晉東南特高壓變電站接地電阻設(shè)計(jì)與優(yōu)化布置

晉東南特高壓變電站接地電阻設(shè)計(jì)與優(yōu)化布置

0接地系統(tǒng)工頻參數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法研究供電站接地系統(tǒng)是維護(hù)能源系統(tǒng)的安全運(yùn)行，保障駕駛員和供電設(shè)備安全的基本保證和重要措施。調(diào)查表明，我國曾發(fā)生多起由于接地系統(tǒng)的接地電阻未達(dá)到要求所導(dǎo)致的事故或事故的擴(kuò)大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)生的由于接地系統(tǒng)引起的事故損失每次都在數(shù)百到數(shù)千萬元，由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失更大。特高壓系統(tǒng)的電壓等級高、容量大、接地短路電流將相當(dāng)大，為保證電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，對接地系統(tǒng)的要求將更加嚴(yán)格。開展這方面的研究工作對于確保特高壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。接地系統(tǒng)工頻參數(shù)的數(shù)值計(jì)算是接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，目前已從過去的基于均勻土壤模型利用經(jīng)驗(yàn)公式對接地電阻值進(jìn)行估計(jì)，發(fā)展到采用分層土壤模型進(jìn)行接地系統(tǒng)工頻參數(shù)的數(shù)值計(jì)算。目前針對接地系統(tǒng)工頻參數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法已開展了大量的研究工作，基本原理參見文獻(xiàn)。本文的主要工作是根據(jù)1000kV晉東南變電站土壤電阻率的測試結(jié)果，進(jìn)而分析得到其分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。1最佳土壤模型的確定采用對稱四極法對晉東南變電站站址的視在土壤電阻率ρh進(jìn)行了測量，測試了東西和南北2個(gè)方向的視在土壤電阻率隨2電流極間距dAB的變化規(guī)律，測試結(jié)果如圖1所示。2方向的測量數(shù)值極其接近，說明在測試深度范圍內(nèi)土壤各向異性變化不大，土壤為沿水平分層的多層土壤。對于n層的水平分層土壤有2n-1個(gè)未知量。土壤建模的過程也是用最小二乘法對測量點(diǎn)進(jìn)行擬合的反演過程，由假設(shè)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較，調(diào)整假設(shè)模型，直至二者之間的誤差達(dá)到一定的要求。首先根據(jù)地表面測量得到的視在電阻率，用最小二乘法建立由測量值ρm及由未知土壤模型建立的計(jì)算值ρc所構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)式中：為目標(biāo)函數(shù)；為各層土壤電阻率；為各層土壤厚度；n為土壤層數(shù)；N為測量得到的土壤視電阻率個(gè)數(shù)。最后，采用無約束非線性最優(yōu)化方法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，得到最佳土壤模型。根據(jù)圖1測量結(jié)果分析得出晉東南變電站站址土壤結(jié)構(gòu)可分為水平3層，表層厚2.35m，電阻率45.7??m，中間層厚87.6m，電阻率20??m，底層電阻率為122??m。此外，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料分析，1000kV晉東南變電站站址的凍土層厚度為0.66m，地表的冬季凍土層的電阻率取1500??m。存在季節(jié)凍土?xí)r，土壤模型變?yōu)?層，凍土層小的表層土壤厚度變?yōu)?.69m。2變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)近年來由于短路電流增加，國內(nèi)普遍認(rèn)為應(yīng)提高允許的地電位升。目前二次電纜絕緣層的工頻耐受電壓限值為2kV，文獻(xiàn)分析表明，二次電纜屏蔽層雙端接地時(shí)，其絕緣層承受的電位差最大不超過地電位升的40%，則允許的地電位升為2kV/40%=5kV，即二次電纜屏蔽層雙端接地可將變電站允許的地電位升從2kV提高到5kV。