郑州换流站接地网优化设计

施红，陈政，冯蕾，徐荥

（河南省电力勘测设计院，郑州450000）

郑州换流站接地网优化设计

施红，陈政，冯蕾，徐荥

（河南省电力勘测设计院，郑州450000）

特高压直流换流站占地面积较大，站内存在较大的地电位差，交直流设备的相互影响使得换流站接地网设计存在许多特殊之处。为此，针对常规的设计方法在高土壤电阻率地区接地电阻很难满足规程要求的问题，根据设备安全与人身安全的要求，分析了接地网设计的约束条件，提高了地电位升上限。并结合哈密-郑州直流特高压输电工程郑州换流站的具体条件，对接地网系统的短路电流分流系数进行了详细分析，提出了基于不等间距设计的复合接地网优化布置方案，并通过地网安全分析评估软件，进行了安全性校验，具有重要的工程参考价值。

直流输电；接地电阻；接地网设计；安全校核

接地网是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员安全的重要措施，其最重要的功能就是将故障电流安全地引入地下，限制故障电位上升，控制地表电位梯度以限制跨步电势和接触电势在安全值内[1-5]。接地网接地性能一直受到设计和生产运行部门的重视。随着我国经济的持续、高速发展，变电容量的不断增加，流经变电站地网的入地短路电流也愈来愈大，为了保证电力系统安全可靠运行，要求接地电阻值愈来愈小。然而由于我国可利用耕地资源十分宝贵，目前有许多变电站建在岩土、山石较多的地区，土壤电阻率相对较高。特别对于一些地质条件恶劣、地下水源匮乏的地区，其矛盾更为突出[6-8]。与此同时，我国普遍采用的计算方法越来越不能满足设计要求[9-11]。接地网设计较简单，接地系统设计还处于经验设计阶段，通常利用简单公式及均匀网格的方法，对于发变电站地网降阻也没有较好的方法。常用的扩大地网面积、采用降阻剂或单纯增加垂直接地极的方法，降阻效果并不明显[12-14]。并且接地系统的设计、施工、验收的过程中均以接地电阻为主要内容，而对站址地表的电位分布、接触电压、跨步电压只是简单校核。因此加强对变电站接地系统设计技术研究，在满足变电站跨步电势和接触电势在安全值内的情况下，降低接地系统投资，是十分迫切和必要的。

1 换流站接地网的特殊性及应对措施

哈密-郑州±800 kV特高压直流输电工程计划2014年建成投产，输电规模为8 000 MW。该工程建后，每年可向华中地区输送电量约480×108kW·h，可有效缓解华中地区负荷快速增长和资源总量不足、煤炭供应紧张之间的矛盾。由于直流换流站占地面积较大，直流与交流设备的差异，郑州换流站接地网的设计存在许多特殊之处。

1.1 郑州换流站土壤结构模型

国内接地网设计参照行业标准DL/T621—1997《交流电气装置的接地》中用于接地电阻、接触电势和跨步电压计算的解析式，没有考虑土壤的不均匀性。大型变电站或换流站占地面积很大，故障时故障电流入地较深，深层土壤对接地网接地电阻影响较大，将土壤视为均匀的，可能造成较大的计算误差[15-16]。

郑州换流站站址位于黄淮海平原的黄河南岸，行政区划属郑州市中牟县大孟乡，场地内地基土主要由粉土、粉质黏土及沙层组成。研究精确度高的土壤分层理论和方法是接地系统电气参数计算及优化设计的基础，为了获得精确的郑州换流站土壤结构模型，本文采用四极电测深法，对换流站29个测点进行了勘测，通过对土壤勘测数据进行分析，该测区地层在探测深度范围内，呈现3层电性曲线特征，可以近似使用表1的数据对土壤结构进行模拟。

表1 站址土壤分层电阻率Tab.1Soil layered resistivity

1.2 郑州换流站接地网电位差问题

换流站占地面积大，属于大型接地网。大型接地网存在较大的网内电位差，其值随地网面积的加大，接地导体半径的减小和均压导体根数的减少而增加。短路电流入地点越偏离地网中心，网内电位差就越大。大型接地网面积大，设备众多，故障时电位不均情况严重，因此，大型接地网设计不宜再采用等电位模型进行分析。

换流站接地电位升直接与二次系统的安全性相关。目前我国电力行业标准DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》中要求地电位升IR＜2 000 V。这是由于过去二次设备的绝缘耐压低，从确保二次系统的安全出发进行规定的。经过对换流站内不同短路点位置进行计算，站内两点之间的最大电位差一般不超过地网电位升的40%，从保守的角度出发，认为二次电缆及二次设备的绝缘耐压只有2 000 V，也可以将地电位升放宽到2 000/ 40%=5 000 V。

