摘要：全戶(hù)內智能變電站占地面積小，入地短路電流高，雖然城區土壤電阻率相對較低，但接地電阻和地電位升仍難以降低。以某110 kV全戶(hù)內變電站土壤模型為例，對新一代智能變電站典型設計方案110-A2-X1的接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設計。優(yōu)化設計時(shí)，通過(guò)分析設計規范對接地參數的要求，適當放寬接地網(wǎng)地電位升高的限值;基于CDEGS接地分析軟件，分析不同面積和網(wǎng)孔尺寸的雙層地網(wǎng)的降阻效果，以及不同數量和長(cháng)度深井接地極的降阻效果，并對應用了雙層地網(wǎng)和深井接地極的優(yōu)化方案進(jìn)行安全性評估和經(jīng)濟性比較。結果表明，與雙層地網(wǎng)相比，接地深井雖然成本較高，但降阻效果良好，對于無(wú)人值守的110 kV全戶(hù)內智能變電站，選取6口55 m的接地深井的降阻方式形成其接地網(wǎng)優(yōu)化方案可滿(mǎn)足各項安全性要求。

關(guān)鍵詞：全戶(hù)內智能變電站 雙層接地網(wǎng) 接地參數 接地深井 優(yōu)化設計

引言

接地網(wǎng)是變電站安全可靠運行的重要保證，它不僅為站內電氣設備提供一個(gè)公共的參考地，而且能確保故障情況下，運行人員和電氣設備的安全[1-2]。在能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)建設的新形勢下，電網(wǎng)容量急劇擴大，系統短路電流故障水平越來(lái)越高，國家電網(wǎng)公司為提升電網(wǎng)智能化水平，對新一代智能變電站技術(shù)進(jìn)行深入研究并形成具有重要指導意義的新一代智能變電站典型設計方案[3-4]。接地網(wǎng)的設計需要考慮變電站基本情況、站址土壤電阻率和土壤特性等因素，因此在該典型設計方案中并沒(méi)有給出接地網(wǎng)的典型設計方案[5-7]。全戶(hù)內GIS智能變電站因占地面積小、噪音小和工作壽命長(cháng)等優(yōu)勢在城市變電站建設中越來(lái)越多地被采用。變電站面積的減小和入地故障電流的增加給接地網(wǎng)設計造成困難，單層接地網(wǎng)難以使接地電阻和地電位升(grounding potential rise, GPR)等參數滿(mǎn)足文獻[8]的要求，擴網(wǎng)又受到征地面積的限制。近年來(lái)，在變電站接地網(wǎng)工程改造中發(fā)現，除了深井接地極在降阻方面有顯著(zhù)效果外，雙層結構的接地網(wǎng)能有效降低跨步電位差和接觸電位差。福州城區110 kV變電站和500 kV香山變電站接地網(wǎng)改造中，雙層地網(wǎng)均為覆蓋整個(gè)變電站的方孔結構，其中福州城區110 kV變電站二層地網(wǎng)外延尺寸略小于上層地網(wǎng)，而香山500 kV變電站則略大于上層地網(wǎng)[9-10]。目前，在變電站接地網(wǎng)的改造工程中使用的雙層地網(wǎng)大體有2種尺寸，一種是二層地網(wǎng)的覆蓋面積可達到整個(gè)變電站大小，另一種是其覆蓋面積與配電樓地基相當。在施工時(shí)，前者需要在變電站圍墻附近開(kāi)挖獨立的溝道以敷設2層接地網(wǎng)，而后者則可與配電樓地基建設同時(shí)進(jìn)行。由于接地深井施工費昂貴，從安全性和經(jīng)濟性相結合的角度來(lái)講，在全戶(hù)內變電站接地網(wǎng)的設計改造中，二層地網(wǎng)的面積及其網(wǎng)孔尺寸對降阻效果的影響是有必要研究的。

