浅论110kV变电站接地网的优化设计

杨 凯 姬悦心

（1.国网陕西省电力公司经济技术研究院 2.陕西送变电工程有限公司）

0 引言

电力设备能够正常的运行，保证工作人员的人身安全，接地装置是非常关键的设备。近年来，电力行业发展较快，提升了电力系统电压等级和容量，如果发生故障问题，不仅通过接地网流散的电流会不断地上升，接地网电位也会增加，接地网本身是一种不外露的工作，再加上人们对于该问题不是很重视，接地网施工本身不细致，测量缺乏准确性等原因，从而导致各种事故的发生，系统不能正常的运行，甚至会造成设备受到损坏。

接地系统优化设计的目的就是合理地布置接地网中的水平导体，根据导体泄漏电流密度分布、土壤表层电位分布情况，进一步地发挥导体的价值性作用，从而有效降低接触电位差和跨步电位差，对人身及设备的安全更具有保障性作用。根据工程的具体情况，电力系统如果为安全运行状态下，能够有效减少接地网工程费用和造价，因此，对变电站接地网设计时运用的接地网设计方案更为经济、合理。此次以某地区110kV变电站作为研究主要内容，将系统最大入地短路电流、土壤电阻率值等方面作为依据，对此变电站接地网的设计进行了最大优化，并且校核了接地网的接触电位及跨步电位的差，另外，针对各个布设方式的经济性实施了比较，总结出最为合理的优化设计方案。

1 变电站接地网设计约束

1.1 接地网电阻允许值

将本次选取的某地区110kV变电站电气设备作为依据，针对该城市供电公司发策部给予的相关资料，计算了此站的短路电流，获取的最大入地短路电流是8.2kA。以我国电力行业接地相关要求规定，该地区110kV变电站接地网电阻值需要符合下列公式的要求：

该式当中：R-充分的考虑了季节系数变化的最大接地电阻值，Ω；

I-计算为流经接地装置的入地短路电流，A。

系统也在日益更新，在这个过程中短路电流在不断的增大，接地电阻想要符合允许值范围存在一定的难度，因此，在DL／T621-1997中明确要求，借助技术经济对比，可以对接地电阻值适当的增加，然而，不能大于5Ω，还需要以6.2.2条的要求进行校验工作的开展。通过对规程进行对比，直接接地及小电阻接地系统中接地电阻的取值要求没有强制性的规定。再者，由于系统容量也有所变大，国内的一些变电站短路入地电流甚至超过了30kA，虽然让R减少到了0.5Ω，地电位也上升到15kV，然而，从具体的运行情况来看，地电位上升为14.5kV也不会对人身和设备的安全造成影响［1-2］。

1.2 接触电位差和跨步电差允许值

此次研究中，将我国电力行业接地规程要求作为参考，110kV变电站的有效接地系统，6～35kV低电阻接地系统方面，如果出现两种情况，如单相接地或者是两相接地，发电厂及变电所两者之间接地装置接触电位差及跨步电位差应该小于下列数值：

上述式中：Ut、US、ρs、t分别表示接触电位差、跨步电位差、人脚站立位置地表面的土壤电阻率、接地短路电流的持续时间 （s），主要有主动保护动作时间、断路器失灵保护时间等，此次设计中的取值时间是0.6s。

接触电位差和跨步电位差本身对人身安全有着直接的影响。所以，在建设变电站过程中，设备支架与构架附近和道路需要进行碎石、沥青等的铺设，这样才能让表层土壤电阻率得到提升，最终提高接触电位差及跨步电位差允许值。

此次研究的110kV变电站和其他不同，该变电站在室内，在计算设计时，变电站表层和土壤电阻率范围值取值为1500Ω.m，所以，该地区的110kV变电站接触电位差是553.84V，跨步电位差是1580.18V。

1.3 接地材质和截面的确定

目前国际上主要使用的接地材料以铜、钢为主，我国使用的接地网材料主要为碳钢，这是由于钢和铜相比，前者成本费用比较低，而且钢的矿藏量比较多，在具体工作当中，对导体材料进行选取时，需要对导体热稳定性等进行充分的考虑，还应该根据实际情况对材料进行有效的选取。

另外，系统如果存在接地故障问题，接地网经过的短路电流比较大，所以，需要进一步的检验相关的接地体实施热稳定性，未充分考虑腐蚀的状态下，接地导体最小截面面积需要根据下式进行计算：

上述式中：Sg、Ig、te、C分别代表各不同，具体为接地导体的最小截面面积、流过接地导体的最大接地故障不对称电流有效值、接地故障的等效持续时间以及接地导体材料的热稳定系数。

