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        500 kV GIL管廊接地系統(tǒng)分析

        2020-07-06 01:16:46趙新宇張益賡賈振宏張瑞永吳述關(guān)譚沛文
        四川電力技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:跨步電壓管廊電阻率

        趙新宇,張益賡,賈振宏,張瑞永,吳述關(guān),譚沛文

        (1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京 211102; 2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

        0 引 言

        目前,城市用電需求越來(lái)越大,而大規(guī)模發(fā)電裝置通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,需要長(zhǎng)距離、高可靠和高效的特高壓輸電線路[1-4]。由于采用架空線的特高壓長(zhǎng)距離輸電線路的鐵塔很高、導(dǎo)線束很大,受場(chǎng)地限制,不能在任何地方都實(shí)現(xiàn)。而氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line,GIL)具有輸電容量大、占地少、維護(hù)量小、環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點(diǎn),逐漸成為特殊環(huán)境下替代架空線路的首選。

        類似于輸電線路接地系統(tǒng),GIL的接地系統(tǒng)對(duì)GIL穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用,它直接影響管廊內(nèi)部工作人員的生命安全,對(duì)地面上的行人也有著影響。目前的研究主要是針對(duì)GIL外殼環(huán)流和外殼接地[5-7],對(duì)于GIL接地系統(tǒng)少有涉及。

        基于某實(shí)際GIL綜合管廊工程的設(shè)計(jì)參數(shù),采用CDEGS軟件,建立GIL管廊三維仿真模型,研究分析接地網(wǎng)的深度、入地點(diǎn)的個(gè)數(shù)、混凝土電阻率、是否考慮鋼筋主結(jié)構(gòu)等因素對(duì)GIL系統(tǒng)接地電阻、接觸電壓、跨步電壓以及電位升的影響,從經(jīng)濟(jì)和安全的角度提出最合適的接地結(jié)構(gòu)。

        1 GIL接地模型

        1.1 艙內(nèi)結(jié)構(gòu)及模型

        GIL管廊建于地面下2 m處,總長(zhǎng)度為330 m,混凝土墻壁厚度為0.25 m。管廊內(nèi)有500 kV單回路交流輸電線路,布置在管廊的左側(cè),沿管廊每隔20 m設(shè)置長(zhǎng)0.843 m的金屬支架,GIL本體放置在金屬支架上,相間距為0.85 m。金屬支架固定于混凝土墻壁,并與接地母線相連,接地母線通過(guò)接地引線與管廊底部的接地網(wǎng)相連接。

        圖1 GIL艙結(jié)構(gòu)斷面

        接地母線和接地引線均采用截面為50 mm×5 mm的銅排,接地網(wǎng)埋設(shè)在GIL管廊下方,面積為3 m×330 m。接地網(wǎng)橫向取20根導(dǎo)體棒,縱向取7根導(dǎo)體棒。此外銅排接地干線兩端引出與接地網(wǎng)相連,銅排與接地網(wǎng)不少于2個(gè)連接點(diǎn)[9],這里取在前端位置連接。

        根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和軟件仿真的結(jié)果,將土壤電阻水平分為1層,土壤電阻率為28 Ω·m。

        根據(jù)上述條件,基于仿真軟件CDEGS建立GIL管廊接地模型,接地系統(tǒng)局部截面圖如圖2所示,其管廊局部截面圖如圖3所示,混凝土電阻率取值范圍為500~20 000 Ω·m[8],接地網(wǎng)的深度取在GIL底部下側(cè)0.8~2 m處,觀測(cè)面設(shè)置在管廊隧道底部,距離地面深度為5.45 m。

        1.2 接地系統(tǒng)電氣特性分析

        基于上述GIL模型,將短路入地電流激勵(lì)設(shè)在接地網(wǎng)前端入地點(diǎn)上,設(shè)置短路入地電流激勵(lì)因子為10 kA,計(jì)算接地系統(tǒng)電氣特性參數(shù);設(shè)置混凝土電阻率為3000 Ω·m,計(jì)算接地系統(tǒng)的接地電阻值為0.125 1 Ω。

        觀測(cè)接地網(wǎng)電氣特性參數(shù),其跨步電壓分布如圖4所示,跨步電壓最大值為282.76 V,主要分布在管廊的末端,中間管廊處跨步電壓很低,分布也比較均勻。

        圖2 GIL接地系統(tǒng)Y-Z平面

        圖3 GIL管廊三維平面

        圖4 接地模型跨步電壓云圖

        接觸電壓分布如圖5所示,可以看出,接觸電壓的最大值為480.668 V,位于兩邊的入地點(diǎn)附近,遠(yuǎn)離入地點(diǎn)的方位,接觸電壓逐漸減小。

        地面最大電位升為530.245 V,與接觸電壓相似,隨著遠(yuǎn)離入地點(diǎn)的方向,地電位升逐漸降低,如圖6所示。

        圖5 接地模型接觸電壓云圖

        圖6 接地模型地電位升云圖

        根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的接觸電壓和跨步電壓的安全閾值如表1所示。根據(jù)表1可知,在故障切除時(shí)間為0.250 s和0.500 s時(shí),最大跨步電壓和接觸電壓小于允許的最大限值。所以,接地網(wǎng)設(shè)計(jì)總體符合計(jì)算要求,是較為接近實(shí)際的一種模型。

        表1 CDEGS 電氣特性安全閾值標(biāo)準(zhǔn)