110-A2-X1是國家電網(wǎng)公司推薦的全戶(hù)內GIS智能變電站標準設計方案，適宜應用在城區變電站的設計中[3]。110-A2-X1為智能變電站標準設計方案編號，其中：“110”表示變電站電壓等級為110 kV;“A2”表示變電站類(lèi)型為全戶(hù)內GIS變電站;“X”表示新一代智能變電站設計方案;而“1”表示110-A2-X1是110-A2-X類(lèi)型方案中的一種，并將該方案編號為1。城區變電站一般容量較大，接地短路電流水平較高，并采用全電纜出線(xiàn)，導致地線(xiàn)對故障電流分流貢獻下降，接地網(wǎng)入地電流水平較高，即使土壤電阻率較低，接地網(wǎng)的接地電阻仍不能?chē)栏窠抵羾鴺艘?。因此，對于此?lèi)變電站不能只關(guān)注接地阻抗一個(gè)參數，而需要進(jìn)行綜合性評價(jià)。另外，新一代智能變電站的運營(yíng)方式逐漸趨向于無(wú)人值守，與工作人員人身安全相關(guān)的參數可以相應淡化。為了保障接地網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性，最根本的方法就是在設計階段進(jìn)行相應評估，力求設計的接地網(wǎng)滿(mǎn)足要求，以減少運維工作量[11-13]。

本文以某110 kV全戶(hù)內智能變電站為例，在參考新一代智能變電站典型設計方案110-A2-X1的基礎上，采用雙層接地網(wǎng)和接地深井組合的降阻方式，對其接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設計。優(yōu)化設計時(shí)基于接地分析軟件CDEGS，分析不同面積和網(wǎng)孔尺寸的二層地網(wǎng)的降阻效果，以及不同數量和長(cháng)度深井接地極的降阻效果，并對優(yōu)化方案進(jìn)行安全性評估和經(jīng)濟性比較，最終選取了安全性和經(jīng)濟性相平衡的接地網(wǎng)優(yōu)化方案。

1 地網(wǎng)初步設計及其安全性分析

110-A2-X1典型設計方案采用全戶(hù)內布置，主變、電容器、配電裝置、二次設備等均布置在“一”字配電裝置樓內，配電裝置樓四周環(huán)繞4 m寬的站內人行道，站內右側有消防泵房、消防水池等建筑。圍墻內占地面積2 774 m2。其中，配電裝置樓為地上2層建筑。變電站遠景規劃3臺主變壓器。110 kV側6回全電纜出線(xiàn)，短路電流水平為40 kA;10 kV側42回全電纜出線(xiàn)，短路電流水平25 kA。全電纜出線(xiàn)使分流系數大大降低，考慮最嚴重情況，選擇分流系數為36%，則入地故障電流為25.6 kA，故障電流水平較高。主接地網(wǎng)采用不等距網(wǎng)格布置，水平接地網(wǎng)采用截面為120 mm2的銅絞線(xiàn)，垂直接地體選用直徑14.2 mm的銅覆鋼接地棒。某110 kV全戶(hù)內變電站土壤模型如表1所示。

1.1 安全設計指標

在接地網(wǎng)的優(yōu)化設計中，表征接地網(wǎng)安全性能宏觀(guān)指標的特性參數包括接地阻抗、GPR、接地網(wǎng)電位差(grounding potential difference, GPD)、接觸電位差和跨步電位差等[14-16]。GPR指電流經(jīng)接地網(wǎng)流入大地時(shí)，接地網(wǎng)與大地零電位點(diǎn)之間的電位差，GPR過(guò)高會(huì )使低壓避雷器擊穿;GPD指接地網(wǎng)通過(guò)電流時(shí)，接地網(wǎng)上不同兩點(diǎn)之間的電位差，該電位差是造成二次電纜燒毀的主要原因。根據文獻[8]，接地網(wǎng)的接地電阻應滿(mǎn)足R≤2 000/IG，接地電阻不能滿(mǎn)足該公式時(shí)，可通過(guò)經(jīng)濟技術(shù)比較適當增大接地電阻?！峨娏こ屉姎庠O計手冊》中將工頻接地電阻限值放寬至0.5 Ω甚至5.0 Ω，R≤5.0 Ω時(shí)應符合要求：(1)對可能將接地網(wǎng)的高電位引向廠(chǎng)、所外，或將低電位引向廠(chǎng)所內的設施，應采取隔離措施;(2)當接地網(wǎng)升高時(shí)，考慮短路電流非周期分量的影響，發(fā)電廠(chǎng)、變電所內3~10 kV閥型避雷器不應動(dòng)作;(3)設計時(shí)應采用均壓措施并驗算接觸電位差和跨步電位差，施工后應進(jìn)行測量，并繪制分布曲線(xiàn)[17]。

