周亮，徐駿，劉垚，付龍海，李業(yè)旭，F(xiàn)arid Paul Dawalibi

（1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 200120；2.國網(wǎng)上海電力設(shè)計有限公司，上海 200025；3.北京加華賽時電力安全技術(shù)有限公司，北京 100080）

市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計和分析

周亮1，徐駿2，劉垚2，付龍海3，李業(yè)旭3，F(xiàn)arid Paul Dawalibi3

（1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 200120；2.國網(wǎng)上海電力設(shè)計有限公司，上海 200025；3.北京加華賽時電力安全技術(shù)有限公司，北京 100080）

為了更好地進(jìn)行市內(nèi)變電站的設(shè)計和分析，介紹了市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)的基本設(shè)計流程，重點討論了進(jìn)行市內(nèi)接地系統(tǒng)設(shè)計分析與常規(guī)郊區(qū)接地系統(tǒng)相比需考慮和出現(xiàn)的新問題。分析結(jié)果表明，與常規(guī)的接地系統(tǒng)相比，在進(jìn)行市內(nèi)接地系統(tǒng)設(shè)計時除了要考慮各種常規(guī)因素外，還需考慮可能的多塊土壤結(jié)構(gòu)、各電壓等級電纜在故障電流分布計算中的影響，以及考慮電站入地電流對周邊構(gòu)筑物以及民用設(shè)施的安全影響等方面，否則會對電站評估安全計算結(jié)果帶來顯著的誤差，遺漏周邊安全性評估等，造成安全隱患。

市內(nèi)接地系統(tǒng)；故障電流分布；GIS；土壤結(jié)構(gòu)；傳導(dǎo)干擾；地電位升

接地網(wǎng)是保證發(fā)變電站安全運行不可缺少的組成部分，其性能好壞直接影響到站內(nèi)工作人員和公眾的安全[1-2]。隨著我國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市集中用戶負(fù)荷和需求不斷增加，位于城區(qū)市區(qū)的緊湊型、小型化高壓變電站不斷出現(xiàn)，如何保證在變電站發(fā)生短路故障時變電站及周邊公眾的安全，是變電站接地系統(tǒng)設(shè)計和分析時需要考慮的重要內(nèi)容。

對于位于城區(qū)外、郊區(qū)的變電站接地系統(tǒng)，由于可用面積大、周邊商用民用設(shè)施少，在接地系統(tǒng)設(shè)計和施工時可以按照各種標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計經(jīng)驗通過多種常規(guī)的有效方法和方式保證接地系統(tǒng)達(dá)到安全設(shè)計要求[3-4]。而對于市區(qū)變電站而言，可用面積小，有些變電站周邊就存在大量的商用民用建筑物和基礎(chǔ)，接地系統(tǒng)與周邊的民用設(shè)施（如居民水管、商用建筑物等）相連，可以增加接地系統(tǒng)可用面積，降低接地阻抗等參數(shù)。但是在發(fā)生短路時，故障短路入地電流通過接地系統(tǒng)散流時，可能對鄰近的民用設(shè)施和公眾人員造成安全隱患。為了盡可能地減少占用面積，城區(qū)變電站多采用GIS形式，對于存在GIS情況下如何進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的性能評估也是亟待解決的問題。城區(qū)GIS變電站的使用，為更準(zhǔn)確地分析接地系統(tǒng)性能及保證周邊公眾的安全提出了新的挑戰(zhàn)，為接地系統(tǒng)的設(shè)計和施工帶來了全新的難度。

為了更好地對市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和性能評估，本文從市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)的安全性綜合評價角度出發(fā)，首先，介紹了進(jìn)行市內(nèi)接地系統(tǒng)設(shè)計和分析的基本流程。其次，對市內(nèi)變電站接地極系統(tǒng)設(shè)計過程中出現(xiàn)的新問題和容易被設(shè)計分析者忽略的方面進(jìn)行了介紹說明，并進(jìn)行了定量的對比性分析，主要因素包括土壤結(jié)構(gòu)、故障電流分布計算、對周邊商用民用建筑物的影響以及計算方法、GIS系統(tǒng)安全性分析等。最后，給出了相應(yīng)的建議，為相關(guān)設(shè)計和研究人員進(jìn)行市內(nèi)接地系統(tǒng)的設(shè)計分析以及安全性評估提供了理論指導(dǎo)。本研究中采用的分析工具為CDEGS軟件[5]。