        2 接地網(wǎng)的組成對(duì)接地特性參數(shù)的影響

        2.1 入地點(diǎn)的個(gè)數(shù)對(duì)接地特性參數(shù)的影響

        由于工程要求,此GIL接地系統(tǒng)的入地點(diǎn)不少于2個(gè),將多個(gè)入地點(diǎn)加入系統(tǒng)中,為電流提供了多個(gè)路徑,起到了一定的分流作用。入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)接地系統(tǒng)電氣特性的影響如表2所示。

        隨著入地點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加,接地電阻、接觸電壓、跨步電壓、地電位升會(huì)略微下降,但下降幅度很小。入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)接地特性參數(shù)基本沒(méi)有影響。

        2.2 地網(wǎng)的深度對(duì)接地特性參數(shù)的影響

        出于人身安全考慮,設(shè)計(jì)院一般規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為接地網(wǎng)距離GIL管廊底部0.8 m以上[10]。這里的GIL接地網(wǎng)沿著GIL管廊鋪設(shè),埋設(shè)的難度不大,所考慮的接地網(wǎng)距離GIL底部0.8~2 m。接地網(wǎng)入地深度對(duì)接地系統(tǒng)特性的影響如表3所示??梢钥闯?,隨著接地網(wǎng)入地深度的增加,接地電阻值分別下降了2.7%、4.6%、8.2%、10.39%、11.83%,接觸電壓、跨步電壓、地電位升也有明顯下降。接地網(wǎng)入地深度對(duì)接地網(wǎng)特性的影響較大。

        表2 入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)接地系統(tǒng)接地特性的影響

        表3 接地網(wǎng)與GIL管廊距離對(duì)接地系統(tǒng)接地特性的影響

        3 混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)特性參數(shù)的影響

        3.1 混凝土電阻率對(duì)接地電阻的影響

        混凝土中主結(jié)構(gòu)鋼筋可形成2個(gè)豎直平面的輔助接地系統(tǒng),起到了良好的分流效果。同時(shí)混凝土的電阻率與周圍水分聯(lián)系緊密,會(huì)在晴天與下雨天有所不同[9]。表4為不同混凝土電阻率條件下接地系統(tǒng)的接地電阻,其接觸電壓、跨步電壓分別如圖7、圖8所示。

        表4 混凝土電阻率對(duì)接地系統(tǒng)接地電阻的影響

        由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為1200 Ω·m時(shí),接地電阻下降了7.3%;當(dāng)混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為500 Ω·m時(shí),接地電阻下降了14.2%。接觸電阻下降對(duì)接觸電壓和跨步電壓也有較大影響,當(dāng)混凝土電阻率由3000 Ω·m下降為1200 Ω·m時(shí),接觸電壓最大值由480.67 V下降為368.41 V,跨步電壓最大值由282.78 V變?yōu)?88.8 V。當(dāng)混凝土電阻率降低時(shí),接地網(wǎng)的電阻值降低,從而導(dǎo)致接觸電壓和跨步電壓減小。

        3.2 不考慮混凝土主結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)接地系統(tǒng)的影響

        斷開(kāi)混凝土主結(jié)構(gòu)鋼筋與銅排接地干線和接地網(wǎng)的連接,計(jì)算接地網(wǎng)電氣特性,結(jié)果如表5所示。

        表5 鋼筋結(jié)構(gòu)對(duì)接地系統(tǒng)電氣特性的影響

        同考慮主結(jié)構(gòu)鋼筋作為輔助接地系統(tǒng)時(shí)相比,不考慮主結(jié)構(gòu)鋼筋時(shí)的接地電阻值升高了約13.6%,跨步電壓、接觸電壓、地電位升的最大值在相同條件下分別增加了45.6%、81.9%和103.78%,超過(guò)所允許的最大接觸電壓限值。這是因?yàn)橹鹘Y(jié)構(gòu)鋼筋鑲嵌在混凝土里組成輔助接地網(wǎng),輔助接地網(wǎng)與接地網(wǎng)串聯(lián)形成接地系統(tǒng)。不考慮主結(jié)構(gòu)鋼筋時(shí),入地電流的路徑減少,接地系統(tǒng)的接地電阻值增加,導(dǎo)致了接觸電壓、跨步電壓和地電位升的增加。根據(jù)上述分析可知,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以有效降低接觸電壓、跨步電壓和地電位升,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該考慮。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        針對(duì)某500 kV線路改遷工程的GIL管廊接地系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究,主要分析了GIL在故障情況下的接觸電壓、跨步電壓、地電位升,研究了入地點(diǎn)個(gè)數(shù)、接地網(wǎng)的入地深度、混凝土電阻率和混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)對(duì)接地網(wǎng)特性的影響,結(jié)果表明:

        1)入地點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)接地特性影響很小,一般設(shè)置2個(gè)比較好。

        2)接地網(wǎng)的埋設(shè)深度對(duì)接地特性影響較大,接地網(wǎng)埋設(shè)越深,接地電阻、接觸電壓和跨步電壓越小,但是綜合成本考慮最好埋設(shè)在GIL管廊底部1.2~1.5 m處。

        3)在考慮鋼筋支撐結(jié)構(gòu)的條件下,混凝土電阻率對(duì)接地特性影響很大。GIL接地設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略鋼筋主結(jié)構(gòu)對(duì)接地系統(tǒng)的影響。

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