接觸電位差和跨步電位差的安全限值可分別按照式(1)和式(2)進(jìn)行計算。

式中：U_t為接觸電位差安全限值;Us為跨步電位差安全限值;ρ_s為地表層的土壤電阻率;C_s為表層衰減系數，t_s為故障持續時(shí)間，取0.7 s。如表1所示土壤條件下的接觸電位差和跨步電位差安全值分別是220 V和255 V。一般情況下，變電站戶(hù)外場(chǎng)地宜敷設礫石、卵石、瀝青混凝土和絕緣水泥等，厚度一般為10~35 cm。敷設瀝青混凝土后，表層土壤電阻率可達5 000 Ω˙m，則接觸電位差和跨步電位差安全值分別為1 213 V和4 349 V。

全戶(hù)內智能變電站運行管理方式逐漸趨向于無(wú)人值守，因此對接地網(wǎng)的安全性要求由人員安全和設備安全兩方面逐漸轉變?yōu)樵O備安全，設計接地網(wǎng)時(shí)進(jìn)行安全評估的重點(diǎn)轉移到設備上，即重點(diǎn)考察低壓避雷器、110 kV及以上電力電纜以及二次設備的安全性，接觸電位差和跨步電位差的安全限值可以適當放寬。

GPR的安全限值需要滿(mǎn)足條件：(1)滿(mǎn)足一次設備也就是低壓避雷器和110 kV電纜護層保護器的耐受;(2)滿(mǎn)足二次設備及二次電纜的耐受要求。根據二次設備相關(guān)規程和技術(shù)規范規定，工頻下二次設備的絕緣水平通常為2 000~3 000 V[18]。在二次接地網(wǎng)等電位連接的條件下，只要二次電纜是雙端接地方式的智能變電站接地網(wǎng)的GPD小于2 000 V即可保證二次系統不受損壞。對智能變電站低壓避雷器的GPR耐受值和單端接地的電纜護層保護器的GPR耐受值進(jìn)行校驗，可以得到比較可靠的GPR安全限值。經(jīng)校驗，GPR限值可放寬至9.5 kV[19]。

1.2 地網(wǎng)安全性分析

根據變電站總體布置情況，變電站主接地網(wǎng)初步設計方案為埋深在地下0.8 m的矩形地網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為6 m×6 m，面積為72 m×37 m，網(wǎng)孔交點(diǎn)處均有2.5 m短垂直接地極。經(jīng)計算，接地網(wǎng)初步設計方案的接地電阻為0.59 Ω，最大GPR值為14.99 kV，過(guò)高的地電位升必然導致站內接觸電位差和跨步電位差超標，如圖1所示。由圖1可知，次邊角網(wǎng)格接觸電位差最大值為1 476.1 V，遠超安全值，跨步電位差最大值為1 215.5 V，站內跨步電位差滿(mǎn)足安全性要求。站內最大地電位差只有247.57 V，滿(mǎn)足國標中2 000 V以下的要求，對其二次電纜及二次設備不會(huì )造成損壞，因此在后續進(jìn)行接地網(wǎng)優(yōu)化時(shí)，需采取降阻措施，使GPR滿(mǎn)足設計指標不高于9.5 kV的要求。

