方煜瑛，盧 鵬

（河南平高電氣股份有限公司，河南省平頂山市，467001）

0 引言

發(fā)展特高壓已列入我國中長期發(fā)展規(guī)劃，特高壓輸電具有廣闊的發(fā)展前景，必將對輸變電行業(yè)產生深遠的影響[1-4]。國家電網(wǎng)公司1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程已經成功投運。全面總結特高壓交流試驗示范工程變電站設計經驗，對指導后續(xù)1 000 kV變電站工程設計符合“安全可靠、技術先進、經濟合理、環(huán)境友好”的原則，促進電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義[5]。

1 晉東南變電站1 100 kV GIS

1.1 1 100 kV GIS總體介紹

晉東南1 000 kV變電站1 100 kV開關設備采用1 100 kV氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS），該設備是由我國自主研制，主接線為一進一出，共2個間隔，包含2臺斷路器、5組隔離開關、8組接地開關、3支避雷器、6支套管以及508 m長的管道母線。晉東南1 100 kV GIS主接線和總體布置見圖1，設備長度達到62 m，寬度達到43.5 m，最高處（套管）達到17 m[6]。

1.2 GIS的主要技術參數(shù)

晉東南特高壓變電站1 100 kV GIS額定電壓為1 100 kV，額定電流為6.3 kA（設備及分支母線）/8 kA（主母線）；額定短路短時耐受電流為50 kA，額定短路持續(xù)時間為2 s；斷路器為雙斷口臥式布置，額定短路開斷電流為50 kA，首開極系數(shù)為1.3，其分閘時間不大于30 ms，合閘時間不大于120 ms，每相分、合閘并聯(lián)電阻值為600 Ω[7]；機械壽命5 000次，配置液壓操動機構。

1.3 1 100 kV GIS接地網(wǎng)的特殊要求

常規(guī)超高壓變電站通常采用單網(wǎng)接地設計，材質為鋼，這種接地方案已不能滿足特高壓GIS變電站的要求。1 100 kV GIS通流容量大，工作電流呈正弦交變，使設備外殼對地之間感應出電動勢，產生持續(xù)的感應電流。同時，在GIS中存在快速暫態(tài)過程，在其作用下將產生快速暫態(tài)過電壓（very fast transient over-voltage，VFTO），在此過程中，可能在GIS接地的外殼上出現(xiàn)暫態(tài)地電位升高（transientground potentialrise，TGPR）。針對1 000 kV設備的特點，為了確保人身和設備的安全，GIS需要采用多種接地措施。

2 晉東南1 100 kV GIS接地要求

1 000 kV特高壓變電站電氣裝置的接地設計是確保系統(tǒng)正常運行和故障時電氣裝置、運行人員安全的重要技術安全措施。對于裝用1 100 kV GIS的變電站，按照GB 50065—200×《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》[8]送審稿設置變電站的接地網(wǎng)，還必須在GIS所在區(qū)域設置專用的輔助地網(wǎng)，并與變電站接地網(wǎng)相連。輔助地網(wǎng)的作用是：

（1）在系統(tǒng)正常運行時，將三相外殼上感應電流的不平衡電流引入地網(wǎng)；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，將在外殼上感應的瞬時電流快速引入地網(wǎng)。

（2）將隔離開關開合母線充電電流引起的特高頻暫態(tài)電流快速引入地網(wǎng)，以降低對運行人員和二次設備的不利影響。

（3）將GIS正常運行和故障時在外殼上產生的接觸電壓和地面上的跨步電壓限制在安全范圍內。

1 100 kV GIS的專用輔助地網(wǎng)應由GIS設備廠商根據(jù)設備的具體結構布置、參數(shù)和接地要求進行計算和設計。輔助地網(wǎng)應使用銅質導體，網(wǎng)格的疏密和所用銅排的截面取決于設備的布置、接地點的數(shù)目和可能通過的工頻短路電流、雷電沖擊電流和特高頻電流的大小，其設計應能確保在正常運行時和故障狀態(tài)下，外殼上的感應電壓和地面上的跨步電壓滿足運行人員安全的要求以及二次設備的電磁干擾要求。

為了保證外殼上的大電流和特高頻電流能快速導入地網(wǎng)并有較強的防腐性能，要求1 100 kV GIS專用輔助地網(wǎng)與變電站主地網(wǎng)的連接應采用焊接。輔助地網(wǎng)的接地引下線應由可能通過的額定短路電流決定，三相外殼之間應裝設足夠數(shù)量的相間導流排并形成閉環(huán)回路，每個閉環(huán)回路應盡量以最短的距離與輔助地網(wǎng)相連，并能承載額定短路電流的作用，相間導流排應能承載額定電流。

3 晉東南1 100 kV GIS感應電流分析

3.1 GIS設備相間環(huán)流分析

由于特高壓GIS采用多點接地方式，殼體、接地線、接地網(wǎng)中都會流過感應電流，當主回路中電流增大時，接地線、接地網(wǎng)中的感應電流也將增大。為不使接地線過熱，應設置連接分相殼體的相間導流排，盡量通過相間導流排處理感應電流，而不通過輔助網(wǎng)、接地網(wǎng)來處理，圖2為相間環(huán)流示意圖。

