特高压试验基地接地网设计的安全性评价与分析

王少华，孙红燕

(1.中国南方电网超高压输电公司 检修试验中心，广东 广州 510507；2.广东汇安恒达管理顾问有限公司，广东 佛山 528200)



特高压试验基地接地网设计的安全性评价与分析

王少华1，孙红燕2

(1.中国南方电网超高压输电公司 检修试验中心，广东 广州 510507；2.广东汇安恒达管理顾问有限公司，广东 佛山 528200)

特高压试验研究/检修基地包含的电力设备多，对接地网设计的要求高。通过建立地网的导体模型和土壤模型，计算了基地地网接地阻抗以及电位分布，计算了现有模型下的接触电势和跨步电势等参数，来验证设计方案是否满足预期的接地电阻、跨步电压、接触电压的要求，并给出了建议。

接地网；导体模型；土壤模型；接地阻抗；跨步电压；接触电压

1 基本情况

特高压试验基地接地网设计的区域包括试验检修大厅、综合办公楼、备品备件设备库、10 kV配电房4个区域，其地网设计方案能否满足预期的接地电阻、跨步电压、接触电压的要求，关系到人身及设备安全的保障能否顺利实现[1]。本项目通过CDEGS接地软件包仿真计算的方法来检验，可有效计算各种情况下任意由地上或地下的带电导体所组成网络中的电流和电磁场、大地电位及其分布、接地导体(网)电位及其分布[2]。

2 地网模型的建立

2.1 接地导体模型

特高压试验基地充分利用了建筑物基础本身的钢筋结构，其接地导体包括人工敷设的水平和垂直接地体，以及建筑物基础的自然接地体。建筑物基础的自然接地体主要有地梁钢筋、地坪内钢筋以及柱下桩等。

试验基地目前已确定地网设计的区域包括试验检修大厅、综合办公楼、备品备件设备库、10 kV配电房4个区域。4个区域两两之间采用铜带在最近距离相连，实现各区域地网总体电气连接，见图1。

图1 基地各区域分布与增加铜带示意图

特高压试验基地接地网设计方案如下：

1)试验检修大厅地网面积约92.5 m×170 m，人工接地体采用铜材，埋深1.5 m，水平接地体采用截面50 mm×4 mm的扁铜，垂直接地体采用直径为20 mm、长为10 m的垂直铜棒。图2中上半部分试验大厅人工地网的网孔为8 m×8 m，下半部分检修大厅的网孔有11 m×11 m和11 m×10 m两种。同时，为了充分利用建筑物本身的钢筋散流，在地坪内采用截面40 mm×4 mm的扁钢将各基础柱下桩相连，有地梁的部分充分利用地梁。

2)综合办公楼地网面积约62.1 m×45.6 m，地网材料为钢，铺设了14根长为2.5 m的人工垂直接地体，充分利用了地网外周边上的各基础柱下桩。

3)备品备件设备库敷设9 m×18 m的网孔，材料为钢，利用基础柱下桩，未另外敷设人工垂直接地体，地网面积72 m×36 m。

4)10 kV配电房地网面积31 m×17.8 m，外周边敷设了1组长为2.5 m的垂直接地体，同样充分利用了地网上各基础柱下桩钢筋。

在导体建模中，考虑到施工可能会造成有些灌注桩与地网间未实现电气连接，所以仅用1根灌注桩模拟。同样，对于地梁沿线上的柱下桩，从偏向保守的角度进行考虑，如综合办公楼、备品备件设备库地网中，仅考虑了水平导体交点处重点标注地区的柱下桩。试验基地已设计地网整体的接地导体建模，见图2。