2 接地網(wǎng)優(yōu)化方式研究

全戶(hù)內變電站上層地網(wǎng)(埋深0.8 m)的布置方式與變電站總平面布置有關(guān)，很難在上層水平地網(wǎng)的布置方式上對其進(jìn)行優(yōu)化。常用的降阻方式是在水平地網(wǎng)的基礎上增加長(cháng)垂直接地極或深井接地極，而國外常用雙層或多層地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。長(cháng)垂直接地極和深井接地極可以深入土壤深處幫助散流，且不受氣候等條件對表層土壤的影響;二層地網(wǎng)埋深根據變電站底板或配電裝置樓的地基高度確定，其布置方式不受變電站總平面布置的限制。

針對不同布置方式的二層地網(wǎng)和深井接地極進(jìn)行計算，比較其降阻效果和經(jīng)濟性。本文的經(jīng)濟性比較主要是估算靜態(tài)投資，靜態(tài)投資包括施工費用和材料費用兩項。根據變電站接地網(wǎng)施工報價(jià)，接地網(wǎng)建設所需的施工費用如表2所示，材料費用單價(jià)：水平地網(wǎng)為52元/m和2.5 m短垂直接地極為56.5元/根。

2.1 二層地網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸

在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上增加面積相同、網(wǎng)孔尺寸不同的二層地網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸越大則網(wǎng)孔數量越少。網(wǎng)孔尺寸有48 m×18.5 m、24 m×9.25 m、9.6 m×9.25 m和6 m×6.17 m 4種，網(wǎng)孔數分別為1、4、10和24。表3是采用不同網(wǎng)孔尺寸的二層地網(wǎng)時(shí)，接地網(wǎng)的特性參數和靜態(tài)投資比較，其中靜態(tài)投資僅為二層地網(wǎng)的靜態(tài)投資。

由表3可知，二層地網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸對接地網(wǎng)的接地電阻影響很小，可忽略不計。僅有一個(gè)網(wǎng)孔的二層地網(wǎng)與其他情況相比，接觸電位差和跨步電位差差值也分別維持在3.9%~7.8%和1.9%~3.8%。比較僅有外框形式的二層地網(wǎng)(網(wǎng)孔數為1)和網(wǎng)孔數最多的情況(網(wǎng)孔數為24)，后者的最大接觸電位差和跨步電位差雖然比前者低大約幾十伏，最大GPR比前者低348 V左右，但其施工費用卻比前者高約63%。二層地網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸直接決定了工程造價(jià)的高低，在均壓效果相似的條件下，若采用網(wǎng)孔尺寸較大，即網(wǎng)孔個(gè)數較少的二層地網(wǎng)，則更加符合安全性和經(jīng)濟性平衡的設計理念。根據上述結果，在使用雙層地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)，二層地網(wǎng)可以采取僅敷設外框的形式。

2.2 二層地網(wǎng)的覆蓋面積

目前，在變電站接地網(wǎng)的改造工程中使用的雙層地網(wǎng)大體有兩種尺寸，一種是二層地網(wǎng)的覆蓋面積可達到整個(gè)變電站大小，一種是其覆蓋面積與配電樓地基相當。在施工時(shí)，前者需要在變電站圍墻附近開(kāi)挖獨立的溝道以敷設接地網(wǎng)，而后者則可與配電樓地基建設同時(shí)進(jìn)行，前者的施工費用比后者高一倍以上。由于110-A2-X1方案面積小，因此本文只選擇二層地網(wǎng)外延大小沿配電樓條基和沿變電站圍墻兩種具體尺寸的二層地網(wǎng)進(jìn)行比較。

