浅析变电站接地设计因素

浅析变电站接地设计因素

刘锡华

惠州电力勘察设计院有限公司）

摘要：目前大多数变电站设计工程师在进行变电站接地网设计时，都会有一个误区：普遍认为110kV及以上变电站，全站接地电阻值小于0.5欧姆时即认为合格，电阻值大于0.5欧则认为不合格，就不管短路电流的大小，也不需论证跨步电压和接触电势是否满足设计要求值。接地体的选择更是根据经验选取，没有进行上导体的动、热稳定的较验。正确的设计方法是要结合实际，通过科学计算、详细分析、合理评价经济性，得出合理的设计方案。

关键词：变电站；接地网；接地电阻；入地短路电流；跨步电压；接触电势

引言：变电站接地系统作为变电站交、直流设备接地及防雷保护接地，对系统的安全运行起着重要作用；由于变电站接地网较为隐蔽性，容易被人忽视，往往只注意最后接地电阻的测量结果；接地网的敷设存在与构筑物或建筑物基础交叉情况，增加了变电站运行中对其进行改造或更换的困难性，所以变电站接地网一经敷设，将很难对其加以改造，因此在变电站接地设计中如何降低接地电阻，优化电站接地系统的设计，从而保证变电站安全稳定运行，值得深入细致分析及解决。

1、接地设计方案考虑因素

第一步：站址现状分析。

充分结合所考虑站址气象环境条件、站址条件，气象环境条件直接影响季节系数Ψ值的选取。土壤电阻率ρ是决定接地网的关键参数，选择变电所所址时，要考虑所在地的土质情况，勘测专业在进行场地勘测中应列出接地网处的土壤分层情况和每层的土壤电阻率ρ，不能仅取表层土壤的电阻率ρ。需对站址土壤电阻率进行多层分析，决定接地网的布置形式及设计方案。

第二步：入地短路电流的计算。

入地故障电流的计算是变电站接地系统设计的基础，直接与变电站安全性能有关，这是由于入地电流将产生最严重的地电位升、跨步电压和接触电势。

系统中发生接地短路分为站内接地故障和站外接地故障。故障短路电流可分为两部分：一部分是经架空线路的避雷线（地线）回流至电源；另一部分是经变电站接地网和大地回流至电源。前者为架空地线的分流电流，后者既是入地短路电流。故障时线路将对入地电流起到分流的作用，设计接地时应当考虑变电站短路电流的分流系数，即真正通过变电站接地网入地的电流与短路电流的比，变电站的短路电流分流系数与变电站的接地电阻关系很大，变电站的接地电阻越小，其短路电流分流系数却越大，即其入地电流越多。

其中入地短路电流计算公式为：

Ig=（Imax-In）Sfl（1）

Ig=InSf2（2）

需补充的是：接地计算中，对接地故障电流中的对称分量电流引入校正系数，以考虑短路电流的过冲效应。衰减系数Df为接地故障不对称电流有效值IF与接地故障对称电流有效值If的比值。计算公式为：

Ig=（Imax-In）SflDf（3）

Ig=InSf2Df（4）

Df———衰减系数

接地短路(故障)电流的持续时间根据《交流电气装置的接地设计规范》GB50065-2011中的相关规定，发电厂和变电站的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，te应按下式取值：

te≥tm+tf+to（5）

tm———为主保护动作时间；

tf———为断路器失灵保护动作时间；

to———为断路器开断时间。

配有1套速动主保护、近或远（或远近结合的）后备保护和自动重合闸，有或无断路器失灵保护时，te应按下式取值：

te≥to+tr（6）

tr———为第一级后备保护的动作时间。

一般110kV变电站配置2套主保护，切除故障电流的时间te按3-6式计算。主保护为速动保护，断路器失灵保护动作时间约为15~20ms，断路器开断时间目前110kV及以上to为0.3s，110kV以下为0.3~0.5s。

第三步：接地系统中接地电阻值的计算及要求。

不等间距布置接地网时接地电阻值按《交流电气装置的接地设计规范》GB50065-2011中的计算公式计算：

（7）

110kV变电站接地电阻值满足的要求接地电阻应满足R≤2000/Ig，当不能满足时，应满足R≤0.5Ω的要求。

根据上述规范中对于大电流接地系统接地网接地电阻要求值时，应考虑降阻措施的要求。具体降阻措施有：采用低电阻的优质回填土、外延接地网、分层敷设水平网、并入垂直接地深极、或并入垂直接地深井、斜井等，本工程建议选用接地网中并入多根垂直接地深极作为降阻措施。除此之外，对土壤电阻率非常还有可选用离子极、接地模块等物理降阻剂。

第四步：接地网接地电阻的校验。

二次设备的接地要求及地电位升校验，一般的二次电缆2s工频耐受电压较高（≥5kV），二次设备，如综合自动化设备，其工频绝缘耐受电压为2kV、1min。从安全出发，二次系统的绝缘耐受电压可取2kV。

根据《交流电气装置的接地设计规范》（GB50065-2011）中地电位计算公式为：

V=IgR（8）

V——接地网地电位升高（V）；

Ig——经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值（A）；

R——接地网的工频接地电阻（Ω）；

该值宜满足二次设备的耐受电压值2kV，当满足不了时，应满足小于或等于5kV要求值。

跨步电压及接触电势校验，接触电位差和跨步电位差均小于最大接触电位差允许值和最大跨步电位差。同时还需考虑表层衰减系数。

第五步：接地导体的选择。

在进行导体选择时，一是导体的材质（选用钢材、铜材还是选用铜包钢材）；二是计算导体的截面尺寸，热稳定系数，导体的选择需结合站址条件，敷设面积、防腐角度、材料价格进行综合比较。一般情况满足变电站运行中，土壤腐蚀率对接地体的影响，按设计年30年后接地体的截面还能满足运行的要求。

2、结语

变电站接地设计，需结合站址气象环境条件、地址条件，通过分析变电站入地短路电流的计算、水平接地网的布置、接地电阻值的计算、跨步电位差和接触电位差的计算、接地导体的选择等做出接地设计的优化措施。

参考文献：

[1]DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合1997

[2]GB50065-2011交流电气装置的接地设计规范2011

[3]GB/T50064-2014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范2014

[4]石巍、贺文涛变电站接地网的优化设计2002

[4]钱臻浅谈变电站接地技术及优化接地网的措施2010