吳尚志，佟衛(wèi)波，孟 慶

(1.上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025；2.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130051)

變電站的接地系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 80《交流變電站接地安全導(dǎo)則》中的要求，安全接地設(shè)計的目的：提供在正常和故障情況下將電流導(dǎo)入大地的方式，而且這種方式?jīng)]有超過任何操作和設(shè)備的限制或?qū)\行的連續(xù)性造成不利影響，確保接地設(shè)施附近的人不遭受危險性的電擊。變電站接地系統(tǒng)設(shè)計考慮不周的直接后果是導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果與接地系統(tǒng)建設(shè)完成后的實測結(jié)果相差甚遠，剛建成的接地系統(tǒng)還沒有投入運行就要進行接地改造，延誤變電站建設(shè)工期，造成巨大的經(jīng)濟損失；另外，若無法正確估計變電站的最大接觸電勢和跨步電壓，有可能造成人身安全事故,因此，開展接地技術(shù)的研究是變電站工程設(shè)計的一個關(guān)鍵和核心問題。目前我國電力工程進行接地系統(tǒng)設(shè)計時絕大部分是根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》，采用均勻土壤電阻率模型進行計算。實際工程中土壤電阻率是不均勻的，工程場地的不同深度及不同部位土壤電阻率經(jīng)常會發(fā)生較大變化，如果根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的均勻土壤電阻率模型進行計算，經(jīng)常會導(dǎo)致計算值與實際實測值較大偏差。

本文主要包括如下4個方面內(nèi)容：某變電站站址土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的研究；接地故障時人體允許接觸電勢和跨步電壓的研究；該變電站接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究；根據(jù)上述原則確定接地體選擇和布置后，通過CDEGS接地軟件，對本站的接地網(wǎng)作進一步的計算和分析。通過分析土壤不均勻性對接地系統(tǒng)性能的影響，確定并優(yōu)化接地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和形狀，提出技術(shù)經(jīng)濟上最為合理的變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 土壤模型分析

1.1 土壤電阻率

根據(jù)本工程業(yè)主提供的PER2017-0317ACRev0《巖土工程勘察報告》，變電站的位置坐標(biāo)在整個光伏發(fā)電場的探測點編號42位置處，電阻率的測量采用對稱四極法[1]，測量接線見圖1。

圖1 對稱四極法測量接線

通過改變極間距ae和ai，可以得到相應(yīng)電流電壓法的電壓U與電流I數(shù)值，并根據(jù)測量結(jié)果，利用公式計算得到相應(yīng)的視在電阻，本工程每個點垂直測量兩個方向，分別按東西和南北方向，極距采用2,4,8,16,32,64和96 m。根據(jù)報告中探測的數(shù)值用CDEGS軟件中土壤電阻率分析模塊進行建模?？紤]到測量值取垂直的兩個方向，輸入數(shù)據(jù)取對于不同的極距取兩個方向的平均值。土壤分析模型中輸入模塊見圖2。

圖2 土壤分析模型輸入模塊

1.2 土壤模型分析

CDEGS軟件可以在正常、故障、雷電和暫態(tài)條件下計算地上或者地下任意位置的帶電導(dǎo)線組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地電位、導(dǎo)線電位和電磁場。該軟件含有多個實用分析模塊，可以進行多種電力系統(tǒng)問題的分析研究，該軟件目前在國際上應(yīng)用較廣[2]。本研究通過CDEGS土壤分析模塊進行模擬計算，計算生成曲線見圖3。

圖3 土壤模型分析結(jié)果

從圖3可以得出,變電站現(xiàn)場各層平均土壤電阻率見表1。

根據(jù)表1可以模擬出不同土壤電阻率土壤分層厚度及各個厚度的土壤電阻率平均值。

表1 土壤電阻率分層分析結(jié)果

2 接觸電勢和跨步電壓計算

2.1 人體允許的接觸電勢和跨步電壓

接地網(wǎng)設(shè)計的目的就是提供在正常和故障情況下將電流導(dǎo)入大地的方式，確保接地設(shè)施附近的人不遭受危險性電擊。流經(jīng)人體重要部位的電流影響程度取決于電流的大小、持續(xù)時間和頻率。最危險的后果是電流流經(jīng)心臟產(chǎn)生心室纖維性顫動，導(dǎo)致循環(huán)的突然停止。在人體通過60～100 mA的電流等級時，心室纖維性顫動，可能發(fā)生心臟停止跳動或呼吸停止，導(dǎo)致受傷或死亡。根據(jù)引起心室纖維性顫動的臨界值，精心設(shè)計接地系統(tǒng)，使得電擊時電流值能夠保持在該值以下，那么就可以避免損傷或死亡事件。在持續(xù)0.03～3.00 s的范圍內(nèi)，通過人體的電流IB的大小與被身體吸收的能量有關(guān)，公式如下：

SB=(IB)2×ts

(1)

式中：IB為通過人體電流有效值；ts為電流流經(jīng)身體的持續(xù)時間；SB為給定人數(shù)中一定百分數(shù)的人中能承受的電擊能量相關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。

在體重約50 kg的人中，99.5%都能承受的SB的值約為0.013 5 A2·s，因此，身體所允許的電流值公式為：

(2)

當(dāng)ts=1 s時，IB=116 mA；當(dāng)ts=0.1 s時，IB=367 mA。在體重約70 kg的人中，99.5%都能承受的電擊能量SB的值約為0.024 6 A2·s，因此，身體所允許的電流值公式為：

(3)

