guī)程其他要求的范圍內(nèi)，可以采取措施來提高二次系統(tǒng)所能承受的接地電阻值?？紤]的措施有：由二次設(shè)備廠家確認(rèn)二次設(shè)備所能承受的接地電阻值，并在設(shè)備采購中加以明確；校驗二次電纜設(shè)備的地電位差；在二次電纜溝內(nèi)與二次電纜并行敷設(shè)等電位接地體，以分流電纜屏蔽層中的電流；在計算機(jī)房、通信機(jī)房、繼電保護(hù)室等二次設(shè)備間敷設(shè)與主接地網(wǎng)緊密連接的等電位接地網(wǎng)；等等。

5 低阻地區(qū)變電所接地設(shè)計的思路

根據(jù)DL/T 5394 《電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導(dǎo)則》，土壤電阻率在20 Ω·m及以下時，變電所接地網(wǎng)應(yīng)采用碳鋼加陰極保護(hù)防腐措施。

6 結(jié)論

本文梳理了有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中變電所設(shè)計接地系統(tǒng)的主要思路。

重點對高阻地區(qū)變電所的接地設(shè)計思路作了系統(tǒng)性的歸納：水平主接地網(wǎng)邊角內(nèi)外側(cè)，為跨步電勢或接觸電勢的峰值地帶，可以在此區(qū)域單獨采取均壓或敷設(shè)高電阻率地面層等措施，使該區(qū)域的接地網(wǎng)滿足跨步電勢和接觸電勢的要求。當(dāng)全所跨步電勢不滿足要求，且當(dāng)進(jìn)一步降低接地電阻滿足跨步電勢要求的費用較高在經(jīng)濟(jì)上不合理時，可以在所內(nèi)鋪設(shè)厚度不小于20 cm的碎石，解決跨步電勢問題。另外，可要求避雷線在距所區(qū)2 km范圍內(nèi)采用良導(dǎo)體逐塔重復(fù)直接接地，采取加強(qiáng)分流的措施；可以在獨立避雷針接地裝置處設(shè)20 m深接地淺井或設(shè)2～3個電解離子接地極，以降低雷電流幅值。

對二次系統(tǒng)電子裝置的邏輯接地要求，可采取均壓隔離分流、在二次電纜溝內(nèi)與二次電纜并行敷設(shè)等電位接地體的措施。

[1] DL/T621，交流電氣裝置的接地[S].

[2] DL/T 5091，水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則[S].

[3] DL/T 620，交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[4] DL/T 5136，火力發(fā)電廠，變電所二次接線設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[5] DL/T 5394，電力工程地下金屬構(gòu)筑物防腐技術(shù)導(dǎo)則[S].

Exploration of Substation Earthing Design in Effective Earthing System

ZHANG Zhuo-wei , WANG Xiang-ping
(1. Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310014, China; 2. East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

The effective earthing system has been popularly used in 110kV～500kV system, the neutral-point direct earthing or low-resistance earthing has been used for 110kV and 220kV transformers while no earthing for some of transformers is also available; the neutral-point no-earthing operation is not permitted for 330kV and 500kV transformers. This article try to clarify the related requirements for the substation earthing in effective erarthing and low-resistance earthing system by incorporating some exact project cases and the so-called “Two types and one mode” design guide for substation stipulated by State Grid, and f gure out some thinking and solution methods.

effective earthing; direct earthing; low-resistance earthing; peak value; sub-corner mesh potential; two types and one mode; current branching; secondary system.

TM63

B

1671-9913(2010)06-0068-04

2010-07-20

張卓為(1974- )，女，工程師，主要從事電氣專業(yè)變電工程設(shè)計工作。