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        1000 kV GIS(HGIS)接地設(shè)計方案

        2010-06-07 05:24:50龐亞東
        電力建設(shè) 2010年1期
        關(guān)鍵詞:額定電流感應(yīng)電流特高壓

        龐亞東,倪 敏

        (北京國電華北電力工程有限公司,北京市,100120)

        0 引言

        國家電網(wǎng)公司1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程已經(jīng)成功投運(yùn)。全面總結(jié)特高壓試驗示范工程設(shè)計經(jīng)驗,對指導(dǎo)后續(xù)1000 kV變電站工程設(shè)計符合安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好的原則,促進(jìn)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

        晉東南變電站1000 kV開關(guān)設(shè)備選用GIS,南陽開關(guān)站和荊門變電站1000 kV開關(guān)設(shè)備選用HGIS。晉東南站GIS的主要技術(shù)參數(shù)為:額定電壓1100kV,母線額定電流8 kA,進(jìn)出線額定電流6.3 kA,額定短時耐受電流50 kA/2 s;南陽站和荊門站HGIS的主要技術(shù)參數(shù)為:額定電壓1100 kV,進(jìn)出線額定電流6.3 kA(荊門站5 kA),額定短時耐受電流50 kA/2 s。

        為了確保人身和設(shè)備安全,GIS和HGIS均采用了多種接地措施。1000 kV GIS(HGIS)通流容量大,工作電流呈正弦交變,使設(shè)備外殼對地之間感應(yīng)出電動勢,產(chǎn)生持續(xù)的感應(yīng)電流。同時,在GIS(HGIS)中存在快速暫態(tài)(VFT)過程,在其作用下將產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓(VFTO),在此過程中,可能在GIS接地的外殼上出現(xiàn)暫態(tài)接地電位升(TGPR)。

        針對1000 kV設(shè)備的特點,設(shè)備的接地方案一方面要依靠設(shè)備自身采取措施,另外需要制訂合理設(shè)計原則,使其既方便施工,又保證人身和設(shè)備安全。

        1 設(shè)計規(guī)程對GIS(HGIS)的接地要求

        安全接地設(shè)計要實現(xiàn)2個目標(biāo):一是在正常和故障條件下,將電流引入到大地,不超過任何運(yùn)行和設(shè)備的限制,即保證設(shè)備安全;二是保證運(yùn)行人員人身安全。HGIS相當(dāng)于母線敞開式布置的GIS,從而針對GIS的接地要求,同樣適用于HGIS,同時由于HGIS相間距離大,其接地要求更高,技術(shù)方案也更為復(fù)雜。將國內(nèi)外相關(guān)規(guī)程針對GIS接地要求的條款進(jìn)行匯總,以便使特高壓工程的接地設(shè)計方案能夠有的放矢。

        1.1 DL/T5352—2006《高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》

        (1)GIS配電裝置感應(yīng)電壓不應(yīng)危及人身和設(shè)備的安全。外殼和支架上的感應(yīng)電壓,正常運(yùn)行條件下不應(yīng)大于24 V,故障條件下不應(yīng)大于100 V。

        (2)在GIS配電裝置間隔內(nèi),應(yīng)設(shè)置1條貫穿所有GIS間隔的接地母線或環(huán)形接地母線。將GIS配電裝置的接地線引至接地母線,由接地母線再與接地網(wǎng)相連。

        (3)GIS配電裝置選用分相設(shè)備時,應(yīng)設(shè)置外殼三相短路線,并在短路線上引出接地線通過接地母線接地。

        外殼的三相短接線的截面應(yīng)能承受長期通過的最大感應(yīng)電流,并應(yīng)按短路電流校驗。

        1.2 DL/T 5091—1999《水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計導(dǎo)則》

        (1)離相式GIS宜采取多點接地方式。接地線布置在三相短接板處,使接地線在正常運(yùn)行時,只流過不平衡電流。離相式GIS外殼感應(yīng)電流約為80%導(dǎo)體電流,其外漏磁很少,通常不會引起鋼構(gòu)發(fā)熱。