图2 地网整体接地导体建模

2.2 土壤模型

试验基地区域的土壤电阻率测量结果显示，试验检修大厅可分为3个电性层：第一电性层底部埋深8～12 m，厚度为8～12 m，平均厚度为9 m，视电阻率最高为100 Ω·m；第二电性层底部埋深12～18 m，厚度为5～10 m，平均厚度为8 m，视电阻率为100～150 Ω·m；第三电性层推断厚度为5～10 m，推断平均厚度为8 m，视电阻率为150～300 Ω·m。该测量结果深度明显不够，只达到了地下20 m，且结果均为视电阻率值，未反演成各层真电阻率。对角线长度达数百米的地网散流时，电流向下流散深度较大，可扩散到数百米。

因此，在无准确土壤电阻率测量数据的基础上，根据视电阻率估计土壤的分层模型，基于试验基地地区浅层土壤电阻率主要在100～200 Ω·m的范围内，且下层稍大的规律，计算了以下2种土壤模型下的接地电阻和电位分布[3]。

土壤模型1：均匀土壤模型，土壤电阻率为100 Ω·m。

土壤模型2：分层土壤模型，表层土壤电阻率为100 Ω·m，厚度为20 m，深层土壤电阻率为200 Ω·m。

3 仿真计算分析

3.1 目标限值

高压实验室接地网的接地电阻在最大地电流下电压降应不大于1.5 kV，且最大不得超过0.5 Ω；接地导体在最大地电流下电压降应不大于36 V，且最大不得超过0.05 Ω。为了站内工作人员的安全，对于发电厂、变电所的接地装置，接触电位差Ut和跨步电位差Us不应超过下列数值[5]。

式中：ρf为人脚站立处地面的土壤电阻率，Ω·m；t为接地短路(故障)电流的持续时间，s。那么在地表电阻率为100 Ω·m，故障电流持续时间为0.5 s时，接触电位差允许值约为270.2 V，跨步电位差允许值约为339.5 V[6]。

由于人体电阻和接触电阻的影响，人体电阻为1 500 Ω时，接触电位差约是接触电势的90.9%，跨步电势差约是接触电势的71.4%。因此，地表电阻率为100 Ω·m时，接触电势和跨步电势的限值分别为297.2 V，475.5 V。

3.2 接地阻抗

现有接地网系统在土壤模型1下，接地阻抗为0.190 Ω；在土壤模型2下，接地阻抗为0.323 Ω，是前者的1.7倍。地网面积越大，电流流散深度越大，深层土壤电阻率的影响也越大[7]。各区域地网的接地阻抗详见表1。

表1 各区域地网接地阻抗 Ω

模型中增加柱下桩或地坪桩个数的影响如下：

如果考虑水平导体沿线的每个柱下桩，对于综合楼办公室，在土壤模型1时其接地阻抗为0.502 2∠1.206° Ω，比现有模型接地阻抗减小10.8%；对于备品备件设备库地网，在土壤模型1时其接地阻抗为0.547∠1.734° Ω，比现有模型接地阻抗减小15.6%。此时，基地地网总体接地阻抗在土壤模型1时为0.186 2∠4.457° Ω，比现有模型接地阻抗减小2.0%；在土壤模型2时基地地网总体接地阻抗为0.318 1∠2.832° Ω，比现有模型接地阻抗减小1.5%。下降百分比相对较低，主要是由于总体地网接地阻抗中，试验检修大厅的影响是主要部分。

对于试验检修大厅，若考虑水平导体沿线的每个柱下桩，在土壤模型1时其接地阻抗比现有模型下减小1.2%，若再考虑沿地梁布置的地坪桩，其接地阻抗比现有模型计算结果小1.6%。影响不大的原因主要是由于现有模型中试验检修大厅面积较大，导体较多，在其中进一步增加导体密集程度则会由于屏蔽效应而对帮助散流的作用不明显。

综上所述，对每个区域均考虑每个柱下桩和地坪桩，则基地总体地网的接地阻抗在土壤模型1下比现有模型减小2.6%，在土壤模型2下比现有模型减小2.1%。在现有建模下进一步增加地梁钢筋的密度对接地阻抗的影响较小。

