方乙君

云霄背靠背換流站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方乙君

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350003）

本文介紹云霄背靠背換流站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案?；趽Q流站土壤電阻率的測試數(shù)據(jù)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，針對(duì)該站土壤結(jié)構(gòu)模型及站址的場平設(shè)計(jì)方案，采用深井接地極和邊坡外引接地網(wǎng)相結(jié)合的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，并通過仿真分析對(duì)比深井接地極和外引接地對(duì)換流站接地設(shè)計(jì)的影響。最后，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證了該站接地設(shè)計(jì)方案的安全性和可靠性。

背靠背換流站；接地系統(tǒng)；土壤電阻率；深井接地極；外引接地網(wǎng)

0 引言

換流站接地系統(tǒng)是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保障運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施。接地電阻、接觸電勢、跨步電勢是換流站接地系統(tǒng)的三個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，是衡量接地系統(tǒng)的有效性、安全性，以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的重要參數(shù)[1]。

云霄背靠背換流站的輸送容量大、電壓等級(jí)高、接地短路電流大，為保證電力系統(tǒng)的安全和運(yùn)行可靠性，對(duì)換流站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。本文基于云霄換流站工程的土壤電阻率測試數(shù)據(jù)，對(duì)換流站的土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，進(jìn)而提出安全、可靠的換流站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 土壤結(jié)構(gòu)模型分析

云霄工程土壤電阻率的測試方法采用對(duì)稱四極電阻率測深法，儀器采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所開發(fā)的WDDS—2B型數(shù)字直流激電儀進(jìn)行測試。根據(jù)工程勘測聯(lián)系書要求并結(jié)合該站地形條件，本次電阻率測量在站內(nèi)布置具有代表性的7條土壤電阻率測線[2-4]。換流站土壤電阻率測試結(jié)果見表1。

采用CDEGS（current distribution, electromag- netic field, grounding and soil structure analysis）軟件對(duì)該換流站土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析與計(jì)算，得到土壤電阻率模型如圖1所示，換流站土壤分層情況見表2。根據(jù)軟件模擬計(jì)算結(jié)論，在進(jìn)行換流站接地設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算時(shí)，將站內(nèi)不均勻的土壤電阻率模型近似等效成5層土壤模型，等效模型中從上到下每層土壤的電阻率及其厚度參見表2。

表1 換流站土壤電阻率測試結(jié)果

圖1 土壤電阻率模型

表2 換流站土壤分層情況

2 換流站接地網(wǎng)的安全限值

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)換流站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于有效接地系統(tǒng)，接地網(wǎng)的接地電阻宜將接地網(wǎng)的地電位升控制在2kV以下。對(duì)于電力系統(tǒng)容量大、入地電流高的變電站，可采取下列措施：保護(hù)接地至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器低壓側(cè)采用TN系統(tǒng)；沿二次電纜屏蔽層敷設(shè)并行銅排；評(píng)估站內(nèi)10kV金屬氧化物避雷器吸收能量的安全性。此時(shí)，接地網(wǎng)的地電位升可提高至5kV[5]。同時(shí)，接地網(wǎng)的接觸電勢和跨步電勢不應(yīng)超過由式（1）、式（2）計(jì)算所得的數(shù)值。

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》第B.0.2條，結(jié)合該站線路進(jìn)出線回路數(shù)、出線型式、線路桿塔接地電阻等，分別對(duì)換流站內(nèi)及站外發(fā)生短路故障工況下的分流系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。在考慮分流系數(shù)后，換流站經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障對(duì)稱短路電流約為6.8kA；結(jié)合繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器開斷時(shí)間，接地故障電流持續(xù)時(shí)間取0.42s。根據(jù)上述接地規(guī)范對(duì)地電位升的要求，經(jīng)過式（1）和式（2）計(jì)算，該換流站的接地電阻允許值為0.74W，接觸電勢允許值為314V，跨步電勢允許值為456V。

3 接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3節(jié)，結(jié)合以往變電站/換流站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，換流站主接地網(wǎng)設(shè)計(jì)采用水平接地極為主、垂直接地極為輔的方案?？紤]該站設(shè)有面積較大的邊坡，結(jié)合站區(qū)邊坡設(shè)置外引接地網(wǎng)，擴(kuò)大換流站接地網(wǎng)面積，進(jìn)而降低接地電阻。

3.1 水平接地網(wǎng)分析

根據(jù)系統(tǒng)短路電流水平，站址最大對(duì)稱單相接地短路電流為19.8kA，按高壓電氣裝置接地導(dǎo)體熱穩(wěn)定進(jìn)行選擇和校驗(yàn)，同時(shí)考慮接地導(dǎo)體的腐蝕等影響因素，換流站水平接地網(wǎng)選用截面積為150mm2的銅絞線。水平接地網(wǎng)采用等間距法布置，設(shè)置間距為15m，埋設(shè)深度為0.8m，考慮靠近圍墻范圍內(nèi)的接觸電勢和跨步電勢較大，在靠近圍墻20m范圍內(nèi)對(duì)水平接地網(wǎng)采取加密措施，設(shè)置間距在6～10m不等[6-9]。