        (2)專用接地母線及與地網(wǎng)連接線的截面應(yīng)按最大單相短路電流的70%進(jìn)行選擇,熱穩(wěn)定時間按2s考慮。

        1.3 GB 5064《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)

        GIS外部近區(qū)故障人觸摸GIS的金屬外殼時,手—腳的接觸電位差應(yīng)滿足

        式中:Utmax為接地網(wǎng)最大接觸電位差,由人腳下的點所決定;U'tomax為GIS外殼上、外殼之間或這些外殼與任何水平/垂直支架之間金屬到金屬因感應(yīng)產(chǎn)生的最大電壓差;Ut為接觸電位差容許值。

        1.4 IEEE Std 80—2000《交流變電站安全接地導(dǎo)則》

        由于GIS的緊湊結(jié)構(gòu)特征和短尺寸,在絕緣氣體中的電氣擊穿、母線對地?fù)舸┗蜻\(yùn)行期間斷路器或隔離開關(guān)操作時,兩觸頭間的氣體擊穿都將產(chǎn)生高頻的暫態(tài)分量,可能耦合到接地系統(tǒng)中。在整個接地系統(tǒng)中必須考慮這些暫態(tài)分量,它可能引起幅值很高、持續(xù)時間很短的地電位上升。

        1.5 小結(jié)

        可以看出,相關(guān)規(guī)程中對GIS接地均作出了具體要求,因此,具體工程中GIS和HGIS接地設(shè)計需要結(jié)合工程情況、設(shè)備特點進(jìn)行深入研究,以滿足規(guī)程要求。

        2 GIS和HGIS的感應(yīng)電流分析

        2.1 GIS感應(yīng)電流

        對于典型的GIS變電站,GIS外殼通過短接母排短接后,在正常運(yùn)行時,設(shè)備外殼上會產(chǎn)生一個方向相反而其數(shù)值幾乎與母線導(dǎo)體上流過的電流相等的感應(yīng)電流,使得殼外的剩余磁場大為降低,設(shè)備周圍的支架、基礎(chǔ)及接地網(wǎng)中幾乎不存在熱損耗或溫升。

        交流特高壓試驗示范工程中,晉東南1000 kV變電站采用GIS。由于其外形尺寸大,額定電流達(dá)到6.3kA,其對外殼、支架及接地線感應(yīng)電流不容忽視。通過設(shè)備廠家解析計算,可以得到如下主要結(jié)論。

        (1)關(guān)于接地線感應(yīng)電流,套管部位最大,達(dá)到額定電流的12%,其值約為800 A。

        (2)GIS短路板處接地線電流,應(yīng)在額定電流的5%以內(nèi),其值小于350 A。

        (3)短路板在套管處的電流值約為額定電流的40%,其值約為2.8 kA。在主母線側(cè)的電流值約為額定電流的63%,其值約為4.4 kA。

        (4)當(dāng)導(dǎo)體電流為6.93 kA時,A相和C相殼體電流值為4.8 kA,低于DL/T 5091—1999《水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計導(dǎo)則》中的經(jīng)驗值,證明外漏磁較多,B相殼體電流值為6.022 kA。

        1000 kV GIS各點接地線感應(yīng)電流分布如圖1所示。

        2.2 HGIS感應(yīng)電流

        在正常的工作狀態(tài)下,HGIS接地網(wǎng)中的感應(yīng)電流要明顯高于典型的GIS變電站。其主要原因在于1000 kV HGIS相間距離達(dá)到15 m,導(dǎo)致HGIS設(shè)備外殼上的感應(yīng)回流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流,初步計算結(jié)果表明外殼感應(yīng)電流不足額定電流的65%。殼外的剩余磁場不為0,該剩余磁場在接地網(wǎng)中會產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流。

        南陽開關(guān)站和荊門變電站均采用HGIS。生產(chǎn)廠家通過EMTP(電磁暫態(tài)計算程序)計算軟件,得出荊門變電站(額定電流4kA)地網(wǎng)中的感應(yīng)電流情況。