3.3 电位分布

3.3.1 短路入地电流

试验检修大厅拥有如下主设备：工频试验变压器1台，1 950 kV/3 900 kVA，短路电流为高压侧10 A，低压侧1.896 kA；直流发生器1台，2 400 kV/100 mA，在0.01 s内最大短路电流为10 A；冲击发生器1台，输出电压6 000 kV，波头电阻360 Ω，短路电流5 kA，持续时间不超过100 μs；车间变压器2台，1 600 kVA，短路电流不明。依据上述主设备参数，考虑极端严酷的情况，假设各台设备同时发生短路故障，此时入地电流最大。由于车间变压器参数不明，最大工频入地电流假设为5 kA，持续时间取0.5 s。

3.3.2 基地电位分布

短路电流注入点取冲击发生器接地点，在土壤模型1下入地电流5 kA，试验基地地表标量电势分布、接触电势、跨步电势、导体电位升分布见表2。

由此可见，注入点导体上方地面电位最大，随着电流向外流散，地表电位和导体电位均逐渐降低，地表电位下降更快。接触电势在地网外围离地网越远处由于地表电位下降而越大。但依据接触电势的定义，在地网边界之外只需考虑1 m距离。因而接触电压最大值取为在地网边界线外1 m处接触电势与网孔电压之间的较大值。跨步电势在地网边角处最大。在其余土壤模型下，电位的分布特征与土壤模型1的分布特征一致，只是各点的具体数值会发生变化。在两种土壤模型下的典型电位参数见表2。

表2 5 kA入地电流下基地地网典型电位参数

根据计算结果，可得出以下结论。

1)土壤模型2的底层土壤电阻率比土壤模型1大，因而土壤模型2下的各参数也相比土壤模型1大；土壤模型的差异对接地电阻、导体最大电位升、地表最大电位升的影响较大，对导体电位差影响相对较小。

2)地网跨步电势较小，只有数伏，在安全范围内。

3)接触电势比跨步电势大，接触电势最大值在土壤模型1下和土壤模型2下分别为104.9 V和120.1 V，在安全允许范围内。

4)导体最大电位升在土壤模型1和土壤模型2下分别为948.1 V和1 613.2 V，后者电压降超过了1.5 kV。当然，此值是在多个设备同时发生短路故障入地电流达到5 kA时的结果，若要在土壤模型2下将地网最大电位升限制在1.5 kV，工频最大入地电流不宜超过4.6 kA。

5)总体地网系统导体电位差在土壤模型1和土壤模型2下分别为65.1 V和69.0 V。各区域部分来看，综合办公楼、备品备件设备库、10 kV配电房的导体电位差均在36 V以下，试验检修大厅整体地网电位差略高于36 V，达到了37.9 V。但其中试验大厅部分和检修大厅部分的电位差均在36 V以下。

6)为了确保人身安全，在地网外围有地电位引出处附近路面一般铺设沥青等高电阻率物质，是确保人体即使与地网高电位接触，流经人身的电流也较小的有效措施。

3.3.3 在外围增设1圈铜带后的接地参数

为了进一步减小地网接地阻抗、地电位差以及接触电势，在现有地网外围增设1圈铜带，铜带距离地网边界3 m，埋深1 m，铜带上每隔5 m敷设1根长为2.5 m，直径为20 mm的垂直铜棒，见图1。在外围增设1圈铜带后，基地地网接地阻抗、接触电势等典型参数见表3。

表3 5 kA入地电流下，在外围增设一圈铜带后基地地网典型参数

可见，在地网外围增设1圈铜带，对接地电阻、最大地电位升、最大地表标量电势的影响不大，增设铜带后在两种土壤模型下的接地阻抗分别减小3.2%和2.8%。对电位差的影响相对较大，接触电势下降14%以上，各区域的导体电位差减小20%以上。在地网外围增设铜带后，各部分的导体电位差均在36 V要求范围内。

