新立变电站接地系统安全性能研究

鲁志伟，马文婧，宋文国，尹相爱

(1.东北电力大学输变电技术学院，吉林吉林132012;2.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;3.吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林吉林132011)

中华人民共和国电力行业标准《交流电气装置的接地》［1］是国内接地网的设计准则。《交流电气装置的接地》规定:工频短路电流下的接地网最大电位升高不大于2 000 V。随着电力系统电压等级的提高和系统容量的增大，接地故障电流和发变电站接地网的面积不断增大，发变电站接地电阻很难满足R≤2 000/I01的标准要求，而过高接地网电位升高严重威胁变电站接地系统的安全运行［2］。变电站接地系统的安全性包括人身安全和设备安全两方面内容:一是接触电压和跨步电压不超过允许值，保证人身安全;二是地电位升高小于允许值，保证发变电站设备特别是二次设备的安全［3］。在土壤电阻率较高且地网面积受限制的情况下，要使接地电阻满足标准要求，导致技术经济均极不合理。本文以220 kV新立变电站为例，对接地系统的安全性开展深入研究，提出了变电站接地电阻超标时确保接地系统安全运行的措施。

1 变电站接地网工频接地参数的数值计算

1.1 有二次电缆的接地网工频接地参数的计算

电路图是电路拓扑结构的描述。若图中任一支路都赋予一个参考方向，则称该图为有向图。一条支路联接于两个节点，则称该支路与这两个节点相关联，节点与支路的关联性质可以用关联矩阵来描述。设有向图的节点数为m，支路数为n。则该有向图的关联矩阵A为(m×n)阶的矩阵。它的行对应于节点，列对应于支路。它的任一元素aij定义如下:aij=1，表示支路j与节点i关联并且它的方向背离节点;aij=-1，表示支路j与节点i关联并且它的方向指向节点;aij=0，表示支路j与节点i无关联。

一个简单的田字形接地网如图1所示。电网的短路电流从一个边角节点入地，并假设每段导体的漏电流集中在导体中点入地。应用节点分析方法建立节点关联矩阵。节点编号需按如下规则:先横排后竖列，先下后上和先左后右，先中点后节点。这样对于一个有n条支路和m个节点的网络，由于每条支路在中点有漏电流入地，则整个网络变成有2n条支路和n+m个节点。对于该接地网络可以求得阻抗矩阵Z为:

图1 接地网的节点编号

式中:z0、Mi，i和 Mi，j分别为网络变成 2n 条支路后，每条支路导体的内阻抗、外自感和不同导体间的互感;f为入地电流的频率。令:Y=z-1，若节点关联矩阵为A，则节点导纳矩阵Yn+m为:

对图1所示电路列出节点电压方程:

式中:φd=，n维列向量为第i段导体的中点电位;φc=，m 维列向量为第n+j个节点的电位;［Ik］=［I1，I2，…，In］T，n维列向量，Ii为第i段导体的漏电流;［I01］

其中:Rii称为自电阻，Rij称为互电阻。其计算问题在地网等电位的接地参数计算中已解决［4］。采用点匹配矩量法将式(4)写成矩阵的形式，并令R-1=G，则有Ik=Gφd，代入式(4)，整理后可得:= ［I0，0，…，0］T，m 维列向量，为接地网注入电流。

每段导体的漏电流都会在所有导体表面上产生电位，则第j段导体上的总电位为

本文的数学模型全面地考虑了导体电阻、自感和导体间的互感，计算结果更符合实际。基于上述方法，编制了接地计算软件。该软件可以分析水平多层土壤中，接地网的接地阻抗、接触电压、跨步电压和网内电位差等接地参数，并能给出地表面的电位分布。

二次电缆的屏蔽层双端接地，此时接地系统相当于含有内阻的电压源。计算没有电缆时电缆屏蔽层的两个接地点之间的电位差(即接地网的网内电位差)，并在电缆的一个接地点向接地网注入单位电流，同时在电缆的另一个接地点从接地网抽出单位电流，计算电缆的两个接地点之间的电位差，由该电位差除以单位电流便可得到接地网等效阻抗。再由屏蔽层的阻抗就可以计算屏蔽层流过的电流。

图2 二次电缆的分布参数计算模型

1.2 二次电缆芯皮电位差的数值计算

求出电缆屏蔽层流过的电流后，就可以由二次电缆分布参数等值电路计算电缆的芯皮电位差。短路电流通过地网对二次电缆芯线产生干扰时的二次电缆分布参数等值计算电路如图2所示。图2中ZP为电缆屏蔽层电流回路的自阻抗，YP为电缆屏蔽层的对地容抗，YC为电缆芯线与屏蔽层之间的容抗，ZC为电缆芯线电流回路的自阻抗，ZT为电缆芯线与屏蔽层之间的转移阻抗，YT为传递导纳。这些参数的详细求解见文献［5］。

以电缆芯皮回路和皮地回路中的压降和电流为变量，由图2可以列出方程:

上述矩阵方程以电缆芯皮回路和皮地回路中的压降和电流为变量，需要改成以大地作为参考点的回路压降和芯皮中实际通过的电流，这样才适于线路方程的计算需要。以VC和VP表示电缆芯、屏蔽层的对地电压，IC和IP表示在电缆芯、屏蔽层中通过的电流，由图2可得:

1.3 二次电缆芯皮电位差的数值计算

图3 二次电缆及地网布置

本文计算了几组芯皮电位差占地电位升的比例，与文献［2］的结果进行比较，验证本文计算结果的正确性。二次电缆布置在图3所示的中心导体上方(位置A)。接地网面积分别为100 m×100 m和200 m×200 m，导体间隔距离10 m，接地网埋设深度为1 m，土壤电阻率100 Ω·m，二次电缆长100 m，10 kA短路电流从边导体C点注入。地网边长100 m，本文的计算结果为:芯皮电位差177.4 V，芯皮电位差占地电位升的比例17.80%，文献［2］的计算结果为:芯皮电位差210.6 V，芯皮电位差占地电位升的比例21.13%;地网边长200 m，本文的计算结果为:芯皮电位差140.2 V，芯皮电位差占地电位升的比例45.99%，文献［2］的计算结果为:芯皮电位差139.4 V，芯皮电位差占地电位升的比例45.70%。所以本文的计算结果与文献［2］的计算结果吻合。

2 新立变电站人身安全性分析

2.1 新立变电站内允许的最大接触电压和跨步电压

新立变电站接地网的接地电阻0.7，接地网的最大入地电流为12 kA，接地网最大电位升高为8 400 V，超出国家标准4.2倍。图4给出了新立变电站接地网布置，并对图4中曲线1-曲线5的地面电位分布进行了分析计算。其中电流由A点入地曲线1的电位分布如图5所示，变电站最大接触电压和跨步电压如表1所示。

图4 新立一次变接地网及二次电缆布置

图5 曲线1上电位分布

表1 接地网内的最大接触电压和跨步电压

2.2 接地网内接触电压和跨步电压

在大接地短路电流系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂，变电所电气设备接地的接触电压和跨步电压不应超过下列数值:

式中:Ucp为接触电压;Ukp为跨步电压;ρ1为人脚站立处地面的土壤电阻率;M为存在高土壤电阻率路面层时人脚接地电阻的校正系数;t为接地短路电流的持续时间。取t=0.5 s计算可得容许最大接触电势为321 V，跨步电压为549 V;在变电站地面铺设20 cm厚的沥青混凝土路面后，人体可承受的接触电势和跨步电压分别达到1 463 V和5 249 V。所以，新立变电站铺高土壤电阻率路面后即可保证人身安全。

3 二次设备安全性分析

3.1 二次电缆芯皮电位差及皮电流计算与分析

变电站的接地电位升高会直接影响到二次系统的安全性。为提高二次电缆抗电磁干扰的能力，通常采用屏蔽层双端接地的方式。短路电流将有一部分流过屏蔽层，并在二次电缆的芯线上感应出电位，屏蔽层和芯线的电位差施加在二次电缆的屏蔽层上。二次电缆与二次设备直接相连，二次电缆的芯皮电位差也直接施加在二次设备上。芯皮电位差过高将导致二次电缆和二次设备的绝缘损坏［2］。

微机保护装置是变电站内绝缘最薄弱的设备，其耐压标准为2 kV。所以二次电缆的芯皮电位差必须小于2 kV才能保证设备安全。根据新立变电站地网及二次电缆的布置图，计算出电缆最长和短路电流在电缆一端注入时，二次电缆的芯皮电位差为2 390 V，屏蔽层电流336 A。所以新立变电站工频短路故障可能威胁二次设备安全运行。

3.2 铜排流线对芯皮电位差和皮电流的影响

国内已发生多次因电缆双端接地导致故障电流流过电缆屏蔽层而烧毁二次电缆的事故。电力系统通常采用在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜排流线，并使排流线与二次电缆可靠连接。这样短路故障时，由于排流线的阻抗比二次电缆屏蔽层的阻抗小得多，故障电流主要从排流线中流过，而流过二次电缆屏蔽层的电流较小，可以克服电缆双端接地时可能烧毁二次电缆的问题。铜排流线还可以显著降低二次电缆的芯皮电位差。计算结果表明:在电缆沟中与二次电缆平行布置一条6 mm铜排流线芯皮电位差降低至402 V，屏蔽层电流降至53 A。所以加设排流线后的芯皮电位差小于2 000 V，屏蔽层电流小于100 A，可确保二次电缆及二次设备的安全运行。

4 结 论

新立变电站发生工频短路故障时地电位升高达到国家标准的4.2倍，而通过降低接地电阻使地电位升高达到标准在技术和经济上均极不合理。在采取下列措施后，可以在不降低接地电阻的情况下，保证人身和设备安全:

(1)敷设沥高土壤电阻率路面，可以有效地提高人体能够承受的接触电压和跨步电压，保证接地电阻超标接地网内的人身安全;

(2)在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜排流线，不仅可以减小流过屏蔽层的电流，避免烧毁的事故，而且可以显著地降低二次电缆的芯皮电位差，保证二次电缆和二次设备的安全运行。新立变电站在未敷设铜排流线时，二次电缆芯皮电位差超过2 kV，而在敷设6 mm铜排流线后，二次电缆的芯皮电位差降低到402伏，保证了二次设备的安全运行。

［1］中华人民共和国电力行业标准(DL/T621-1997).交流电气装置的接地［S］.北京:中国电力出版社，1998.

［2］于刚.发变电站接地系统的安全性研究［D］.北京:清华大学博士学位论文，2006.

［3］何金良，曾嵘.电力系统接地技术［M］.北京:科学出版社，2007.

［4］鲁志伟，文习山，史艳玲等.大型变电站接地网工频接地参数的数值计算［J］.中国电机工程学报，2003，23(12):89-93.

［5］VanceE F.Coupling to shielded cables［M］.New York，Wiley-Interscience publication，1978.