帽沿式均压带在地网优化设计中的应用

律方成，贾立莉，王 平

（华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定071003）

帽沿式均压带在地网优化设计中的应用

律方成，贾立莉，王 平

（华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定071003）

针对高土壤电阻率地区变电站设备场区跨步电压和接触电压偏高的问题，基于接地分析软件CDEGS数值计算，对某110 kV半户内式GIS变电站接地网进行了优化设计。通过仿真计算，提出在高土壤电阻率地区，GIS变电站水平接地网采用双层设计，并利用长垂直接地极降低变电站接地电阻，在GIS变电站接触电压偏高的区域加设帽沿式均压带以降低接触电压。通过对比加设帽沿式均压带前后接地网的接触电压和跨步电压，分析了帽沿式均压带的导体埋深、间距、长度及均压带形状等因素与均压效果的关系。通过分析计算，提出了合理选择和布置均压带的方法，并给出了GIS变电站接地网优化设计方案。

帽沿式均压带；局部均压；接触电压；接地网

0 引言

近年来，由于土地资源短缺，大城市中征地困难，使得城区内变电站的面积越来越小，户内和半户内变电站的应用越来越广泛。然而，由于户内变电站面积小，因此在土壤电阻率较高的地区其地网接地电阻很难达到要求，而在国内大范围推广爆破接地技术、降阻剂和采用离子接地极等降阻方式成本又比较高[1]。根据交流电气装置的接地设计规范，当接地电阻不能满足要求，而接地网其他参数，如接触电压和跨步电压符合一、二次设备运行和人员安全要求时，可适当提高接地电阻的限值[2]。选择合适的均压带间距、地网边角做成圆弧形、铺设砾石和沥青混凝土等方式都对降低接触电压和跨步电压极为有效，但即使采取上述措施，如果故障电流较大，一部分变电站的接触电压值仍然超标。

文献[3]以某变电站简化参数为基础研究了均匀地质条件下垂直接地极对系统接地电阻与接触电压的降低作用，但未考虑分层土壤情况下垂直接地极的作用。文献[4]根据淄博220 kV千峪变电站站址的地质和地形条件，结合深孔爆破接地技术对变电站接地网进行改造，并得出长垂直接地极能有效降低接地电阻，改善地表电位分布的结论，但对于变电站面积小，下层土壤电阻率高的地区长垂直接地极降阻效果仍不明显。文献[5]对典型高土壤电阻率站址220 kV变电站进行改造，通过水平外扩地网技术和接地深井降阻技术对比，阐明了安全性和经济性平衡的设计理念；采用了四角网格加密的形式，有较好的均压效果，但使用导体数量较多，施工不方便，经济性较差。文献[6]根据220 kV荷花变电站站址土壤和地形条件研究了双层接地网的均压作用，但双层地网对于变电站局部接触电压和跨步电压较高的情形不具有经济性。帽沿式均压带适合局部均压使用，通常被装设在变电站大门口处、经常有人出入的走道处和独立避雷针附近，施工方便，应用广泛，研究其均压作用具有重要的实际意义[7-11]。

笔者以一个110 kV半户内GIS变电站（以下简称变电站）为例，采用CDEGS接地分析软件，对其单层接地网进行优化。优化时水平接地网采用双层设计，并利用长垂直接地极降低降低变电站接地电阻。在此基础上，在GIS变电站外围等接触电压偏高的区域加设帽沿式均压带以降低接触电压，并着重分析了帽沿式均压带的埋深、间距、长度、形状等因素对均压作用的影响，提出帽沿式均压带作为辅助均压措施的重要性及合理选择和布置均压带的方法，并给出该变电站接地网优化设计方案。

1 变电站基本情况及地网安全性分析

变电站采用半户内布置，110 kV户内GIS、10 kV开关柜、电容器接地变及消弧线圈成套装置均布置在倒“L”形生产综合楼内，主变采用户外布置，综合楼和主变四周环绕站内人行道，右侧人行道旁有消防泵房及水池。总面积2 283.8 m2。变电站地下0.8 m敷设58.5 m×36 m主地网，主地网网格节点处均敷设2.5 m短垂直接地极，其中水平接地体采用60 m×6 m的热镀锌扁钢，垂直接地极采用50 m×5 m的热镀锌角钢。拓扑结构俯视图如图1所示。

图1 变电站接地网拓扑结构俯视图Fig.1 Topology structure planform of the substation grounding grid

