110 k V国贸城变电站接地网优化设计

商 华，马秋良

（1.河北省电力公司沧州供电分公司，河北省沧州市永济西路21号 061001；2.华北油田第三采油厂监测大队，河北省河间市曙光东路 062450）

接地网设计中如果考虑不全面、施工不精细、测试不准确、接地电阻不合格等原因，则可能造成接地系统电位分布不均，局部电位超过规定的安全值，造成高电压、大电流窜入直流系统、继电保护系统、击穿保护二次电缆致使保护设备发生误动、拒动，还可能因反击对低压或二次设备以及电缆绝缘造成损坏，酿成事故，甚至是扩大事故，由此带来巨大的经济损失和社会影响，故接地网对电力系统的安全稳定运行起到非常重要的作用。为了达到电力系统安全稳定运行的目的，必须使接地装置的接地电阻达到较低的值，确保短路电流及雷电流的安全扩散，对于变电站接地装置，在工频对地短路时，要保证流过接地网的电流I在地网上造成的电位升高不致太大，还应该保证变电站人员的跨步电压和接触电压不超过运行值的要求。

从保证安全出发，在中性点有效接地系统中，要求接地装置的接地电阻R应满足：IR≤2000 V（其中I为入地短路电流，R为接地电阻）。由于接地体的电抗相对于电阻来说通常可忽略不计，因此其阻抗通常用电阻来表示，对于低于0.5Ω的大型接地网，以及用于冲击或脉冲电流的接地装置应用阻抗表示。如果土壤电阻率太高，允许将R值提高到R≤5Ω，在这种情况下必须校验人身和设备安全。

变电站接地网的设计方案、接地导体和接地极材质的选用等应因地制宜。变电站接地网除应利用自然接地极外，应敷设以水平接地极为主的人工接地网，接地网均压带采用等间距或不等间距布置，有效接地系统中，变电站接地网在发生接地故障后地电位升高超过2 000 V时，接地网及有关电气装置应符合：保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧采用TN系统，且低压电气装置应采用保护等电位联结接地系统；采用扁铜或铜绞线与二次电缆屏蔽层并联敷设，扁铜较长时，应多点与接地网连接；评估计入短路电流非周期分量的接地网电位升高条件下，变电站10 k V金属氧化物避雷器吸收能量的安全性；还应验算接触电位差和跨步电位差，并应通过实测加以验证。

1 接地材料的选择

1.1 地址勘测资料

在《国贸城110 k V输变电工程岩土工程勘测报告》中提到：根据本次勘测成果，拟建场地20 m深度范围内未见地下水位。由于地下水埋藏较深，可不考虑地下水对地基基础和设计施工的影响。根据本次勘测结果及附近已有工程资料，地基土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，拟建站址区场地土壤标准冻结深度为0.6 m。

1.2 接地材料选择的注意事项

在接地网设计时，在测量土壤电阻率的同时，应该测量该土壤对铜、钢和镀锌钢的腐蚀速率，并按预期内则使用年限，考虑一定的裕度系数，计算按腐蚀要求所选择的导体截面积，然后与按热稳定要求所选择的导体截面积相比较，取二者较大者作为设计值。布置接地网时，尽量避免将电极电位差较大的金属导体相连接或靠近，以减小腐蚀速率。

对接地体的选择应进行技术经济的全面分析比较。目前世界上普遍采用的接地网导体是铜和钢两种，以前国外大多采用铜接地网。铜抗腐蚀能力强，但与接地网连接或相邻的设备外壳、架构基础、电缆皮等都是钢铁或铅做成的，它们会与铜构成原电池，加速腐蚀。考虑到未镀锌的钢铁在土壤中的腐蚀率为铜的4～5倍，而镀锌钢的腐蚀速率一般为铜的1～2倍(但腐蚀严重的地区的钢和镀锌钢接地材料的腐蚀要比铜严重的多)，目前，我国一般采用镀锌钢做接地材料。但从美国等多年来铜接地导体的运行情况看，由铜接地导体引起的附近钢筋基础的腐蚀问题并不突出，加之铜接地网基本可以做到免维护，因此铜接地材料一次建设投资高，但从长远运行的技术经济分析来说，采用铜接地材料比钢材料优。

1.3 接地网设计的一些规程规定

国贸城110 kV变电工程的方案是国家电网通用设计A3-3方案，即变压器布置于室外，其它设备均布置于综合配电楼内，按照国家电网公司《变电站全寿命周期设计建设技术导则(试行)》中要求，接地材料的选型要充分考虑土壤的腐蚀状况，户内变电站的接地材料与建筑物使用寿命相匹配。在《河北省电力公司输变电工程提高设计使用寿命实施方案(试行)》中规定户内、半户内变电站选用铜质接地材料，使用寿命按60年设计，选用铜覆钢接地材料时，应结合站址土壤特点，经过计算分析，合理选择铜覆钢截面和铜层厚度。