此時(shí)必須注意通信線路引起的高電位引出的問題，目前一般采用光纜通信線路，因此這方面問題可不予考慮。地電位升IR(I為入地短路電流，R為接地電阻)取5kV已在三峽電站、110kV青藏鐵路輸變電工程變電站、750kV的官廳及蘭州東變電站的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。晉東南特高壓變電站切除故障電流的時(shí)間t取0.15s。采用IEEEStd80—2000中計(jì)算人體允許的接觸電壓和跨步電壓計(jì)算公式，得出晉東南變電站的接觸電壓和跨步電壓如表1所示。建議變電站地面敷設(shè)的高阻層材料為瀝青混凝土，電阻率取5000??m?？梢钥闯觯佋O(shè)高阻層能明顯提高接觸電壓和跨步電壓的允許值。同時(shí)，增加高阻層的厚度能有效提高人體允許的接觸電壓和跨步電壓，但當(dāng)高阻層達(dá)到一定厚度后，人體接觸電壓和跨步電壓的允許值隨高阻層厚度增加而提高的幅度很小。3接地電阻分析與1000kV晉東南變電站相連的所有線路包括：1000kV至南陽1回；500kV本期為5回出線，分別至?xí)x城變2回、至長治變3回。晉東南變電站接地電阻未知，計(jì)算得到500kV側(cè)短路和1000kV側(cè)短路時(shí)的分流系數(shù)S(入地短路電流與短路電流之比)隨變電站接地電阻的變化如圖2所示。按照晉東南1000kV變電站目前的出線情況，500kV側(cè)短路時(shí)的分流系數(shù)比1000kV側(cè)短路時(shí)的小，即500kV側(cè)短路時(shí)短路電流中真正的入地電流所占的比例比1000kV側(cè)短路時(shí)的小。由圖2可以看出，變電站的短路電流分流系數(shù)與變電站的接地電阻關(guān)系很大，變電站的接地電阻越小，其短路電流分流系數(shù)越大，即其入地短路電流越多。可以看出，分流系數(shù)與變電站的接地電阻有關(guān)，而變電站所應(yīng)達(dá)到接地電阻又與分流系數(shù)有關(guān)，兩者有一定矛盾，在分析變電站的分流系數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意該矛盾，留出充分的裕度。由于最終的變電站地電位升由入地電流和接地電阻的乘積決定，晉東南1000kV變電站短路電流分流系數(shù)的取值還要考慮變電站的允許地電位升和接地電阻的綜合因素。針對該情況，可以將分流系數(shù)與變電站接地電阻的關(guān)系通過函數(shù)擬合出來，然后再分析變電站接地網(wǎng)應(yīng)當(dāng)達(dá)到的接地電阻。由圖2可以看到，當(dāng)其他條件確定后，變電站接地電阻在0.05～0.5?范圍內(nèi)變化時(shí)，變電站接地電阻與分流系數(shù)的關(guān)系可粗略表示為線性關(guān)系，可估算出分流系數(shù)隨接地電阻的變化率K式中：S0.05為變電站接地電阻在0.05?時(shí)的分流系數(shù)；S0.5為變電站接地電阻在0.5?時(shí)的分流系數(shù)。當(dāng)變電站的接地電阻為Rg時(shí)，分流系數(shù)應(yīng)為此時(shí)注入變電站接地網(wǎng)的短路電流為式中：If為短路電流；Df為短路電流衰減系數(shù)，根據(jù)晉東南變電站所聯(lián)系統(tǒng)的參數(shù)，Df取1.2。變電站接地電阻應(yīng)滿足求解式(3)可得變電站接地電阻所要達(dá)到的設(shè)計(jì)值當(dāng)1000kV晉東南變電站的500kV側(cè)短路時(shí)，由圖2所示的分流系數(shù)隨接地電阻的變化可知：接地電阻為0.05?時(shí)，變電站分流系數(shù)為68.9%；接地電阻為0.5?時(shí)，變電站分流系數(shù)為40.9%。由式(2)可得K=0.6222。由于短路電流為63kA，由式(4)可知，為使地電位升小于安全限值5kV，變電站接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.1?。當(dāng)1000kV晉東南變電站的1000kV側(cè)短路時(shí)，由圖2所示的分流系數(shù)隨其接地電阻的變化可知，接地電阻為0.05?時(shí)，變電站分流系數(shù)為87.0%；接地電阻為0.5?時(shí)，變電站分流系數(shù)為51.6%。由式(2)可得K=0.7867。由于短路電流為50kA，由式(4)可得，為使地電位升小于5000V，變電站接地電阻應(yīng)小于0.100?。綜合上面的分析，晉東南1000kV變電站的接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.101?。