在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上增加上述兩種面積的二層地網(wǎng)，為了排除網(wǎng)孔尺寸的不同給計算結果帶來(lái)的影響，方便比較二層地網(wǎng)的優(yōu)化效果，兩種接地網(wǎng)方案中二層地網(wǎng)均為無(wú)網(wǎng)格的框架式結構。表4是對2種接地網(wǎng)接地特性參數的計算結果，其中靜態(tài)投資僅為二層地網(wǎng)的靜態(tài)投資。由表4可知，二層地網(wǎng)外延沿變電站圍墻時(shí)，對接地電阻和跨步電位差降低的效果比較明顯，而沿配電樓條基時(shí)，對接觸電位差降低的效果顯著(zhù)。二者各有優(yōu)勢。建設沿配電樓條基的二層地網(wǎng)只需在開(kāi)挖地基的基礎上進(jìn)行施工，而沿變電站圍墻的二層地網(wǎng)由于需要在圍墻附近額外開(kāi)挖更深的溝道，并且耗費的接地材料較多，其靜態(tài)投資比前者高約64%。

2.3 深井接地極

為了考察深井接地極的降阻和降壓效果，在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上增加長(cháng)度為40 m的深井接地極。表5是增加不同數量的深井接地極時(shí)接地網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟比較。由表5可知，與雙層接地網(wǎng)相比，深井接地極可以顯著(zhù)降低各個(gè)特性參數，但靜態(tài)投資也遠高于雙層地網(wǎng)。接地極數量越多，降阻和降壓效果越好，但隨接地極數量增加會(huì )有一定屏蔽作用，由表5可知，接地極數量達到8根之后降阻率上升速率明顯下降。

為了使降阻效果較明顯，在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上增加4根不同長(cháng)度的深井接地極，表6是深井接地極長(cháng)度不同時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟比較。由表6可知，接地極長(cháng)度越長(cháng)，降阻和降壓效果越好。從表5和表6可以看出，深井接地極總長(cháng)度相同的前提下，當總長(cháng)度超過(guò)一定數值(這里為160 m)時(shí)，增加接地極長(cháng)度比增加接地極數量降阻效果更好。

2.4 小結

全戶(hù)內智能變電站短路水平高達25.6 kA，接地電阻和GPR等參數難以降低。雙層地網(wǎng)對接地電阻的降阻率約為3%左右，而深井接地極在數量較多、長(cháng)度較長(cháng)的情況下卻可達到40%左右。深井接地極的建設成本遠遠高于雙層地網(wǎng)，但在短路電流水平非常高的全戶(hù)內智能變電站中，對接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)，雙層地網(wǎng)很難將地網(wǎng)特性參數尤其是GPR降低到安全范圍內。然而，雙層地網(wǎng)對GPD的降低作用較為顯著(zhù)，降低百分比約為23.96%，這對整個(gè)地網(wǎng)的均壓較為有利。但全戶(hù)內智能變電站在占地面積較小，其接地網(wǎng)壓差本身就不會(huì )過(guò)大，在這種情況下，雙層地網(wǎng)的應用價(jià)值并不高。因此，變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計時(shí)，在綜合考慮變電站面積、土壤、短路電流以及設備耐受等情況的前提下，可以使用深井接地極降阻或深井接地極和雙層地網(wǎng)組合降阻。

3 110-A2-X1方案接地網(wǎng)優(yōu)化設計

通過(guò)對雙層地網(wǎng)和深井接地極的仿真分析，并根據110-A2-X1變電站無(wú)人值守和短路電流水平過(guò)大的特點(diǎn)，采用以下3種方案對接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較。

3.1 接地網(wǎng)優(yōu)化方案

方案1：在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上，采用接地深井降阻。即在接地網(wǎng)外緣敷設12口接地深井，深井深度為40 m，深井接地極與水平地網(wǎng)相連。深井接地極總長(cháng)度為480 m。

方案2：在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上，采用接地深井降阻。即在接地網(wǎng)外緣敷設6口接地深井，深井深度為55 m，深井接地極與水平地網(wǎng)相連。深井接地極總長(cháng)度為330 m。