以腐蚀深度表示的腐蚀率就是在单位时间内被腐蚀金属的厚度变化。以工程观点看，腐蚀深度的程度，可用来预测接地体的使用寿命，因为接地体腐蚀到一定深度后，流过短路电流时，在电动力的作用下可能发生断裂，影响故障电流的散流，造成事故。这种腐蚀率表示方法能直观地反映出全面腐蚀的严重程度，具有更大的实际意义。其腐蚀率表示为:

式中:KH为深度腐蚀率，mm/a;KW为腐蚀率，g/(cm2·h);d为金属密度，g/cm3;W1，W2为腐蚀前后金属的质量，g;S被腐蚀金属的面积，cm2;t为腐蚀时间，h。

查阅国家电网公司企业标准《电气工程接地用铜覆钢技术条件》(Q/GDW 446-2010)，参考美国国家标准局在1910～1955年间所做的土壤埋置试验中的数据，铜的腐蚀速率为0.001 mm/a，对于电化学加速腐蚀速度试验，铜覆钢在不同土壤中的腐蚀速度参考，对于弱腐蚀的土壤中，电化学加速腐蚀试验结果中，对于采用冷拉铜包钢的化学测试的腐蚀速度为0.003 mm/a，对于采用水平连铸铜包钢的的化学测试的腐蚀速度为0.013 mm/a。在标准中规定“各类型的铜覆钢铜层厚度不应低于0.25 mm”。

为了比较各种金属的耐腐蚀性能和选材上方便，根据金属腐蚀率的大小，可以将金属材料的耐腐蚀性能分成为若干等级，但目前国际上还没有统一的标准，我国金属耐腐蚀性能的四级标准如表1所示。

表1 我国金属耐腐蚀性能的四级标准

由于目前工艺限制，套管冷拉铜覆钢产品易出现铜层不连续，影响接地装置使用寿命，本工程站址的土壤腐蚀性为微腐蚀，因此在本工程中拟选用CCSLZ30-40×4做为接地材料，以上述腐蚀速度为依据，选用铜覆钢铜层为0.25 mm，经计算，铜层腐蚀需要60多年，超出《河北省电力公司输变电工程提高设计使用寿命实施方案(试行)》中的要求。

2 铜覆钢接地材料的截面选择

2.1 计算

由国家电网公司企业标准Q/GDW 466-2010得知，故障电流试验中10 s融化电流的计算公式为:

式中:I为电流的有效值，kA;A为导体横截面积，mm2;Tm为允许的最高温度，铜覆钢取1 084℃;Ta为环境温度，一般取40℃;αr为参考温度为Tr时的电阻温度系数，一般取20℃的电阻温度系数，铜覆钢为0.00378/℃;ρr为参考温度为Tr时的电阻率，取20℃电阻率，μΩ·cm;K0为1/α0或1/α20，铜覆钢取245℃;tc为通电时间，s;TACP为热容系数，铜覆钢为3.846J/(cm3·℃)。

I为故障电流的有效值，短路计算中流经本站接地装置的电流为7.8 kA，由上述数据计算出导体的横截面积:A=150 mm2，本工程初步设计选用截面为160 mm2，满足上述要求。

2.2 确定接地材料的截面

按照《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T 50065-2011)的规定，计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程的设计使用年限相当，接地装置的防腐蚀设计，宜按当地的腐蚀数据进行，在腐蚀较严重地区，敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或地面上的接地线，宜采用热镀锌，对埋入地下的接地极宜采取适合当地条件的防腐蚀措施。接地线与接地极之间的焊接点，应涂防腐材料。

本工程资料未提供当地的腐蚀数据，从本工程的《工程勘测报告》中提供数据知，站址所处位置为弱腐蚀性，土壤电阻率为106Ω·m，参照国家电网公司企业标准Q/GDW 466-2010的试验数据，本站接地网地下部分选用CCSLZ30-40×4铜覆钢材料，地上部分选用60×6镀锌扁钢。

3 接地电阻的计算

3.1 本变电站允许的接地电阻值

《交流电气装置的接地设计规范》中要求，在有效接地系统和低电阻接地系统中，接地网的接地电阻应满足R≤2000/IG(IG是接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值)，经计算:R≤0.26Ω。