通過對特高壓GIS向接地網(wǎng)注入電流的計算分析和對分相殼體上的感應電流估算，1 100 kV GIS接地線電流三維解析模型見圖3，1-18指測點位置，接地線電流解析結果見圖4。在回路的兩端設置相間導流排，殼體的感應電流大部分通過相間導流排處理，而通過垂直接地線中的電流可控制在額定電流的5%以內，其值小于350 A。套管部位接地線的感應電流最大，達到了額定電流的12%，其值約為800A。

3.2 輔助網(wǎng)格間距對接地線中感應電流的影響

通過計算不同輔助網(wǎng)格間距對感應電流的影響，認為網(wǎng)格間距為3～6 m時，網(wǎng)格間距對流入接地網(wǎng)的電流值沒有較大的影響；若網(wǎng)格過密，會造成接地線中流過的電流增大，雖然不會對接地網(wǎng)的溫升造成影響，但必須要考慮接地引下線的溫升。

3.3 GIS設備中暫態(tài)地電位升高的分析

通過分析開關設備操作時產生暫態(tài)地電位升高（transientground potentialrise，TGPR）的原理可知，母線殼體上不存在不連續(xù)的部分時，就不會在殼體上產生TGPR。由于晉東南變電站1 100 kV GIS沒有絕緣法蘭，因此在殼體上不會產生TGPR現(xiàn)象，而僅在套管出線處產生TGPR。該處的TGPR幅值與殼體對地的阻抗Z成正比，由于在高頻領域，接地線的阻抗（ωL）很大，通過降低ωL來降低Z是比較困難的，因此采用相間導流排將GIS三相殼體短接來降低Z，也即采用解決GIS環(huán)流時采用的相間導流排來解決TGPR的問題。根據(jù)計算，當接地線連接在輔網(wǎng)的網(wǎng)格交叉點時，網(wǎng)格間距不同對TGPR的影響很小。

綜合以上計算結果，再考慮到方便土建施工、便于連接接地線等方面，最終確定輔網(wǎng)網(wǎng)格間距為5 m。

4 晉東南1 100 kV GIS接地系統(tǒng)設計與施工

4.1 GIS接地系統(tǒng)設計

（1）通過降低各接地線處主網(wǎng)的接地電阻來確保GIS對地閃絡電流的接地安全性。GIS本體采用多點接地構造，可以使對地閃絡電流中的交流分量上升值控制在100 V以下。

（2）為了減少對控制系統(tǒng)配線的感應過電壓影響，GIS本體采用多點接地以減少外部泄漏磁場（電磁波）。通過GIS殼體自身的電氣連續(xù)構造，為低阻抗連接結構，而且不論是工頻電壓，還是VFTO方面產生的電位差都很小，以此來降低對控制系統(tǒng)的感應過電壓。

（3）對于主回路上發(fā)生的VFTO，主要通過斷路器、隔離開關上設置電阻的方法抑制。

（4）為了抑制接地系統(tǒng)的電位擺動，接地系統(tǒng)需要降低接地電阻。

4.2 GIS接地網(wǎng)構成

晉東南變電站1 100 kV GIS接地網(wǎng)由主網(wǎng)和輔助網(wǎng)構成，接地網(wǎng)結構如圖5所示，接地網(wǎng)連接示意圖如圖6所示，接地線連接示意圖如圖7所示。

4.3 GIS接地網(wǎng)施工

（1）1 000 kV變電站GIS設備基礎體積較大，設備基礎混凝土一般分為2次施工，輔助接地網(wǎng)鋪設于GIS基礎的二次澆筑層以下。

（2）采用接地線直接與主地網(wǎng)連接方式，其施工難度大，因此鋪設5 m間距的輔助地網(wǎng)；接地線盡可能從接地網(wǎng)（包括主接地網(wǎng)和輔助網(wǎng)）的交叉點引線，并且盡量縮短引出接地線的長度，從而降低引出接地線的阻抗，抑制暫態(tài)地電位升高。

（3）1 100 kV GIS基礎表面上設置與GIS連接的接地端子，接地端子與輔助接地網(wǎng)交叉點用70 mm× 6 mm銅板可靠連接。

5 結論

隨著我國特高壓交流試驗示范工程的成功投運，1 100 kV GIS的接地問題得到了解決，對后續(xù)特高壓工程具有較好的示范作用。

（1）為了減小接地電阻，同時考慮便于施工，晉東南變電站1 100 kV GIS最終確定接地網(wǎng)采用主網(wǎng)和輔助網(wǎng)并用的結構，采用多點接地方式，罐體的接地安全可靠性較高。

（2）接地線盡可能從接地網(wǎng)（包括主接地網(wǎng)和輔助網(wǎng)）的交叉點引線，并且盡量縮短引出接地線的長度，從而降低引出接地線的阻抗，抑制暫態(tài)地電位升高。

（3）為了滿足1 100 kV GIS外殼感應電流的釋放、開關設備操作引起的VFTO的快速流散等，應就近設置GIS區(qū)域輔助接地網(wǎng)。

（4）GIS設置相間導流排，最大程度上抑制了感應電流幅值，滿足正常和事故狀態(tài)下設備外殼和支架上感應電壓的要求。

（5）接地線的材料及連接方式，因要長期使用，所以要求采用穩(wěn)定性能結構，連接線在出基礎混凝土后的500 mm的范圍內做防腐處理。

（6）與單點接地相比，此接地網(wǎng)具有罐體外電磁強度較低、故障狀態(tài)下接觸電壓較低、感應電流在二次電纜中引發(fā)的干擾較低等優(yōu)點。

6 參考資料

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