1 基本設(shè)計流程

接地系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需考慮多方面因素、參數(shù)的影響[6-9]。目前，在常規(guī)的接地系統(tǒng)設(shè)計中，主要考慮土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)、故障入地電流和接地網(wǎng)形式等幾個方面，很多研究者對此進(jìn)行了大量的研究，在此不再贅述[10-13]。

對于常規(guī)的郊區(qū)接地系統(tǒng)而言，在設(shè)計和分析時，需要綜合考慮各主要因素。而對于市內(nèi)接地系統(tǒng)而言，存在接地系統(tǒng)可用占地面積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、周邊商用民用設(shè)施眾多等原因，使得除了需要考慮基本常規(guī)影響因素外，還有很多需要關(guān)注和考慮的因素。圖1給出了建議的市區(qū)變電站接地系統(tǒng)設(shè)計基本流程。

由圖1可知，對于市區(qū)接地系統(tǒng)而言，在評估計算變電站安全性能時，需要考慮GIS以及周邊商用民用建筑設(shè)施等對地網(wǎng)的影響。此外，除了要按照常規(guī)分析考慮接地系統(tǒng)自身的安全性外，還需要考慮變電站內(nèi)GIS系統(tǒng)、周邊商用民用建筑等系統(tǒng)的安全性。這些問題是隨著市內(nèi)變電站建設(shè)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，在進(jìn)行設(shè)計分析時需要綜合考慮各個因素，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析，而不能分割、缺少其中的任何一個，否則會得到錯誤的計算分析結(jié)果。

為了讓讀者定量的了解市內(nèi)接地系統(tǒng)設(shè)計分析中出現(xiàn)的新問題及其對設(shè)計和分析帶來的影響，下面將以簡單的例子進(jìn)行定量的對比分析和介紹。

圖1 市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)設(shè)計分析的基本流程Fig.1 Basic process of the design and analysis of the grounding system of the urban substation

2 土壤結(jié)構(gòu)的選取

對于接地系統(tǒng)形式而言，其表現(xiàn)出來的性能與其所在的土壤結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，同一個接地系統(tǒng)在不同的土壤結(jié)構(gòu)中會呈現(xiàn)完全不同的性能。因此，要準(zhǔn)確評估計算接地系統(tǒng)的性能，首先需要得到較為準(zhǔn)確的土壤結(jié)構(gòu)形式。對于土壤結(jié)構(gòu)，各種標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中多采用均勻或者水平分層土壤結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行表達(dá)，對于郊區(qū)的發(fā)變電站接地系統(tǒng)，由于大范圍內(nèi)土壤形式未發(fā)生顯著變化，所以使用此種土壤形式可以滿足要求[14-16]。

而對于市區(qū)接地系統(tǒng)，因為在變電站下方或者附近會存在地下設(shè)施，如地下停車場或者商場等，因而在接地極下方存在一個非土壤的空間區(qū)域。這部分區(qū)域由于不存在土壤，無論對地網(wǎng)接地電阻、還是故障電流的分布、還是入地電流的散流都會造成影響，即會影響接地系統(tǒng)的性能。

圖2給出了市內(nèi)變電站下方存在地下商用建筑物情況時的結(jié)構(gòu)示意圖。

同時，圖3給出了不同地下空間區(qū)域情況下對接地系統(tǒng)接地電阻的影響情況。此處假設(shè)地下區(qū)域頂部距離接地系統(tǒng)5 m，建筑物內(nèi)部高度為10 m。