主变压器远期3×63MVA本期1×63MVA，110 kV出线远期4回本期1回，10 kV出线远期36回本期12回。远景规划的变电站最大单相接地短路入地电流为7 kA。所在站址周围的视在土壤电阻率通过温纳四极法测量[7]，并利用CDEGS软件的电阻率分析模块RESAP分析反演得到4层水平分层土壤结构模型，计算结果见表1。土壤分层情况比较明显：表层土壤电阻率在100 Ω·m以下，但厚度较薄；下层土壤电阻率在300～500 Ω·m之间，总厚度9.19 m，土壤条件不太理想；底层土壤电阻率较小，适合采用10 m及以上长垂直接地极。

表1 变电站站址土壤分层结构计算结果Table 1 Simulation for the soil structure of the substation site

经计算，此单层接地网的接地电阻为1.665 Ω，地网导体地电位升（GPR）最大值为11 654.25 V，接触电压和跨步电压最大值分别为3 392.09 V和1 064.08 V。交流电气装置的接地设计规范中要求接地电阻R≤2 000/I，最大的地网导体地电位升为5kV，接地网参数远远不能满足安全性要求。

[3]～[5]中垂直接地极的降阻作用和文献[6]中双层地网的均压特性，对地网进行第一次优化。采用地下0.8 m敷设58.5 m×36 m主地网，地下5.8 m（配电楼条基二次浇灌层以下）敷设42m×24m（网格间距6 m）的二层地网，并用接地引下线与主地网连接。地网外缘均匀布置13根10 m长垂直接地极（消防泵房处2根），其余节点保持2.5 m垂直接地极不变。

在MALZ模块中输入地网导体参数和土壤结构，建立接地网导体矩阵拓扑图并进行计算，得到变电站的接地阻抗计算值为0.834 Ω，最大接触电压1198.38 V，跨步电压393.62 V。不同土壤条件下接触电压和跨步电压的安全限值如表2所示。显然，即使敷设砾石或沥青混凝土，优化后接触电压仍不能满足地网安全性要求，而跨步电压能够满足要求，优化地网时可不考虑跨步电压。

表2 不同土壤电阻率条件下接触电压、跨步电压安全限值Taleb 2 Safety value of contact voltage and step voltage under different soil resistivity

考虑到接地网安全性、经济性相平衡的设计理念，需要分析地网接触电压分布，得到地网接触电压值偏高区域，以便确定经济合理的优化方案。图2为单相故障接地时场区接触电压二维分布图，由图2可知，场区内接触电压呈现与接地网金属网格相同的分布规律，接地网边缘尤其四角处接触电压较高，因此接触电压主要考察围墙内设备场区可能发生接地短路的设备区域以及四角接触电压值的最高点处。

图2 单相故障接地时场区接触电压二维分布图Fig.2 2D distribution map of touch voltage for grounding fault of single-phase

超出安全阈值的接触电压如图3所示，由图3可知，在变电站围墙内部的场区，除了四个圆弧边角处外，接触电压已经满足地网的安全性要求。为了保障站内人员不会发生接触电压触电，需要进一步降低边角处的接触电压值。考虑加长四角处的垂直接地极，并采用帽沿式均压带以限值意外大电流情况下的接触电压。下面研究帽沿式均压带导体埋深、间距、长度及形状等因素与接触电压和跨步电压的关系，以寻求最优的均压设计方案。

图3 单相故障接地时超出安全阈值的接触电压二维分布图Fig.3 2D distribution map of touch voltage beyond the safety value for grounding fault of single-phase

2 帽沿式均压带的均压作用分析

帽沿式均压带采用梯级敷设形式，并与主地网连接。图4为帽沿式均压带的俯视图和I-I剖面图，其中1号、2号导体以主地网为基准逐级敷设，距主地网的水平距离和埋深依次增加，即：1号导体距主地网间距为1～2 m，埋深为1～1.5 m；2号导体距主地网间距为2～4 m，埋深为1.5～2 m。图5为常见的帽沿式均压带形状示意图，其中a、b分别为半边式结构和对称式结构的六边形帽沿式均压带，c、d分别为半边式结构和对称式结构的八边形帽沿式均压带。a、c的形状分别是b、d对称结构中的一半。

图4 帽沿式均压带结构示意图Fig.4 Structure of bongrace type uniform voltage band

图5 不同形状的帽沿式均压带Fig.5 Different shapes of bongrace type uniform voltage band

2.1 局部均压作用

在第一次优化后地网场区内右上角接触电压最高点附近加设一个如图5所示的半边式六边形帽沿式均压带，并对改善后的地网进行计算。

加设帽沿式均压带后，接地网接地电阻值为0.833 Ω，与原地网相比下降了约0.12%。图6是加设帽沿式均压带改善地网之后场区接触电压分布图。对比图2和图6可以看出，加帽沿式均压带前后，场区内的接触电压分布基本不变，地网内部的接触电压值也无明显降低。然而，观测区域为包括接触电压最高点和帽沿式均压带在内的局部区域时，可见地网右上角接触电压最高点处的接触电压从1 198.38 V下降到1 190.24 V。这说明在某处加设一个帽沿式均压带对整个地网接触电压的电压分布没有明显的改善效果，但对于其附近局部区域的接触电压是有一定的改善效果的。

