220 kV变电站接地系统设计方案优化分析

杜商安，丁子娴，杨建华

(1.河北省电力勘测设计研究院,石家庄 050031；2,国网河北省电力公司石家庄供电分公司,石家庄 050051)



220 kV变电站接地系统设计方案优化分析

杜商安1，丁子娴1，杨建华2

(1.河北省电力勘测设计研究院,石家庄 050031；2,国网河北省电力公司石家庄供电分公司,石家庄 050051)

以某220 kV变电站为例，结合该变电站内各电压等级的短路电流水平、系统中性点接地方式及保护配置存在差异的特点，将变电站内接地系统分区建设，实现接地系统的精细化设计。将传统接地系统设计方案与优化后的设计方案进行对比，结果表明优化后的设计方案能够节省接地材料、降低投资成本。

接地系统；地网布置；精细化设计

1 概述

变电站的接地系统是变电站设计的重要部分，接地系统合理与否关系着站内设备寿命和运行维护人员的生命安全。目前变电站内接地系统的设计大都比较保守，设计思路过于粗放，提高了接地系统工程造价。

以下将以某220 kV变电站为例，在保障接地系统安全的前提下，介绍变电站接地网精细化设计。规划规模：3×180 MVA主变压器，220 kV出线4回，110 kV出线12回，35 kV出线12回。变电站围墙内占地1.89公顷。变电站系统远景年(2025)，短路电流周期分量起始有效值：220 kV对称接地短路为39.10 kA；220 kV不对称接地短路42.22 kA；110 kV对称接地短路24.55 kA；110 kV不对称接地短路27.67 kA。

根据站址土壤勘测报告，站址区浅部地层岩性以第四系冲洪积成因的粉土及砂土为主，土壤具有中度腐蚀性，本站接地材料采用扁紫铜。

2 传统接地系统设计方案

传统接地系统设计，选择站内远景年最大短路电流作为全站故障电流，以后备保护时间作为故障电流持续时间，具体方案如下。

2.1 短路电流稳定值的确定

GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》 附录E，表E.0.2-1规定有效接地系统流过接地线的短路电流稳定值选择：三相同体设备应选择单相接地故障电流；三相分体设备应选择单相接地或三相接地流过接地线的最大接地故障电流[1]。

由短路电流周期分量起始有效值可知，220 kV系统短路水平最大，且设备为分体设备，故短路电流稳定值采用42.22 kA。

2.2 故障电流时间确定

根据《电气工程设计手册电气一次部分》要求，切除故障电流的时间：

t=继电保护主保护动作时间(s)+断路器全分闸时间(s)+(0.3～0.5 s)

220 kV变电站主保护动作时间约为15～20 ms，断路器开断时间按50 ms考虑，考虑一定裕度，t值按0.65 s进行计算。

2.3 接地材料截面的确定

根据热稳定条件，要求接地导体的最小截面积S应符合下式：

(1)

由2.1知Ig=42 220 A, 由2.2知te=0.65 s,铜材的C值为210；

可得Sg=162.1 mm2,考虑铜地网腐蚀0.02 mm/a，地网设计寿命为40 a，接地引下线的截面不小于197.4 mm2，选择40 mm×5 mm扁紫铜。

根据GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.3.5条规定：在有效接地系统及低电阻接地系统中，发电厂和变电站电气装置中电气装置接地导体(线)的截面，应按接地故障(短路)电流进行热稳定校验。接地装置接地极的截面，不宜小于连接至该接地装置的接地导体(线)截面的75%。结合铜排规格，站内设备、支架引下线选择40 mm×4 mm扁紫铜。

2.4 接地网的布置

站内主接地网采用等距地网，采用12 m×12 m的网格，地网外边缘距围墙1 m，地网的四角采用圆弧过渡，将降低地网边缘的跨步电压及接地电势。主接地网本期一次性建成，并建设本期设备及构支架引下线，经计算所需接地材料见表1。

表1 传统方案接地材料统计

名称规格/mm长度/m主接地网40×43500设备及构支架引下线40×54500

3 接地系统设计优化

接地系统优化设计思路为， 220 kV变电站内各配电装置的短路电流水平不同，且中性点接地方式与保护配置不一样，因此考虑将变电站接地网分区域建设，以达到节省投资的目的[2-5]。考虑到主变压器为重要设备，将其归于220 kV配电装置区，变电站接地分区统计情况见表2。

表2 变电站接地分区统计情况

区域编号区域范围面积I220kV及主变压器区0.84(44%)II110kV配电装置区0.56(30%)III35kV及站前区0.49(26%)

3.1 短路电流稳定值的确定

I、II区短路电流稳定值的确定，根据GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》附录E，表E.0.2-1规定，站内I、II区内短路电流稳定值分别为42.22 kA和27.67 kA。

III区故障电流稳定值的确定，GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.3.5条规定：校验不接地、谐振接地和高电阻接地系统中，电气装置接地导体(线)在单相接地故障时的热稳定，敷设在地上的接地导体(线)长时间温度不应高于150 ℃，敷设在地下的接地导体(线)长时间温度不应高于100 ℃。

中性点不接地系统，单相接地系统允许继续运行不超过2 h，单相接地故障电流为相电容电流的3倍。本站低压35 kV出线均为电缆出线，《电气工程设计手册电气一次部分》公式：

Ic=0.1UeL

(2)