        工況1:計算時考慮了HGIS專用銅接地網(wǎng),銅接地母線假定敷設(shè)深度為0.4 m。

        工況2:同工況1相比,在GIS的套管端部增加考慮了匯流母排。

        工況3:同工況2相比,增加考慮了設(shè)備基礎(chǔ)下方0.8 m深處敷設(shè)的變電站主地網(wǎng)的影響。變電站主地網(wǎng)材質(zhì)為扁鋼。

        各種工況下感應(yīng)電流值參見表1,表1中的計算點在HGIS的具體位置見圖2。

        通過計算,以工況3為參考,HGIS工作電流為4 kA時,端部引下線感應(yīng)電流為939 A,相間短路線為1.864 kA/850 A。

        表1 3種工況下HGIS匯流母線及主地網(wǎng)中的感應(yīng)電流Tab.1 HGIS collector bus and main ground network induced current A

        由上述分析可見,GIS和HGIS接地線均存在較大的感應(yīng)電流,尤其HGIS更為嚴(yán)重。GIS和HGIS接地線感應(yīng)電流持續(xù)存在,且注入到主地網(wǎng)中,因此需選擇滿足熱穩(wěn)定要求的接地線,并需對設(shè)備下的主接地網(wǎng)做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

        3 接地設(shè)計方案

        交流特高壓試驗示范工程,主地網(wǎng)均采用熱鍍鋅扁鋼,設(shè)計網(wǎng)格尺寸為15~20 m,理論上只要變電站的接地電阻值滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求,接地線截面滿足長期感應(yīng)電流要求就沒有問題。但從工程施工方便考慮,1000 kV GIS接地點眾多;HGIS相間距離大,需設(shè)置相間匯流母線。采用接地引下線直接與主地網(wǎng)連接方式,施工難度大,1000 kV設(shè)備基礎(chǔ)體積較大,混凝土一般分2次施工,因此鋪設(shè)適當(dāng)間距的輔助地網(wǎng)是最佳方案。

        3.1 晉東南變電站GIS輔助地網(wǎng)方案

        (1)由于1000 kV GIS接地引下點數(shù)量眾多,但局部相對比較集中,且分布較有規(guī)律(沿縱向直線排列),因此鋪設(shè)5 m×5 m的輔助接地網(wǎng)較為合理。

        (2)輔助接地網(wǎng)敷設(shè)于GIS基礎(chǔ)的二次澆灌層以下。

        (3)輔助地網(wǎng)采用70 mm×10 mm熱鍍鋅扁鋼,輔助接地網(wǎng)外緣的交叉處就近與主接地網(wǎng)交叉處連接,連接線在出基礎(chǔ)混凝土后的500 mm的范圍內(nèi)做防腐處理。

        (4)基礎(chǔ)表面上設(shè)置與GIS連接的接地端子,接地端子與輔助接地網(wǎng)交叉點處用70 mm×6 mm銅板可靠連接。

        接地網(wǎng)連接示意圖見圖3。

        3.2 荊門變電站HGIS輔助地網(wǎng)方案

        1000 kV HGIS的接地必須要滿足正常運(yùn)行時地網(wǎng)中的感應(yīng)電流及短路熱穩(wěn)定的要求,根據(jù)表1計算結(jié)果HGIS接地設(shè)計方案如下:

        (1)HGIS輔助地網(wǎng)采用50 mm×5 mm的銅排。

        (2)在HGIS兩端母線套管的下方需敷設(shè)2根平行的50 mm×5 mm的銅排。

        (3)為了降低主地網(wǎng)尤其是套管下方主地網(wǎng)中的電流,在HGIS兩側(cè)套管處需采用2×50 mm×5 mm的銅排作為匯流母線。

        (4)垂直HGIS方向需采用1或2根50mm×5mm的銅排。

        (5)輔助地網(wǎng)采用帶絕緣護(hù)套的銅絞線或銅排,敷設(shè)在HGIS基礎(chǔ)二次灌漿層之下,銅絞線與主地網(wǎng)鍍鋅扁鋼間的焊接采用放熱焊,焊接處用絕緣熱縮材料封閉包裹以防止電化學(xué)腐蝕。