方案3：在接地網(wǎng)初步設計方案的基礎上，采用配電樓下二層地網(wǎng)與深井接地極組合降阻。即變電站上層接地網(wǎng)為如圖1所示的埋深在地下0.8 m的矩形地網(wǎng)，面積為72 m×37 m;二層地網(wǎng)在配電樓條基上方，是外延等同于條基外延面積為48.0 m×18.5 m的矩形框，在邊角處就近與上層地網(wǎng)相連;在接地網(wǎng)外緣敷設6口55 m的接地深井，深井接地極與上層地網(wǎng)相連。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟比較

對上述4個(gè)接地網(wǎng)模型進(jìn)行計算，各方案接地參數計算值如表7所示。所有參數均在安全限值范圍以?xún)?，可?jiàn)3種接地方案都滿(mǎn)足接地設計規范的要求。下面將對3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較。

與方案1相比，方案2接地電阻和GPR水平偏低0.7%，GPD水平相差不多，接觸電位差和跨步電位差均在安全限值內，但靜態(tài)投資相差30.28萬(wàn)元，方案2的靜態(tài)投資比方案1低29%。

與方案3相比，方案2接地電阻和GPR水平偏高0.6%，GPD水平偏高21.6%，接觸電位差和跨步電位差均在安全限值內，靜態(tài)投資只相差2萬(wàn)元，方案2比方案3低2.6%。

方案1與方案2的降阻方式均采用深井接地極。二者不同點(diǎn)在于方案1達到安全性指標所用深井接地極數量較多，長(cháng)度較短，深井接地極總長(cháng)度較長(cháng)。從數據上看，在110-A2-X1變電站的接地網(wǎng)優(yōu)化中，增加的每根深井接地極長(cháng)度需保持在40 m以上，在此基礎上，適當增加深井接地極的長(cháng)度，減少深井接地極的數量，能使降阻效果更加明顯，并能有效控制成本的增加。另外也可以看出接地深井口數增加可以顯著(zhù)降低接觸電位差，而接地體深埋則可以有效降低接地電阻。

方案3僅比方案2增加了二層接地網(wǎng)。從數據上來(lái)看，二層地網(wǎng)增加了成本，卻對接地電阻和GPR的降低幾乎沒(méi)起作用，然而在需要降低GPD的情況可以考慮使用二層地網(wǎng)來(lái)實(shí)現?？梢?jiàn)僅使用深井接地極來(lái)降阻即可達到優(yōu)化接地網(wǎng)的效果。

綜上所述，110-A2-X1全戶(hù)內智能變電站的接地網(wǎng)適宜采用6口長(cháng)度為55 m的接地深井進(jìn)行優(yōu)化，使接地網(wǎng)滿(mǎn)足各項安全性要求。

4 結論

通過(guò)模擬計算和分析，并結合110-A2-X1典型設計驗證，得出結論：(1)沿配電樓條基敷設的矩形外框形式的二層地網(wǎng)與其他形式的二層地網(wǎng)相比降阻和降壓效果相差不多，但成本最低，因此若使用雙層地網(wǎng)降阻推薦沿配電樓條基敷設的矩形外框形式的二層地網(wǎng)。(2)深井接地極數量越多，降阻和降壓效果越好，但隨數量增加會(huì )逐漸趨于飽和，另外，深井接地極總長(cháng)度相同的前提下，當總長(cháng)度超過(guò)一定數值時(shí)，增加接地極長(cháng)度比增加接地極數量降阻效果更好。深井接地極成本高于雙層地網(wǎng)，但其降阻效果優(yōu)于雙層地網(wǎng)，在占地面積較小、短路電流水平很高的智能變電站接地網(wǎng)中宜選用深井接地極。(3)110-A2-X1全戶(hù)內智能變電站占地面積小，入地短路電流高達25.6 kA，雖然土壤條件良好，但接地電阻和GPR難以降低，加上無(wú)人值守的運行管理方式，接觸電位差和跨步電位差可適當放寬，因此其接地網(wǎng)適宜采用6口長(cháng)度為55 m的接地深井進(jìn)行優(yōu)化，使接地網(wǎng)滿(mǎn)足各項安全要求。

作者：王平 , 賈立莉 , 李守學(xué) , 李抗 , 律方成

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