在接地网设计时，在电缆沟中与二次电缆平行布置一条铜接地带，铜接地带与地网连接，二次电缆与铜接地带可靠连接，这样短路故障时，由于铜接地带的阻抗比二次电缆屏蔽层的阻抗小得多，因此故障电流主要从铜接地带中流过，而流过二次电缆的屏蔽层的电流较小，可以克服双端接地时可能烧毁二次电缆的问题。同时，为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向站外或将低电位引向站内的设施采取隔离措施。

2 入地短路电流计算

最大入地故障电流的计算是变电站接地系统设计的基础，当电网中发生接地短路故障时，并不是全部短路电流都经接地网入地，而仅仅是一部分，另一部分短路电流经与变电站接地网连接的架空线路的避雷线和杆塔接地装置为回路流通。入地故障电流仅指流经变电站接地网的那部分短路电流。从安全角度考虑，架空避雷线分流越多越好，在接地网电阻为定值时，入地故障电流减小，则地电位升高减小，接触电位差和跨步电位差也减小。由此可见，接地网的分流系数越小越好。

接地网分流系数与电缆进线模式、进出线回路数、杆塔的接地电阻、架空地线参数、变电站接地电阻等因素有关。分流系数数值计算基于相参数模型的广义双侧消去法，计算线路故障电流分布采用等值电压源模型，如图1所示。

图1 分流系数计算模型Fig.1Shunt coefficient calculation model

图中：Vs为变电站母线电压；Zs为从母线看系统的等值阻抗；Rg为变电站接地网接地电阻；Rt为杆塔的接地装置接地电阻；Zg、Zp分别为地线和相线自阻抗；Zm为相线和地线间的互阻抗；IG为变电站接地网电流；IF为接地线电流。本文根据郑州换流站实际情况，其交流侧分流系数取0.6，直流侧分流系数取0.7。换流站交流侧入地电流计算式为

式中：If为短路电流；Sf为分流系数；Cp为考虑到系统将来发展的规划系数，本文取1；Df为衰减系数，取决于系统次暂态故障阻抗的X/R之比，通过对典型衰减系数的研究，本文取1.2。通过计算换流站交流侧母线接地短路电流的最大值为51 kA，则交流侧最大入地短路电流值为30.6 kA。

根据工程经验，位于晶闸管阀桥与平波电抗器之间的直流极母线发生接地短路时，直流侧的短路电流最大，其值计算式为

式中：Icrest为直流侧短路电流；IdN为标称直流电流；Id为连续过负荷电流；dx为直流侧感性压降；Udioabsmax为绝对最大空载电压；UdioN为标称理想空载电压。经计算，直流侧最大短路电流值为30.9 kA，考虑分流系数及衰减系数，直流侧最大入地短路电流值为29.66 kA。

3 换流站接地网优化设计

3.1 接地材料选择

目前国内的接地材料主要为铜接地体和热镀锌钢以及正在逐步推广使用的镀铜钢接地体。3种接地材料的技术性能比较如表2所示。

表2 技术性能比较Tab.2Technical performance comparison

通过技术性能比较可以看出，镀铜钢接地体兼具了钢接地体和铜接地体的优点，具有良好的

式中：Sg为接地引下线最小截面；Ig为流过接地引下线的短路电流稳定值；te为短路电流的等效持续时间；C为接地引下线材料的热稳定系数。

经计算，接地极截面Sg≥182.5 mm2。由于铜接地材料无需考虑腐蚀影响，接地装置接地极截面不宜小于连接至该接地装置接地线截面的75%，即选用铜接地材料时，接地网的水平接地极截面不宜小于136.9 mm2。

3.2 接地网优化设计

常用的地网形式可分为方格地网和长格地网。方格地网的设计简单，但边缘部分的电场强度比中心部分高，电位梯度较大，整个地网的电位分布不均匀，接地体材料用量多，经济性差。长格地网泄流效果稍差，但接地材料用量少。长格地网通常在泄流效果差的部分补充采用方格地网。接地系统的优化设计就是在已有接地系统范围的情况下，通过调整水平接地网的接地导体布置确保接地系统达到最大安全。

不等间距地网布置能使入地故障电流密度分布均匀，降低接地电阻，达到降低接触电势与跨步电势的目的，同时可提高电气设备的安全性。按指数规律布置地网导体，距离中心网孔为n级的网孔间距为