3.4 导体阻抗

高压试验在试验检修大厅内进行，因而只分析本区域的接地导体阻抗。考虑最严重的情况，以各区域处于对角的两点之间的导体阻抗为对象，结果见表4。

表4 地网对角点之间的导体阻抗 Ω

在基本地网设计下，试验检修大厅地网两对角之间的导体阻抗超过了0.05 Ω，试验大厅两对角之间的导体阻抗也超过了0.05 Ω，检修大厅地网两对角之间的导体阻抗略低于0.05 Ω。在外围增设一圈铜带后，试验检修大厅地网对角两点之间的阻抗稍高于0.05 Ω，但试验大厅和检修大厅各自的地网对角点之间的阻抗均在0.05 Ω以下，满足要求。

从上述仿真数据得出以下结论。

1)基于现有基地20 m深内土壤电阻率测量结果，估计了两种土壤模型。模型1是电阻率为100 Ω·m的均匀土壤模型；模型2是表层厚度20 m电阻率为100 Ω·m，深层无限厚度电阻率为200 Ω·m的水平分层土壤模型[8]。

2)对于基本地网设计，在模型1土壤情况下，地网接地阻抗、最大地电位升、接触电势、跨步电势等参数均在允许范围内。试验检修大厅整体的最大导体电位差达37.9 V，比目标限值(36 V)高5.2%，但试验大厅和检修大厅各自的最大导体电位差则均在36 V以内。在模型2土壤情况下，地网接地阻抗、接触电势、跨步电势均满足要求。最大地电位升仅在短路故障入地电流超过4.6 kA时超过了1.5 kV。试验检修大厅整体的最大导体电位差同样比目标限值(36 V)高5.2%，试验大厅和检修大厅各自的最大导体电位差则均在36 V以内。

4 结论

通过两种基地地网的导体模型和土壤模型的建模，进行相关关键数据对比，验证了特高压试验基地接地网设计方案满足了安全性，达到了设计目的。为了保障人身安全，应尽量避免将地下高地电位引出距离过远，对与地网相连的地下管道采取隔离措施，在地网外围有地面引出设备附近的路面铺设沥青等高电阻率物质。

[1] 林康.变电站接地系统计算研究[D].南宁：广西大学，2011.

[2] 刘冉.基于CDEGS的变电站接地网腐蚀诊断研究[D].济南：山东大学，2014.

[3] 张波.变电站接地网频域电磁场数值计算方法研究及其应用[D].北京：华北电力大学，2003.

[4] 李增.复杂土壤地区接地网电气特性的研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[5] 陈滢.变电所接地网改造前应验算接触电位差和跨步电位差[J].广西电力工程，1999(4)：104-106.

[6] 文志辉，杜水琴.大入地短路电流造成发电厂局部电势超标的研究[J].电力科学与工程，2009(6)：75-78.

[7] 戴玉松.基于冲击电流法测量接地阻抗装置的设计[D].成都：西华大学，2009.

[8] 张波，胡军，马迈周.分层土壤中三维复合接地网分析软件的开发[J].电力勘测设计，2015(3)：66-70.

Evaluation and Analysis of the Security of the Design of the Grounding Grid in the EHV Testing Base

WANG Shaohua1，SUN Hongyan2

(1．Overhauling and Testing Center of the EHV Transmission Company of CSG，Guangzhou Guangdong 510507，P.R.China；2．Guangdong Huianhengda Management Consulting Co., Ltd.，Foshan Guangdong 528200，P.R.China)

There are a lot of power equipment in an EHV testing research/overhaul base，so the design of the grounding grid is demanding．Based on the establishment of the conductor and soil models for the grounding grid，parameters like grounding impedance，potential distribution，contact and step potentials have been calculated to verify whether the designing scheme can meet the expectant requirements of grounding resistance，step and contact voltages．In addition，this paper gives relevant suggestions．

grounding grid；conductor model；soil model；grounding impedance；step voltage；contact voltage

2016-05-20

王少华(1982-)，工程师，研究方向为电力工程技术和输配电技术。

TM862

A

1008- 8032(2016)05- 0038- 05