此時(shí)500kV側(cè)短路時(shí)對應(yīng)的變電站的分流系數(shù)為0.643，對應(yīng)的最大入地短路電流為0.643×1.2×63kA=48.6kA;1000kV側(cè)短路時(shí)對應(yīng)的變電站的分流系數(shù)為0.812，對應(yīng)的最大入地短路電流為0.812×1.2×50kA=48.7kA。按照同樣的分析方法，如果按照地電位升不大于2000V的要求，晉東南1000kV變電站的接地電阻應(yīng)當(dāng)小于0.038?。這是難以實(shí)現(xiàn)的，也是沒有必要的。4高壓站連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1設(shè)備安全限值晉東南變電站接地網(wǎng)應(yīng)埋于凍土層以下，建議埋設(shè)深度為1.0m，導(dǎo)體均勻布置，間距約為20m。計(jì)算結(jié)果表明，地電位升為3924V，小于5kV，因此可保障變電站內(nèi)的設(shè)備安全；跨步電壓97V，其安全限值為530V，即使不鋪高阻層也可以滿足人身安全要求；但接觸電壓為928V，遠(yuǎn)大于無高阻層時(shí)的安全限值468V，為保障人身安全，需要鋪設(shè)5cm厚的高阻層。凍土層的存在對接地電阻的影響較小，這是由于凍土層較薄而接地網(wǎng)埋在凍土層以下的土壤層的緣故。4.2算結(jié)果表及表1由于晉東南變電站中間層的土壤導(dǎo)電性非常好，并且很厚，因此可以考慮增加深垂直接地極來降低接地電阻，從而減小變電站內(nèi)的接觸電壓。不同垂直接地極布置方案對地網(wǎng)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的影響的計(jì)算結(jié)果如表2所示。可以看出，增加深垂直接地極可以明顯降低晉東南變電站的最大接觸電壓，跨步電壓也有所降低，這是由于垂直接地極起到了在地表均壓的作用。由于變電站占地面積很大，深垂直接地極的相對長度較小，因此其對變電站的降阻效果并不明顯。隨著垂直接地極的增加，其對降低最大接觸電壓的效果趨于飽和。綜合表2的結(jié)果，結(jié)合增加垂直接地極的經(jīng)濟(jì)性，采用在接地網(wǎng)四角布置4根、并在每邊布置2根垂直接地極(共12根)的布置方案，是所有增加垂直接地極方案中的最佳方案。但變電站內(nèi)仍需鋪設(shè)高阻層，才能保障人身安全，與普通水平接地網(wǎng)相比，沒有明顯優(yōu)勢，因此推薦晉東南特高壓變電站采用水平接地網(wǎng)便可。4.3融凍季節(jié)下接地網(wǎng)安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在DL/T620中稱為不等間距布置，即在已有接地系統(tǒng)范圍的情況下，通過調(diào)整水平接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體的布置確保接地系統(tǒng)的接地電阻、地表最大接觸電壓及跨步電壓最小，即尋找最優(yōu)壓縮比。地表季節(jié)凍土?xí)档徒拥叵到y(tǒng)的安全性。冰凍季節(jié)和融凍季節(jié)的土壤模型不同，在不同季節(jié)都可分析得到一個(gè)優(yōu)化布置的方案，但最終接地系統(tǒng)只能按一種設(shè)計(jì)方案布置。因此考慮到不同季節(jié)的影響，涉及到按哪種模型設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)更安全的問題。本文的思路是：分析比較融凍季節(jié)時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在冰凍季節(jié)時(shí)的安全性和冰凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在融凍季節(jié)的安全性能，綜合得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。融凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。水平接地網(wǎng)如果不優(yōu)化，接地網(wǎng)的接地電阻為0.078?，最大接觸電壓為928V，最大跨步電壓為96.9V。通過計(jì)算得到，該接地網(wǎng)在融凍季節(jié)時(shí)的最優(yōu)壓縮比為0.65，按融凍季節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)后，接地網(wǎng)的接地電阻為0.076?，最大接觸電壓為700V(減小24.6%)，最大跨步電壓為91.6V；當(dāng)進(jìn)入冰凍季節(jié)時(shí)，接地網(wǎng)的接地電阻為0.08?，最大接觸電壓為720V，最大跨步電壓為108V?？梢钥闯?，在冰凍季節(jié)，接地電阻和接觸電壓、跨步電壓都增加。