另外，通过改变观测区域发现：加设帽沿式均压带前后，在接触电压最高点处，接触电压由1 198.38 V降低至1 190.24 V，降低约8.14 V；仅在帽沿式均压带处，接触电压由909.75 V降低至779.6 V，降低约130.15 V；在接触电压最高点和帽沿式均压带之间，接触电压由1 078.52 V降低至1 024.58 V，降低约53.94 V。因此，离帽沿式均压带越远，帽沿式均压带对该处所带来的均压效果越不明显，敷设时应在超标区域就近敷设帽沿式均压带。

图6 改善后地网场区接触电压二维分布图Fig.6 Touch voltage distribution of improved grounding grid

2.2 导体埋深对均压效果的影响

取导体间距、长度、形状等完全相同的同种帽沿式均压带，加设位置在地网的右上角处，其中1#导体的埋深分别为1 m、1.3 m、1.5 m，2#导体的埋深分别为1.5 m、1.7 m、2 m。加设均压带后场区内该区域接触电压和跨步电压分别如表3、表4所示。分析表格可知，该区域的接触电压随导体埋深增加而增加，而跨步电压与导体埋深的关系不大。因此，敷设帽沿式均压时，可将导体浅埋以达到更好的均压效果，但1号导体的埋深不宜高于地下1 m，2号导体的埋深不宜高于地下1.5 m。

2.3 导体间距对均压效果的影响

在地网的右上角处分别加设埋深相同，各级导体间距不同的同种帽沿式均压带，其中1号导体与主地网导体的间距记为d10，取值分别为1、1.5、2，1号与2号导体的间距记为d12，取值1、1.5、2。

表3 导体埋深变化时降低接触电压的效果比较Table 3 Comparison of the effect on touch voltage decrease when the conductor buried depth changes

表4 导体埋深变化时降低跨步电压的效果比较Table 4 Comparison of the effect on step voltage decrease when the conductor buried depth changes

表5和表6分别为导体间距改变时，帽沿式均压带降低接触电压和跨步电压的效果比较。由表5、表6可知，当1号、2号导体间距均增加时，接触电压和跨步电压值呈下降趋势，但接触电压下降明显。1号与主地网导体之间距离增加时，接触电压平均下降9.3%，1号与2号导体之间间距增加时接触电压则平均降低10.1%，显然1号与2号导体间距的变化对接触电压值的影响更大。这是由于导体间距增加时导体间屏蔽作用减小，使帽沿式均压带的散流能力增加，均压效果也随之增强。

表5 导体间距改变时降低接触电压的效果比较Table 5 Comparison of the effect on touch voltage decrease when the conductor spacing changes

表6 导体间距改变时降低跨步电压的效果比较Table 6 Comparison of the effect on step voltage decrease when the conductor spacing changes

2.4 导体长度对均压效果的影响

当帽沿式均压带的埋深、导体间距都相同时，应用导体长度不同的帽沿式均压带，分析比较降低场区内该区域接触电压和跨步电压的效果，如表7所示。

显然，均压带的降压效果与其导体长度有关，导体长度越大，接触电压和跨步电压值越小。但导体长度并不是越长越好，应综合考虑地网网格间距、地网经济性和安全性等因素合理选择。

表7 导体长度变化时降低接触电压、跨步电压的效果比较Table 7 Comparison of the effect on touch voltage and step voltage decrease when the conductor length changes

2.5 均压带形状对均压效果的影响

对如图5所示的四种不同形式的均压带，采取相同的导体埋深、间距和长度，计算接地网的接触电压和跨步电压。为了使结果更明显，仅将帽沿式均压带处作为观测区域，该区域接触电压和跨步电压计算结果汇总在表8中。

由表8可知，四种帽沿式均压带降低跨步电压的效果相近，但对于接触电压来说具有明显差异：对称式结构的接触电压值低于半边式结构，八边形结构的接触电压值低于六边形结构。尤其是加设对称式八边形帽沿式均压带时，接触电压为779.6 V，较第一次优化后该处的接触电压909.75 V降低约130.15 V。这说明在1号、2号导体长度相等的情况下，对称八边形结构的帽沿式均压带降低接触电压的效果最好。