3.2 垂直接地極的布置

站內(nèi)設(shè)置直徑為14.2mm的銅覆鋼垂直接地極，長度為2.5m，結(jié)合站內(nèi)電氣設(shè)備的布置，在每個(gè)避雷針、避雷線、避雷器等接地點(diǎn)設(shè)置3根垂直接地極進(jìn)行加強(qiáng)散流。同時(shí)，考慮站區(qū)接地電阻率較大，結(jié)合勘測土壤電阻率報(bào)告，在站區(qū)土壤電阻率較低區(qū)域設(shè)置6口60m深的深井接地極，深井接地極采用直徑為14.2mm的銅覆鋼，鉆孔直徑不小于30mm，并加壓填充低電阻降阻劑進(jìn)行降阻[10-11]。

3.3 外引接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)

因站區(qū)土壤電阻率較高，且入地電流較大，結(jié)合站址紅線范圍內(nèi)東、南、北三側(cè)采用邊坡?lián)鯄Φ脑O(shè)計(jì)方案，在邊坡?lián)鯄Ψ秶鷥?nèi)敷設(shè)外引接地網(wǎng)用以增大接地網(wǎng)面積，以達(dá)到降低換流站接地電阻的目的[12]。外引接地網(wǎng)采用80mm×8mm熱鍍鋅扁鋼，在與站內(nèi)接地網(wǎng)連接處設(shè)置連接井并做好防腐措施。外引接地網(wǎng)的布置結(jié)合邊坡步道及平臺(tái)的設(shè)置方案進(jìn)行布線。外引接地網(wǎng)布置如圖2所示。

圖2 外引接地網(wǎng)布置

4 接地網(wǎng)的建模計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測

4.1 接地網(wǎng)的建模計(jì)算

根據(jù)前述接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，采用CDEGS軟件對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行建模分析，分別按是否布設(shè)外引接地網(wǎng)的方案計(jì)算站區(qū)接觸電勢、跨步電勢和接地電阻。無、有外引接地網(wǎng)的接觸電勢、跨步電勢二位色塊圖分別如圖3～圖6所示，接地電阻計(jì)算結(jié)果見表3。

4.2 接地網(wǎng)的現(xiàn)場實(shí)測

云霄換流站圍墻范圍東西方向最大尺寸為382m，南北方向最大尺寸為352m，最大對(duì)角線長度為520m。接地電阻測量儀采用自動(dòng)抗干擾地網(wǎng)電阻測量儀，規(guī)格型號(hào)為AI—6301S。兩輔助極布線方法采用直線平行優(yōu)選法，布線沿X575縣道方向布置，電流極長度為2 500m，電壓極長度為1 500m。采用電流電壓法進(jìn)行測試，云霄站接地電阻、接觸電勢、跨步電勢實(shí)測值分別見表4～表6。

圖3 無外引接地網(wǎng)的接觸電勢二維色塊圖

圖4 有外引接地網(wǎng)的接觸電勢二維色塊圖

圖5 無外引接地網(wǎng)的跨步電勢二維色塊圖

圖6 有外引接地網(wǎng)的跨步電勢二維色塊圖

表3 接地電阻計(jì)算結(jié)果

表4 云霄站接地電阻實(shí)測值

4.3 接地網(wǎng)計(jì)算值及實(shí)測值對(duì)比

采用CDEGS軟件對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算與實(shí)測的接觸電勢、跨步電勢和接地電阻對(duì)比見表7。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，站內(nèi)接觸電勢最大值分布在站區(qū)圍墻至站內(nèi)最外圈道路之間區(qū)域，最大值不超過947.6V；站內(nèi)實(shí)測接觸電勢的實(shí)測點(diǎn)均選取站內(nèi)設(shè)備區(qū)域，其中最大實(shí)測值出現(xiàn)在“粵側(cè)500kV 5652ACF交流濾波器5652開關(guān)A相”處，實(shí)測值為32.9V。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，站內(nèi)跨步電勢最大值不超過441.6V；站內(nèi)實(shí)測跨步電勢最大值出現(xiàn)在“閩側(cè)GIS與換流變之間道路”處，實(shí)測值為37.9V。

表5 云霄站接觸電勢實(shí)測值

表6 云霄站跨步電勢實(shí)測值

注：計(jì)算值和實(shí)測值均為采用了邊坡外引接地網(wǎng)方案的站內(nèi)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

1）結(jié)合土壤電阻率模型采用深井接地極的方案能有效降低換流站接地電阻值。

2）高邊坡?lián)Q流站，結(jié)合邊坡布置接地網(wǎng)，可擴(kuò)大換流站的接地網(wǎng)面積，進(jìn)而降低換流站接地電阻，是一種有效的降阻措施。

3）在換流站邊緣適當(dāng)范圍加密地網(wǎng)網(wǎng)格，可改善換流站電勢分布，有效降低站區(qū)邊緣的接觸電勢和跨步電勢。

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Design of grounding system for Yunxiao back-to-back converter station

FANG Yijun

(POWERCHINA Fujian Electric Power Engineering Co., Ltd, Fuzhou 350003)

This paper introduces the design scheme of grounding system of Yunxiao back-to-back converter station. Based on the test data of soil resistivity, this paper analyzes the soil structure by modeling. According to the soil structure model and the site leveling design scheme of the station, the grounding grid design scheme combining the deep well grounding electrode and the external grounding network of the slope is targeted. Through simulation analysis, the influence of the deep well grounding electrode and the external grounding network on the grounding design of the converter station is compared. Finally, the accuracy of the simulation analysis data is verified through on-site measurement data, ensuring the safety and reliability of the grounding scheme for this station.

back-to-back converter station; grounding system; soil resistivity; deep well grounding electrode; external grounding network

2023-08-07

2023-09-04

方乙君（1985—），男，福建福州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、變電站/換流站設(shè)計(jì)、電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析工作。