定義無地下建筑物時接地系統(tǒng)的接地電阻為R1，存在地下建筑物時的接地電阻值為R2。接地電阻變化率a=R2/R1。地下建筑物空間邊長與接地網(wǎng)邊長比值為b。此處大范圍的土壤按照均勻土壤形式考慮，土壤電阻率為100 Ω·m。

圖2 市內(nèi)變電站與地下商用建筑物共存情況下的土壤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the soil structure of the urban substation and the underground commercial buildings

圖3 不同地下空間體積對接地電阻的影響Fig.3 Effects of different volume of underground space on the grounding resistance

由圖3可知，隨著地下空間區(qū)域的增加，接地系統(tǒng)的接地電阻值也不斷增加。當(dāng)?shù)叵聵?gòu)筑物邊長約為3倍于接地網(wǎng)邊長時，此時接地電阻值約為無地下空間時的5倍。當(dāng)?shù)叵聵?gòu)筑物邊長尺寸達(dá)到接地系統(tǒng)邊長尺寸8倍以后，R2與R1的比值變化趨向平緩。主要在于當(dāng)與接地系統(tǒng)尺寸相比地下構(gòu)筑物空間足夠大時，接地系統(tǒng)散流時電流無法達(dá)到構(gòu)筑物邊界外區(qū)域，而認(rèn)為已存在足夠大的空間，所以再增加構(gòu)筑物空間，對于接地電阻影響不大。

所以在進(jìn)行市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)性能評估時，如果不能準(zhǔn)確考慮地下商用民用設(shè)施空間區(qū)域情況，會得到較為樂觀的接地電阻計算值，容易出現(xiàn)施工完成后接地系統(tǒng)不能達(dá)到設(shè)計要求的情況。值得注意的是，不同的周邊土壤結(jié)構(gòu)，可以得到圖3中完全不用的結(jié)果比值大小。所以在實際電站的評估計算中，需要建立電站地網(wǎng)的實際模型，考慮周邊土壤的真實特性，以得到準(zhǔn)確的地網(wǎng)安全性能計算分析結(jié)果。

3 故障入地電流的計算

對于常規(guī)的郊區(qū)變電站，變電站進(jìn)出線多為架空線路，所以，分流系數(shù)主要以架空線路形式進(jìn)行考慮和計算。而在實際中為了減少輸電線路對周邊環(huán)境和人員的影響，輸電線進(jìn)入市區(qū)后，多會采用電力電纜形式引入變電站。對于電纜進(jìn)出線形式，由于纜芯和護套之間距離很近，在短路故障電流通過時兩者之間存在很強的耦合，如圖4所示為電力電纜結(jié)構(gòu)圖。此外，市區(qū)變電站內(nèi)常有多條抵押電纜進(jìn)出，對于對短路電流沒有貢獻(xiàn)的低壓電纜（如10 kV），其護套會起到一定的傳導(dǎo)分流作用，在分析時也需要準(zhǔn)確考慮通過電纜散流的分流效應(yīng)。

圖4 典型電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the typical power cable structure

在計算故障電流分布時，在存在電纜的情況下與常規(guī)的架空線路相比，分流系數(shù)有所不同。此外，電力電纜護套層多采用交差互聯(lián)以及通過電纜護套保護器接入接地裝置，如何準(zhǔn)確計算電纜護套層的感應(yīng)電壓？如何正確分析電纜護套層連擊反應(yīng)最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而計算故障電流分布？如何模擬考慮無電流貢獻(xiàn)的抵押電纜等，這些問題都為故障入地電流的計算帶來了新的挑戰(zhàn)。如何按照現(xiàn)場實際情況，考慮架空輸電線路和埋地電力電纜共存的情況下，獲得準(zhǔn)確的故障入地電流值，是市區(qū)變電站安全性評估的一大難點與重點之一。

結(jié)合作者近期完成的一個實際工程項目，進(jìn)出線走向及電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