冰凍季節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。如果不優(yōu)化，接地網(wǎng)的接地電阻為0.080?，最大接觸電壓為930V，最大跨步電壓為119V。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到，該接地網(wǎng)在冰凍季節(jié)時(shí)的最優(yōu)壓縮比為0.68，按冰凍季節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)后，接地網(wǎng)的接地電阻為0.078?，最大接觸電壓為700V(減小了24.8%)，最大跨步電壓為105V。當(dāng)進(jìn)入融凍季節(jié)時(shí)，接地網(wǎng)的接地電阻為0.077?，最大接觸電壓為698V，最大跨步電壓為100V?？梢钥闯?，在融凍季節(jié)，接地電阻和接觸電壓、跨步電壓都減小。綜上比較可見，采用優(yōu)化布置后，接地系統(tǒng)的安全性得到明顯改善，接觸電壓降低約25%，降低的幅度非常明顯。接地網(wǎng)按照在冰凍季節(jié)時(shí)的最優(yōu)壓縮比0.68進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在融凍季節(jié)接地系統(tǒng)的安全性會(huì)得到改善。因此，接地網(wǎng)的最優(yōu)壓縮比選為0.68比較好。4.4地表地下接地網(wǎng)通過前述分析并結(jié)合變電站的實(shí)際情況，在接地網(wǎng)的邊沿按最優(yōu)壓縮比0.68設(shè)計(jì)接地體的間距，在接地網(wǎng)的中間按20m等間距布置接地體，得到最終的晉東南變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3所示，其中接地網(wǎng)埋設(shè)深度為1.0m，接地體外圍和部分中間交點(diǎn)上加5m長的短垂直接地極120根，以穩(wěn)定干旱季節(jié)導(dǎo)致地表電阻率增加時(shí)對接地系統(tǒng)安全性的影響及增加流散雷電流的效果。在無凍土層時(shí)，接地網(wǎng)的接地電阻為0.076?，最大接觸電壓為689V，最大跨步電壓為72.6V。有凍土層后，接地網(wǎng)的接地電阻為0.078?，最大接觸電壓為726V，最大跨步電壓為87.8V。冰凍季節(jié)和正常季節(jié)的接地電阻都能滿足IR<5kV的要求，此外，在地表敷設(shè)5cm的高阻層后，在雨季導(dǎo)致地表電阻率降低時(shí)，最大接觸電壓和最大跨步電壓能滿足人身安全的要求。5第二電纜屏蔽層的連接方式5.1次電纜短路分析短路時(shí)1000kV變電站接地系統(tǒng)不同部位的導(dǎo)體存在較大的電位差。由于該電位差能通過地網(wǎng)耦合進(jìn)入二次電纜，影響二次系統(tǒng)安全性能。因此應(yīng)分析接地系統(tǒng)短路對二次系統(tǒng)安全性能的影響。為此針對晉東南特高壓變電站控制樓引出，與500kV和1000kV保護(hù)小室相連的3條最長的二次電纜a、b、c，分析了工頻二次電纜附近發(fā)生工頻短路時(shí)電纜的安全情況。由于電位在接地網(wǎng)上的非均勻分布，短路時(shí)電纜兩端的電位是不相等的，從而有電流從屏蔽層流過，如果該電流過大，可能燒毀電纜；同時(shí)，二次電纜芯皮電位差如果過大，超過了電纜的絕緣耐壓，則有可能擊穿電纜絕緣。短路點(diǎn)選在變壓器附近，分析短路電流入地點(diǎn)不同(點(diǎn)A、B、C)時(shí)二次電纜的芯皮電位差。所分析的控制電纜的型號是KVVP2–450/1000V四芯電纜，分析結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，短路點(diǎn)的位置對各條電纜的兩端電位差影響很大，這不僅與兩者之間的距離有關(guān)，還與電纜的走向和長度有關(guān)。在走向不變的情況下，短路點(diǎn)距電纜越近，電纜兩端電位差越大；電纜越長，兩端電位差越大。由于使用了銅接地網(wǎng)，電纜兩端的電位差在125V以內(nèi)(最大發(fā)生在點(diǎn)A短路時(shí)的單端接地電纜c上，為122V)，小于二次電纜絕緣層的工頻擊穿電壓2kV。如地網(wǎng)為鋼導(dǎo)體，二次電纜的芯皮電位差將增加，但仍在安全范圍內(nèi)。由表3的分析結(jié)果還可以看出，該電纜屏蔽層雙端接地時(shí)的芯皮電位差小于單端接地時(shí)對應(yīng)的值，因此單從減小電纜絕緣上承受的電壓角度考慮，電纜應(yīng)采用屏蔽層雙端接地的方式。這也是將地電位升提高到5kV的要求。5.2電纜屏蔽層中的電流由于電位在接地網(wǎng)上的不等電位分布，短路時(shí)電纜兩端的電位是不相等的，如