地网中加设一个半边式六边形帽沿式均压带时所用导体总长度为1 436.3 m，而加设半边式八边形帽沿式均压带时导体总长度为1 435.1 m。二者在材料用量方面基本相同，但六边形帽沿式均压带由于导体数量较少，施工相对方便。选择时根据经济性、安全性平衡的原则进行选择。

表8 帽沿式均压带形状不同时降低接触电压、跨步电压的效果比较Table 8 Comparison of the effect on touch voltage and step voltage decrease when the shape changes

2.6 小结

综上所述，帽沿式均压带不能显著降低接地网的接地电阻，而其均压效果主要体现在它对接地网局部区域接触电压的降低上。以上研究表明：帽沿式均压带的均压效果与其导体的埋深、间距及长度有关，导体埋深越浅，间距越大，长度越大，降低接触电压的效果越好；帽沿式均压带的均压效果与其形状有关，在1号、2号导体长度相等的前提下，对称八边形帽沿式均压带降低接触电压效果最好。

帽沿式均压带的降压范围大约在8.1～16.7%之间，均压作用具有一定局限性，并不能大范围、大幅度地降低接触电压，因此不能作为主要均压措施使用来降低整个地网的接触电压水平。

3 地网的最终优化方案

以敷设砾石表面时的接触电压和跨步电压限值为安全值确定该110 kV GIS变电站接地网的最终方案。第一次优化后，地网接地阻抗计算值为0.834Ω，最大接触电压1198.38V，跨步电压393.62V。地网内部接触电压值满足安全限值要求，接地网边缘尤其是四角处出现接触电压高值点，地网四角处接触电压值超标594.98 V；整个场区范围内跨步电压满足要求。

由于帽檐式均压带均压作用的局限性，此时单纯的添加帽沿式均压带并不能使接电压降低至安全范围以内。因此需要增加地网四角处8根长垂直接地极的长度至20 m，先将地网接触电压水平降低至安全值附近，再辅助以帽沿式均压带，进一步保障意外情况下站内人员、设备的安全。增加四角长垂直接地极的长度后，地网最大接触电压为698.08 V，四角处的接触电压仍与安全值有94.68 V左右的差距，可在地网四角各放置一个帽沿式均压带。其中，1号和2号导体的埋深分别为1 m和2 m，1号导体与接地网的间距为2 m，1号与2号导体间距为2 m。地网四角处水平网格尺寸在6 m左右，因此选择1号导体长度为2 m，2号导体长度为3 m。经计算，加设对称六边形帽沿式均压带即可将最高接触电压降低至579.8 V，满足安全限值要求。

最终优化方案：优化后的地网为上下双层结构，地网外缘均匀设置13根长垂直接地极，其中四角圆弧处的8根垂直接地极长20 m，其余5根长10 m，其他节点处均为2.5 m短垂直接地极。地网外缘四角处接触电压偏高区域敷设帽沿式均压带，站内人行道及外缘接触电压偏高区域敷设砾石等高阻层。优化后地网拓扑结构如图7所示。优化后，经CDEGS仿真计算得到地网最大接触电压为579.8 V，整个地网场区范围内包括四角处的接触电压均达到603.4 V以下。变电站接地电阻虽然仍在0.833 Ω，但其接触电压和跨步电压都在安全范围以内，达到了提高接地网安全性的目的。

图7 优化后接地网拓扑结构Fig.7 Structure of the improved grounding grid

4 结论

通过模拟计算和分析，并结合工程实例验证，得出如下结论。

1）帽沿式均压带不能降低地网接地电阻。其均压作用具有一定的局限性，工频接地故障情况下，其均压作用主要体现在对接触电压的降低上，但只能降低地网的局部接触电压。在对该110 kV GIS变电站地网进行优化设计时，帽沿式均压带降压幅度8.1%～16.7%之间，幅度较小，因此接触电压高于安全值16.7%以上时，帽沿式均压带不宜单独作为一种均压措施来使用，需要与其他降阻、均压方式配合使用。

2）帽沿式均压带的均压效果与导体埋深、间距、长度及形状有关：导体埋深、间距和长度越大降低接触电压的效果越好；在1号、2号导体长度相等的前提下，对称式、八边形帽沿式均压带降低接触电压效果最好。

3）针对单相接地故障时接触电压水平偏高的问题，可采用长垂直接地极、双层接地网、敷设帽沿式均压带、敷设绝缘地面等措施，或将几种措施结合使用。

4）对于该110 kV GIS变电站接地网局部接触电压超标的问题，有针对性地提出在超标区域增加长垂直接地极长度，加设帽沿式均压带等措施，整改后接地网安全性显著提高，达到了地网安全性要求。

参考文献：

[1]郝帅.高土壤电阻率地区牵引变电所降低接地电阻的措施[J].电瓷避雷器，2015（2）：124-127.HAO Shuai.Discussion on Measures to Reduce the Grounding Resistance of Traction Substation in High Soil Resistivity Areas[J].Insulators and Surge Arresters，2015（2）：124-127.