線路總長約為55 km。此處給出了某市內(nèi)變電站進(jìn)出線采用純架空線路和架空、埋地電纜相結(jié)合情況下，兩者故障電流分流系數(shù)的不同，如表1所示。其中，桿塔類型A和B，兩者的唯一區(qū)別在于相線和地線間的距離（A間的距離大于B）。由表1可知，在其他情況相同的情況下，采用電纜作為進(jìn)出線形式，會有更多的故障電流返回至遠(yuǎn)端電源，而有較少的故障電流流入變電站接地系統(tǒng)，與架空線路形式相比，差別近70%。如果此時還按照常規(guī)的架空線路形式進(jìn)行故障電流分流系數(shù)計算，會增加后續(xù)接地系統(tǒng)設(shè)計的難度。

圖5 某市內(nèi)變電站進(jìn)出線走向示意圖（單位：km）Fig.5 Schematic diagram of outlet and inlet line of a certain urban transformer substation（uite：km）

表1 不同進(jìn)出線方式下的分流系數(shù)Tab.1 Split flow coefficient in different ways of outlet and inlet line

4 對周邊構(gòu)筑物的影響

對于市內(nèi)接地系統(tǒng)而言，因為周邊存在大量的商用和民用建筑物以及公眾人員，所以在進(jìn)行其安全性評估時不能像常規(guī)、傳統(tǒng)的接地網(wǎng)評估一樣，僅僅評估變電站內(nèi)部區(qū)域的安全性。除了考慮常規(guī)的變電站內(nèi)部各項指標(biāo)安全性外，還需要考慮變電站周邊的民用和商用建筑物接地系統(tǒng)及公眾的安全性，即使這些設(shè)施不與電站地網(wǎng)電器相連。

從理論上講，當(dāng)2個接地網(wǎng)距離是無窮遠(yuǎn)時，兩者間才不存在影響。而在現(xiàn)實中，很難做到這一點。當(dāng)電流通過變電站接地網(wǎng)散流時，除了會升高自身接地網(wǎng)的電位外，還會引起周圍土壤的電位升高，引起周邊建筑物導(dǎo)體的電位升（即使這些設(shè)施不與電站地網(wǎng)電器相連），從而產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾問題。

圖6所示為構(gòu)筑物和變電站的接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。其中6（a）為市內(nèi)變電站接地系統(tǒng)；6（b）為周圍構(gòu)筑物接地系統(tǒng)。土壤結(jié)構(gòu)如表2所示。

圖6 變電站接地網(wǎng)與周圍接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of substation grounding grid and surrounding grounding grid structure

表2 土壤結(jié)構(gòu)Tab.2 Soil structure

表2中：ρ1為頂層土壤電阻率，Ω·m；ρ2為底層土壤電阻率，Ω·m。接地網(wǎng)埋深均為0.8 m，接地導(dǎo)體選用40 mm×4 mm的扁鋼，等值半徑為0.02 m。

4.1 土壤結(jié)構(gòu)的影響

圖7給出了D=15 m，接地網(wǎng)圖6（a）（變電站地網(wǎng)）發(fā)生短路故障時，在接地網(wǎng)圖6（b）（周邊商用民用設(shè)施）處引起的地表地電位升與接地網(wǎng)圖6（a）處地表電位升的百分比。該比值直接反映了圖6（b）受圖6（a）的傳導(dǎo)干擾程度。

由圖7可知，在不同的土壤結(jié)構(gòu)下，圖6（b）接地網(wǎng)受到的傳導(dǎo)干擾影響也不相同，而且差別特別大。當(dāng)下層土壤電阻率ρ2＞ρ1（即K大于0）時，傳導(dǎo)干擾越發(fā)顯著。主要是當(dāng)ρ2＞ρ1時，故障電流在上層的低電阻率地區(qū)散流，所以有更多的電流流到圖6（b）接地網(wǎng)，從而增大了干擾效果。

4.2 距離D的影響

圖8給出了在其他參數(shù)不變的情況下，距離D變化時，變電站接地網(wǎng)與周圍接地網(wǎng)處地表電位的變化情況。在此定義：V1為變電站接地系統(tǒng)圖6（a）的地表電位最大值；V2為接地網(wǎng)圖6（b）的地表電位最大值；R=V2/V1×100%。