        1000 kV HGIS輔助地網(wǎng)連接方式與GIS相似。

        3.3 接地設(shè)計方案分析

        特高壓交流試驗示范工程接地方案滿足了相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求,具體體現(xiàn)在以下各方面。

        (1)GIS、HGIS設(shè)置相間短路線,最大程度上抑制了感應(yīng)電流幅值,滿足正常及事故狀態(tài)下,設(shè)備外殼和支架上感應(yīng)電壓的要求。

        (2)對于主回路上發(fā)生的快速暫態(tài)過電壓(VFTO),主要通過斷路器、隔離開關(guān)上設(shè)置電阻的方式抑制。

        (3)輔助地網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)結(jié)合設(shè)備資料和土建基礎(chǔ)施工方案,合理確定埋設(shè)深度和網(wǎng)格尺寸。

        (4)輔助地網(wǎng)及其接地連接線的截面尺寸,一方面應(yīng)能承受長期通過的最大感應(yīng)電流,同時要按最大單相短路電流來校驗。在此基礎(chǔ)上,還應(yīng)保證設(shè)備外殼及接地線溫升滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (5)采用GIS或HGIS時,計算最大接觸電壓應(yīng)考慮設(shè)備外殼、外殼間以及外殼與支架的感應(yīng)電壓的影響,因此,需要采取措施減少漏磁,降低感應(yīng)電流。

        4 結(jié)論

        隨著交流特高壓試驗示范工程的成功投運(yùn),1000 kV GIS和HGIS的接地問題得到了很好的解決,對后續(xù)特高壓工程具有很好的示范作用。

        (1)具有氣體絕緣金屬封閉開關(guān)裝置的變電站(GIS和HGIS變電站)接地電阻的要求與常規(guī)變電站基本相同。

        (2)考慮便于施工,同時為滿足1000 kV GIS和HGIS外殼感應(yīng)電流的釋放、開關(guān)設(shè)備操作引起的快速暫態(tài)電流的快速流散等,應(yīng)就近設(shè)置GIS(HGIS)區(qū)域輔助接地網(wǎng)。該輔助接地網(wǎng)細(xì)節(jié)應(yīng)由設(shè)備制造廠提出要求或設(shè)計。

        (3)為了快速流散正常時的感應(yīng)電流和GIS操作時產(chǎn)生的快速暫態(tài)電流,GIS(HGIS)區(qū)域?qū)S媒拥鼐W(wǎng)宜采用銅導(dǎo)體。同時為了防止專用接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)采用不同導(dǎo)體材料產(chǎn)生的腐蝕,主接地網(wǎng)也宜采用銅或鍍銅鋼材料。

        (4)對于500 kV氣體絕緣變電站,由于系統(tǒng)要求其通流容量日益增大,需要參照特高壓工程考慮并加強(qiáng)輔助地網(wǎng)的設(shè)計工作。

        [1]DL/T 5352—2006高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

        [2]DL/T 5091—1999水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計導(dǎo)則[S].

        [3]GB5064交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范(征求意見稿)[S].

        [4]戚迎,鐘偉華,戚樂.±800 kV復(fù)龍換流站共用接地極設(shè)計特點[J].電力建設(shè),2008,29(4)∶16-19.

        [5]張凌,楊金根,曾靜.特高壓閥廳電氣設(shè)計研究[J].電力建設(shè),2007,28(5)∶12-16.

        [6]黎亮,蔡上,聶國一.向家壩換流站共用接地極研究[J].電力建設(shè),2007,28(6)∶17-19.

        [7]賀體龍,方明俊.特高壓輸電線路防雷技術(shù)的探討[J].電力建設(shè),2007,28(5)∶21-22.

        [8]劉春田,汪秀華,楊春雷,等.輸電線路三維立體接地裝置垂直接地體的設(shè)置[J].電力建設(shè),2007,28(8)∶25-27,31.

        [9]何金良,曾嶸,高延慶.電力系統(tǒng)接地技術(shù)研究進(jìn)展[J].電力建設(shè),2004,25(6)∶1-3,7.

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