式中：Ic为电缆线路的电容电流，A；Ue为系统的额定电压，kV；L为电缆线路的总长度，km。

35 kV侧每段母线考虑带出线8回，单回出线长度1.5 km考虑，则

Ic=0.1*35*8*1.5=46.2 A

考虑变电站电容电流附加值13%，则Ic=52.2 A,故III区故障电流稳定值Ig=3Ic=156.6 A。

3.2 故障电流时间确定

GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》附录E规定变电站的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后背保护断路器失灵保护和自动重合闸时：

te=tm+tf+t0

(3)

式中：tm为主保护动作时间，s，tf为断路器失灵保护动作时间，s，t0为断路器开断时间，s。

变电站的继电保护装置配置有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=t0+tr

(4)

式中：tr为第一级后备保护的动作时间，s。

220 kV系统采用2套速动主保护，切除故障电流的时间te按式(3)计算。主保护动作时间约为15～20 ms，断路器失灵保护动作时间约为0.3 s，断路器开断时间目前暂按50 ms，因此，切除故障电流的时间te约为0.37 s，考虑一定的裕度，按0.4 s进行计算。

110 kV系统采用1套速动主保护，切除故障电流的时间te按式(4)计算。断路器开断时间取50 ms，第一级后备保护的动作时间取0.5 s，因此，切除故障电流的时间te为0.55 s，考虑一定的裕度，按0.6 s进行计算。

3.3 接地材料截面的确定

a. I区接地材料截面选择

要求接地导体的最小截面积S应符合式(1)，由3.1可知Ig=42 220 A, 由3.2得te=0.4 s,铜材的C值为210；可得Sg=127.5 mm2,考虑铜地网腐蚀0.02 mm/a，地网设计寿命为40年，接地引下线的截面不小于162.1 mm2，选择40 mm×5 mm扁紫铜。按照 GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.3.5条规定，I区主接地网选择40 mm×4 mm扁紫铜。

b. II区接地材料截面选择

接地导体的最小截面积S应符合式(1)，由3.1知Ig=27 670 A, 由3.2得te=0.6 s,铜材的C值为210；可得Sg=102.1 mm2,考虑铜地网腐蚀0.02 mm/a，地网设计寿命为40年，接地引下线的截面不小于136.2 mm2，选择40 mm×4 mm扁紫铜。按照 GB 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.3.5条规定，II区主接地网选择40 mm×3 mm扁紫铜。

c. III区接地材料截面的选择

当按 70 ℃的允许载流量曲线选定接地线的截面时对于敷设在地上的接地线，应采用流过接地线的计算用单相接地故障电流的 60% ；对于敷设在地下的接地线，应采用流过接地线的计算用单相接地故障电流的75% 。

由3.2结论，引下线通过的故障电流为Ig=156.6*0.6=94 A,主接地网通过的故障电流为Ig主=156.6*0.75=117.5 A，根据铜排的载流量可知III区引下线和主接地网均可选用最小规格的铜排15 mm×3 mm扁紫铜即可。

优化方案接地材料截面选择见表3。

表3 优化方案接地材料统计

配电装置区域主接地网/mm引下线/mmI40*440*5II40*340*4III15*315*3

3.4 接地网的布置

接地网的布置同原设计方案，各配电装置区接地材料使用量见表4。

表4 优化方案变电站接地材料统计

配电装置区域主接地网型号/mm长度/m主接地网型号/mm长度/mI40*4150040*52000II40*3100040*41500III15*3100015*31000

4 方案比较

加拿大CDEGS软件的计算结果显示，接地材料截面的变化，对变电站内接地电阻、跨步电压、接触电势均等电气参数均不产生影响。

传统方案与优化方案的垂直接地极及热熔焊点的量均一致，对优化前后所采用的接地材料及施工费用进行比较：传统方案铜接地材料及安装费用合计为106.37万元，优化方案为86.76万元，投资节省19.60万元，节约比例达到18.43%。

5 结束语

利用220 kV变电站不同配电装置短路水平不同、且故障电流持续时间不同的特点，将接地网分区优化设置，能显著节约投资成本，避免资源浪费，具有积极的社会意义。变电站占地面越大，优化方案的优势越明显，以上优化方案文对220 kV以上高电压等级变电站具有一定的借鉴作用。另外，随着短路电流水平提高，一些变电站接地网不满足热稳定的要求，建议地网改造时，分区考虑，精细化设计，在满足接地要求的前提下，减少改造工作量，降低投资成本。

[1] GB/T 50065-2011,交流电气装置的接地设计规范[S].

[2] DL/T 5222-2005,导体和电器选择设计技术规定[S].

[3] 电力工程电气设计手册-电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1984.

[4] 许 颖.中性点不接地和消弧绕组接地电力系统中单相接地引发相问短路的探析[J].上海电力,2004,12(3):212-215.

[5] 刘延慧.浅谈变电站接地电阻与接地网设计[J].学术研究,2010,12(10):266-267.

本文责任编辑：杨秀敏

Optimization Analysis on Design of 220 kV Substation Grounding System

Du Shangan1，Ding Zixian1，Yang Jianhua2

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031,China;2.State Grid Hebei Electric Power Company Shijiazhuang Power Supply Branch, Shijiazhuang 050051,China)

Taking a 220 kV substation as an example,with the differences among the short-circuit current levels,system neutral piont treatment and the protection configurating of 220 kV substation,partition constructed on the grounding system,realize the fine design of grounding system,saving grounding material, saving the cost of investment.

grounding system; layout of grounding grid layout ;detailed design

2016-04-19

杜商安(1983-)，男，工程师，主要从事变电站电气一次设计工作。

TM63，TM76

B

1001-9898(2016)05-0042-03