由圖8可知，隨著距離D的增加，電流通過變電站接地系統(tǒng)散流時，對周圍接地系統(tǒng)的影響也隨之減少，但是該減少值有趨向緩和的趨勢。一般來說，當(dāng)ρ1＜ρ2時（上層低電阻率，下層高電阻率），兩者之間的干擾影響大于ρ1＞ρ2時（下層低電阻率，上層高電阻率），其主要原因是下層土壤電阻率低時，電流主要通過下層土壤散流，從而使得流到周圍接地系統(tǒng)的電流比例減少。

圖7 不同土壤結(jié)構(gòu)下傳導(dǎo)干擾程度Fig.7 Conduction disturbance in different soil structures

圖8 距離變化對地表電位的影響Fig.8 Influence of the distance change on the surface potential

4.3 K值的影響

圖9給出了水平雙層土壤中不同K值時的影響圖。其中ρ1=200 Ω·m，h=5 m，反射系數(shù)，D= 15 m。

由圖9可知，K值不同，2個接地系統(tǒng)間的影響大小也有所不同。隨著K值的增加，接地網(wǎng)圖6的地表電位在不斷增加，同時R值也在不斷增加，說明周圍接地系統(tǒng)受變電站接地網(wǎng)的傳導(dǎo)影響也就越明顯，傳導(dǎo)耦合干擾越發(fā)顯著。

圖9 K值變化時，接地系統(tǒng)間的傳導(dǎo)干擾Fig.9 Conduction interference between grounding systems with K value variation

5 結(jié)語

隨著市內(nèi)變電站的不斷處出現(xiàn)，為接地系統(tǒng)的出現(xiàn)、設(shè)計和分析帶來了新的挑戰(zhàn)和新的問題。對于市內(nèi)變電站的接地系統(tǒng)而言，除了需要考慮常規(guī)設(shè)計中的影響因素外，還需要基于市內(nèi)接地系統(tǒng)特有的特點進(jìn)行設(shè)計和分析。此時需要考慮的新因素包括：變電站下方及周邊存在的地下空間區(qū)域；埋地電力電纜對故障電流的影響以及短路情況下變電站對周邊構(gòu)筑物及其他埋地金屬的安全影響等。實際中，在進(jìn)行市內(nèi)接地系統(tǒng)設(shè)計和分析時，建議采用專用的科學(xué)工具，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析和評估，從而可以提高設(shè)計的準(zhǔn)確度，保證市內(nèi)變電站內(nèi)工作人員及周邊公眾人身和設(shè)備的安全。

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Analysis and Design of Urban Substation Grounding System

ZHOU Liang1，XU Jun2，LIU Yao2，F(xiàn)U Longhai3，LI Yexu3，F(xiàn)arid Paul Dawalibi3
（1.State Grid Shanghai Economic Research Institute，Shanghai 200120，China；2.State Grid Shanghai Electric Power Design Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China；3.Beijing Jiahua Saishi Safety Engineering&Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

In order to design and analyze the urban substation better，this paper introduces the basic design process for the grounding system of the urban substation，focusing on factors to be considered and new problems in the design and analysis of the grounding system compared with the one for the conventional substation in the rural area.The analysis shows that compared with the conventional grounding system，the grounding system of the urban substation should take consideration of not only those conventional factors，but also the possible multi-block soil structure，effects of cables of different voltages on the calculation of the fault current distribution as well as safety effects of the grounding current on the surrounding structures and civil facilities，otherwise remarkable errors would occur to the substation safety assessment and evaluation of the surrounding safety would be missed and hidden safety risks could be formed.

grounding system；urban substation；fault current distribution；GIS；soil structure

2016-06-11。

周 亮（1980—），男，本科，工程師，從事工程設(shè)計管理工作。

（編輯 董小兵）

國家青年科學(xué)基金項目（51507100）。

ProjectSupported by the NationalYouth Science Fund（51507100）.

1674-3814（2016）12-0028-06

TM862

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