人身的安全取決于防止吸收故障被切除前臨界電擊能量，當(dāng)故障電流流經(jīng)人體時，經(jīng)過土壤表層以及表層以下的土壤電阻，構(gòu)成了故障回路，因此，人體能夠承受電壓還與人體的電阻、土壤表層電阻率以及表層衰減系數(shù)有關(guān)[3]。人體的內(nèi)部電阻值大約為300 Ω，包括皮膚在內(nèi)的人體電阻值從500～3 000 Ω不等。按照國際通用規(guī)范，人體接地電阻取值1 000 Ω，根據(jù)IEEE Std 80中的發(fā)生接地故障時，故障回路分析得出的公式如下。

對于體重50 kg的人，跨步電壓限值：

(4)

式中：Cs為表層衰減系數(shù)；ρs為地表層土壤電阻率。

對于體重70 kg的人，跨步電壓限值：

(5)

同理，對于體重50 kg的人接觸電位的限值為：

(6)

對于體重70 kg的人接觸電位的限值為：

(7)

根據(jù)保守安全的原則，本工程接觸電勢和跨步電壓均取50 kg的人作為限值。

表層衰減系數(shù)按照下面公式進行計算。

Cs=1-0.09(1-ρ/ρs)/(2hs+0.09)

(8)

式中hs為表層土壤厚度。

由表1可知，土壤電阻率取9.210 193 Ω·m，土壤表層電阻率取1 012.520 Ω·m，表層土壤厚度為2.4 m。代入公式(8)有Cs=0.982。

2.2 接地短路(故障)電流的持續(xù)時間

IEEE Std 80 中規(guī)定，切除故障的時間取主保護的動作時間或者后備保護動作時間，在主保護動作時間內(nèi)切除故障對人體的危害要小很多，從設(shè)計安全的角度出發(fā)，取后備保護動作時間來設(shè)計接地網(wǎng)更保守一些，因此接地安全設(shè)計切除故障時間取后備保護動作時間即斷路器失靈保護動作時間。ts可按下式取值：

ts≥tm+tf+to

(9)

式中：tm為主保護動作時間；tf為斷路器失靈保護動作時間；to為斷路器開斷時間。

本工程220 kV主保護動作時間約為15～20 ms，斷路器失靈保護動作時間約為0.4 s，斷路器開斷時間目前暫按50 ms，因此切除故障電流的時間t約為0.47 s，ts時間可取0.5 s。

2.3 接觸電勢和跨步電壓的計算

根據(jù)前兩節(jié)的分析，按照保守考慮，接觸電位和跨步電位允許值均按照50 kg的人體來考慮。Cs計算值為0.982，土壤表層電阻率為1 012.520 Ω·m，故障切除時間按照0.5 s考慮，將上述數(shù)值代入公式(4)和公式(6)，可以計算出體重50 kg人的跨步電壓和接觸電勢的允許值。

用CDEGS建立接地網(wǎng)模型，進行接觸電勢和跨步電壓允許值的計算。接地網(wǎng)模型見圖4。

通過計算，在0.5 s清除故障，表層土壤電阻率(即第1層)1 012.520 Ω·m的條件下，接觸電勢和跨步電壓的允許值見表2。

圖4 接地模型布置

表2 接觸電勢和跨步電壓的允許值 V

根據(jù)系統(tǒng)資料，本工程單相接地故障電流是5 kA，土壤電阻率模型如1.2 節(jié)分析計算時，變電站廠區(qū)跨步電壓分布范圍是0.647～583.433 V。

在跨步電壓允許值為1 132.2 V的條件下，跨步電壓的二維色塊見圖5。

圖5 跨步電壓允許值為1 132.2 V時的二維色塊

由圖5可見，該變電站的在正常地面條件下，跨步電壓滿足安全允許值的要求，無須鋪設(shè)專門的瀝青路面、碎石等高電阻率表層路面措施。

在相同模型下，計算該變電站的接觸電勢，接觸電勢控制在該變電站內(nèi)部及變電站金屬圍欄外1 m。接觸電勢計算結(jié)果為102.60～2 445.27 V。

考慮接觸電勢的允許值為398.9 V，通過在允許值限制的條件下的二維色塊顯示，整個變電站區(qū)域的接觸電勢范圍是603.54～2 445.27 V。整個變電站的接觸電勢均無法滿足安全允許值的要求，因此全站需要鋪設(shè)碎石作為高土壤電阻率操作地坪。設(shè)置碎石后，表層土壤電阻率按照5 000 Ω·m計算，此時接觸電勢的允許值帶入公式(6)，可以計算允許值為1 193.5 V。在此允許值下計算該變電站接觸電勢的范圍是1 316.66～2 445.27 V。

該變電站區(qū)域內(nèi)部，在網(wǎng)孔較大區(qū)域，站區(qū)的圍欄處也不滿足接觸電勢允許值要求，仍有部分接觸電壓超出了允許值范圍，因此，需要加密接地導(dǎo)體的網(wǎng)格。將接地導(dǎo)體的網(wǎng)格加密后，接觸電勢的仿真計算結(jié)果為1 285.95～2 117.95 V，變電站內(nèi)部區(qū)域均滿足接觸電勢的要求。適當(dāng)加大接地網(wǎng)格的密度，可以在敷設(shè)碎石地面的前提下保證全站的接觸電勢在安全允許值范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過CDEGS軟件計算分析，可以仿真土壤不同深度的分層土壤電阻率，更接近于工程實際情況。當(dāng)工程中接觸電勢不滿足允許值要求時，需要鋪設(shè)高阻抗操作地面，在采取高阻抗操作地坪的條件下，如果接地網(wǎng)布置不均勻，需要調(diào)整接地導(dǎo)體的數(shù)量，降低網(wǎng)孔的大小，保證接地網(wǎng)的各個位置滿足接地計算的要求。