式中：C为压缩比；dmax为中间网孔的边长。

按指数规律布置接地网示意如图2所示。

本文结合方格地网与不等间距地网的优点，采用复合接地网方式，以水平接地体为主，垂直接地体为辅。中间部分等间距布置，接地网边沿按不等间距布置水平接地网，并结合2.5 m垂直接地体设计，边沿网格按最优压缩比0.7设计接地体间距，中间网格按16 m布置，接地网优化图如图3所示。发展前景。但受国内电镀技术的限制，目前国内生产的镀铜钢接地体无法保证完全满足国际UL467标准。标准的镀铜钢接地体仍然需要采用进口产品，造成镀铜钢接地体的产品价格偏高。虽然铜材资金投入量略高于钢材料，但其在导电性能、热稳定性、耐腐蚀能力等方面都具有明显优势，综合考虑到特高压直流换流站的特殊性，设计接地材料考虑采用铜材作为主要材料。

依据《交流电气装置的接地》规定：接地体热稳定校核中未考虑腐蚀时，变电所接地引下线的最小截面应满足

图2 接地网示意Fig.2Grounding grid diagram

图3 接地网优化图Fig.3Optimization of grounding grid

4 接地网安全校核

为了验证接地网的安全性，本文利用清华大学开发的地网安全分析评估软件，建立了优化后的地网模型，如图4所示。图4～图8中的3D图形的x、y、z坐标分别代表接地网模型的长、宽、高，单位为m。

图4 三维接地网模型Fig.43D grounding grid model

计算得接地网的接地电阻为0.160Ω，跨步电压和接触电压的允许值分别为385.60V和310.23V。

为了保证接地网在最苛刻的短路条件下仍能保障电气设备及运行人员的安全，考虑最严重的情况，交流侧及直流侧短路电流注入点均在接地网边角位置，分别选择A和B两个短路电流注入点进行模拟计算。注入点A位于500 kV GIS设备区的边角位置；注入点B位于直流场接地网边角位置。具体位置如图5所示。

图5 接地网短路电流注入点Fig.5Grounding short-circuit current injection point

通过接地软件模拟计算得注入点A最大地电位为4860V，满足换流站地电位升不得大于5000V的要求，各点的地电位分布如图6所示。

图6 注入点地表电位图Fig.6Injection point surface potential maps

短路电流在A点注入时，各点跨步电压如图7所示。通过软件计算，最大跨步电压值为82.2 V，小于最大跨步电压允许值。

图7 注入点跨步电压Fig.7Injection point step voltage graph

短路电流在A点注入时，各点的接触电压分布如图8所示。

经计算换流站最大接触电压值为1080V，最大接触电压值超出允许值，因此需要在操作机构四周铺设碎石、砾石或卵石地面，用以提高地表面电阻率，其厚度不应小于20 cm，电阻率约为5 000 Ω·m。此时接触电压允许值提高为1 431 V，最大接触电压满足允许值要求，按同样方法对注入点B进行计算，本文设计的接地网模型也满足安全校核。

图8 注入点接触电压Fig.8Injection point contact voltage graph

5 结语

本文针对特高压直流输电工程换流站接地网设计这一具体问题，提出一种基于不等间距设计的复合接地网优化布置方案。该方案易于实现，满足接触电压与跨步电压的安全校验要求，有效解决了大型接地网存在较大的网内电位差以及高土壤电阻率地区接地电阻很难满足规程要求的问题，具有重要的工程参考价值。

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Optimal Design of Grounding Grid of Zhengzhou Converter Station

SHI Hong，CHEN Zheng，FENG Lei，XU Xing
（Henan Electric Power Survey&Design Institute，Zhengzhou 450000，China）

UHV DC converter station covers a large area，and potential difference in the station is great.Moreover，AC/DC interaction makes grounding grid design of the converter station have specialness.In view of the problem that the conventional design methods are difficult to meet the requirement of specification in high soil resistivity area grounding resistance，and according to equipment safety and personal safety requirement，this paper analyzes the grounding grid design constraint condition and improves the ground potential rise limit.In addition，this paper combines with the specific conditions of Zhengzhou converter in the Hami-Zhengzhou UHV DC transmission project，carries out a detailed analysis of the grounding grid system short-circuit current shunt coefficient，and proposes a layout optimization scheme based on unequal spacing of the composite ground network.Through the ground network security analysis and evaluation software，security checks are carried out and the design is verified to have important engineering reference value.

DC power transmission；grounding resistance；ground grid design；security checking

TM72

A

1003-8930（2014）12-0085-06

施红（1986—），女，硕士，工程师，研究方向为电力系统输变电技术、发变电设计。Email：lindashihong@126.com

2012-12-03；

2013-01-07

陈政（1980—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统输变电技术、发变电设计。Email：losuwing@126.com

冯蕾（1978—），女，本科，高级工程师，研究方向为电力系统输变电技术、发变电设计。Email：fenglei-heny@powerchain.cn