[2]GB/T50065-2011，交流电气装置的接地设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.GB/T50065-2011，Code for Design of Ac Electrical In⁃stallations Earthing[S].Beijing：China Planning Press，2011.

[3]曾嵘，何金良，等.变电站接地系统中垂直接地极作用分析[J].中国电力，2000，33（5）：62-65.ZENG Rong，HE Jin-liang，etal.Analysis on the Design of Short Vertical Grounding Rods Using-Numerical Algo⁃rithm[J].Electric Power，2000，33（5）：62-65.

[4]何金良，曾嵘，高延庆，等.长垂直接地极改善接地网电气性能的作用[J].高电压技术，2000，26（1）：51-53.HE Jin-liang，ZWNG Rong，GAO Yan-qing，etal.Effects of Long Vertical Grounding Electrodes on Improving Elec⁃tical Property of Grounding Grid[J].High Voltage Engi⁃neering，2000，26（1）：51-53.

[5]李谦，张波.接地网设计理念及其工程实践[J].中国电力，2014，47（11）：40-45.LI Qian，ZHANG Bo.Design and Engineering Practice of Substation Grounding[J].Electric Power，2014，47（11）：40-45.

[6]沈扬.变电站接地均压研究[D].杭州：浙江大学，2008.SHEN Yang.The Equalization Potential Research to the Transformer Substation Grounding[D].Hangzhou：Zhejiang University，2008.

[7]李谦.电力系统接地网特性参数测量与应用[M].北京：中国电力出版社，2013.LI Qian.Measurement and Application of Characteristic Parameters of Grounding Grid in Power System[M].Bei⁃jing：China Electric Power Press，2013.

[8]李谦.发电厂和变电站接地网安全性状态评估[M].中国电力出版社，2013.LI Qian.Safety State Evaluation of Grounding Grid in Pow⁃er Plant and Substation[M].China Electric Power Press，2013.

[9]宋景博，潘文霞，王冰，等.考虑接触电压的风电机组接地网优化设计[J].电瓷避雷器，2013（6）：56-60.SONG Jing-bo，PAN Wen-xia，WANG Bing，etal.Opti⁃mization Design of Wind Turbine Grounding Grid Consid⁃ering Tough Voltage[J].Insulators and Surge Arresters，2013（6）：56-60.

[10]张波，何金良，曾嵘.电力系统接地技术现状及展望[J].高电压技术，2015，41（8）：2569-2582.ZHANG Bo，HE Jin-liang，ZENG Rong.State of Art and Prospect of Grounding Technology in Power System[J].In⁃sulators and Surge Arresters，2015，41（8）：2569-2582.

[11]宋雅楠，王林，黄帅，等.500kV变电站局部接地改造[J].电瓷避雷器，2016（2）：90-93.SONG Ya-nan，WANG Lin，HUAGN Shuai，etal.Im⁃provement of Local Grounding in 500kV Substation[J].In⁃sulators and Surge Arresters，2016（2）：90-93.

Applications of Bongrace Type Uniform Voltage Band in Optimal Design of Grounding Grid

LÜ Fangcheng，JIA Lili，WANG Ping
（Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense,North China Electric Power University,Baoding 071003,China）

Aiming at problem of high step voltage and touch voltage in equipment area of substation located in the region with high soil resistivity,the optimal design of a 110 kV GIS substation grounding grid is carried out based on grounding analysis software CDEGS.By simulation calculation,it is proposed to use double-decked horizontal grounding grid in high soil resistivity area,and to use long vertical grounding electrodes to reduce grounding resistance.In order to reduce the voltage level,bongrace type uniform voltage band is needed at the areas of high touch voltage.In addition,the dependence of grading effect on buried depth,conductor spacing,conductor length,and shape is analyzed by comparing of touch voltage before and after laying the bongrace type uniform voltage band.Through analysis of the calcula⁃tion results,a reasonable method to choose and install the bongrace type uniform voltage band is proposed and an optimal design scheme of grounding grid of GIS substation is provided.

bongrace type uniform voltage band；local voltage equalization；touch voltage；ground⁃ing grid

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.005

2016-06-03

律方成（1963—），男，硕士，主要从事电气设备绝缘机制，电气设备在线监测与故障诊断等方面研究。

中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号：2014MS90）。