3.2 接地网的接地电阻值计算

本次初步设计中，国贸城110 kV变电站的围墙尺寸为:65 m(长)×35 m(宽)，本变电站的接地网是以水平接地极为主边缘闭合的复合接地网，人工接地网的外缘闭合，外缘各角应做成圆弧形，圆弧的半径不小于均压带间距的一半，接地网内敷设水平均压带，埋设于冻土层以下。本站水平接地极拟采用-40×4铜覆钢排，垂直接地极采用∅20，长2.5 m铜覆钢棒，整个接地网敷设在距地面以下0.8 m。依据本站站址处的设计标高，需垫土2.5 m，所垫土壤为粉质粘土，《国贸城110 kV输变电工程岩土工程勘测报告》中在层底埋深1.50～3.00 m处为新近沉积黄土状粉质粘土，层厚一般为1.50～3.00 m，这样与所垫土质相同，在接地网铺设的地方为均匀土壤，不存在分层。接地网接地电阻的计算按照《交流电气装置的接地设计规范》中要求进行，经计算接地网的接地电阻为0.97Ω，大于规范要求中的接地电阻。

2.3 接触电压及跨步电压的计算

1)允许的接触电压及跨步电压。110 kV及以上有效接地系统在发生单相接地或同点两相接地时，变电站接地网的接触电位差和跨步电位差不应超过由《交流电气装置的接地设计规范》中公式计算所得的数值，经计算本变电站接触电位差允许值为349 V，跨步电位差允许值为453 V。

2)计算的接触电压及跨步电压。本站接地网是按照均压带非等间距布置进行接地网地表面的最大接触电位差和最大跨步电位差进行计算的。经计算本站最大接触电势和最大跨步电压值分别为227 V、449 V，接触电势和跨步电压均满足要求，不需采取特别措施。

2.4 选用接地材料的热稳定计算

按照《交流电气装置的接地设计规范》的规定:在有效接地系统及低电阻接地系统中，发电厂、变电站电气装置中电气设备接地线的截面应按接地短路电流进行热稳定校验。

本计算按照《交流电气装置的接地设计规范》及《电气工程接地用铜覆钢技术条件》进行，铜覆钢的热稳定系数是基于700℃的取值。

本工程的接地材料为:地下部分采用30%导电率，截面为40×4的铜覆钢，地上部分采用60×6的镀锌扁钢，经校验，铜覆钢材料截面大于81 mm2，镀锌扁钢材料截面大于167mm2即可，本工程选用的材料均满足要求。

2.5 校验变电站内的3～10 kV阀式避雷器

本站内10 kV避雷器按通用设备选型，10 kV侧配置YH5WZ-17/45型氧化锌避雷器，其主要技术参数见表2。

表2 10 kV氧化锌避雷器主要技术参数

经校验变电站内的3～10kV阀式避雷器不动作，不需考虑降阻措施。

4 经济比较

国家电网公司基建设计【2012】136号文规定:变电站接地装置的全寿命周期按60年考虑，一般碱性地区(pH＞7，土壤电阻率＞20Ω·m)铜覆钢与热镀锌钢、铜的全寿命周期经济性对比分析，其中热镀锌钢的一次性寿命按照15年(根据文献统计，一般腐蚀性区域热镀锌钢使用10～15年后，腐蚀严重需开挖检修或重新铺设，因此，技术经济分析选取15年计算)，铜覆钢和铜按60年计算。表3为热镀锌钢、铜覆钢、铜使用项目对比表。

表3 热镀锌钢、铜覆钢、铜使用项目对比

由表3得知，使用铜覆钢全寿命周期的材料费，与镀锌钢相比可节省47%以上，相同的设计寿命下，与铜相比可节省20%左右。与热镀锌相比，使用铜覆钢接地网，不仅设计寿命提高，全寿命周期材料费降低，而且大幅减少了接地网开挖检修的次数和维护费用，隐形的全寿命周期经济性更大;与铜相比，使用铜覆钢不仅全寿命周期经济性好，而且节约了战略性铜材，铜覆钢是变电站接地网理想的资源节约型材料。

5 结束语

变电站接地装置的腐蚀以至接地电阻的变化是不可避免的，分析研究土壤电化学性能和腐蚀状况，采取相应的对策措施是行之有效的。城市变电站正向小型化发展，但是接地网面积减小，使接地电阻偏大，系统短路电流增大，使接触电势、跨步电势升高，这些将影响安全，需引起重视。接地网的设计要根据区域的地质条件，以最高性能价格比来设计其接地网，同时应采用新技术和新材料。接地技术是一门多学科的综合技术，故在今后的工作中去研究，在实践中不断探索，以使其更加趋于完善，保证变电站设备的安全稳定运行，建议如下:一是强管理，对主网系统的地网状态定期分析研究;二是对土壤特性加以分析研究，加强运行中的监测和控制;三是选择合适的接地材料，重要枢纽站建议采用铜地网结构;四是改善施工工艺，改进接地装置的结构布置。

［1］ 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册［M］.北京:中国水利电力出版社，2008.

［2］ 解广润.电力系统接地技术［M］.北京:中国水利电力出版社，1985.

［3］ 国家电网公司.Q/GDW 466-2010电气工程接地用铜覆钢技术条件［S］.北京:中国电力出版社，2010.

［4］ 李景禄，胡毅.实用电力接地技术［M］.北京:中国电力出版社，2002.