以该地区的110kV变电站实况为出发点，有效选取了水平接地网材质，紫铜排范围是5×40，角钢是此次选择的垂直接地极材质，范围是L50×50×50。

2 变电站接地网的优化设计

2.1 确定土壤电阻率

测量土壤电阻率时，使用了四极法。以勘测结果为出发点，对场地进行了拟建，地层结构相对比较简单，而且分布具有一定的连续性，其稳定性非常理想。计算土壤等电阻率时，对相关数据进行了测量，最终得知140.54Ω.m，在设计计算方面，想要提升其安全性，对等值电阻率取得裕度，并且对接地网设计进行计算，最终土壤等值电阻率取值范围是150Ω.m。

2.2 计算等间距接地网设计

该地区的110kV变电站接地网面积是45m×75m。对变电站接地网进行设计时，其均压导体布设等间距不同，分别为3m、5m、7m、10m，如今，设计水平接地网是15×25、9×15、5×8等间距进行了布设，复合接地网在水平接地网的水平接地网的节点处进行了垂直接地极的焊接，其长度值为2.5m，然后根据各种布设方式，计算了水平接地网及复合接地网，结果如表1。

表1 接地网等间距布置计算结果

从表1我们得知，复合接地网和水平接地网进行比较，接地网接地电阻值明显减小，并且让接触电位差及跨步电位差发生了改变，所有差均减少，因此，均压效果十分理想，能够有效保障人身安全和设备的完好性，水平地位15×25等间距布设复合接地网，可以让接地电阻值与该地区110kV变电站接地网接地电阻值的要求、接触电压差、跨步电压差与允许值的要求相匹配。复合接地网当中，水平地位9×15等间距布设的复合接地网，接地电阻值与接地电阻允许值的要求虽然不匹配，然而，其接地电阻值却没有超过0.5Ω，针对接触电位差和跨位电位差两方面进行了校验，两者和接触电位差、跨步电位差允许值是完全相匹配的。因此，以上的敷设方式从接地网设计要求角度来讲是可行的，该地区110kV变电站接地网的设计方案的选择，这两种布设方式均可。

2.3 计算不等间距接地网设计

通过研究发现，水平接地网运用等间距布设方式过程中，因为端部及邻近效应，其边角位置泄漏电流比中心位置更大，这无疑会导致电位部分存在很大的差异性，边角网孔电势和中心网孔电势进行比较，前者更高，因为差值比较大，所以，接地网面积和面孔数也会因为其的增加而发生改变，接地网运用不等间距布设和等间距布设对比，可以让接地网电位分布得到有效的改善［3］。

图1为不等间距的长方形接地网，图中n1是接地网宽，长方向上导体根数为n2。关于接地网宽及长方向上的第i段导体长度Lik占边长L的百分数Sik计算时，可以按下式进行计算：

上述式中：L-接地网边长，长方向，L＝L1；宽方向，L＝L2。

图1 不等间距布置的长方形接地网

接地网不等间距布设网孔边长及接地网边长的关系以DL／T621-1997《交流电气装置的接地》附录B作为此次的参考依据，并且与式 （5）相结合，让我们得知接地网不等间距布设每个网孔的边长值，分析计算结果是将表1作为参考依据，对比了复合接地网和水平接地网，其优势更为显著。所以，计算了不同设计方案的参数。

根据文中的接地网接地电阻允许值、接触电位差允许值、跨步电位差允许值等相关参数可知，对于此次研究的110kV变电站接地网接地电阻允许值方面，水平接地网 5×15、5×16、6×12、6×13、7×11、8×8不等间距布设的复合接地网中的任何一个设计方案都无法达到上述允许值的要求，但是对于接地电阻小于0.5Ω的要求是完全相匹配的，而且其接触电位差及跨步电位差满足了校验的规定。所以，对上述水平接地网不等间距布设复合接地网与接地网设计要求是相符合的。

2.4 设计方案经济性比较和方案确定

此次对水平接地网设计过程中，选取的材质为铜排，垂直接地极使用的材质是角钢，因为铜排成本费用比较高，所以，以安全性为基础，需要对经济性问题进行充分的考虑。接地网布设方式符合要求的需要实施经济性比较，这样得出的接地网布设方式性价比才最高。统计了不同接地网布设方式，见表2。

表2 不同布设方式的材料统计

如果运用的设计方案为常规设计方案，那么，此次研究的110kV变电站接地网，9×15等间距布设是最为适应的水平接地网，再者，对于水平接地网而言，所有节点位置焊接长度范围在2.5m。因此，在此基数上对不等间距布设方案的经济性问题进行深入的分析，并且进行了对比，让其使用的铜量及钢量进一步的减少。因为铜排和角钢的成本费用比较高，所以我们应该高度重视经济性问题，将铜排节约量作为依据，不管是任何一种布设方式的不等间距复合接地网，我们必须充分地考虑经济性方面。对于此次研究的110kV变电站接地网，如果选择设计方案，6×12不等间距布设的复合接地网是目前最为科学、合理的方案。

3 结束语

此次研究将复合接地网和水平接地网进行了对比，可以让接地电阻值、接触电位差、跨步电位差同时降低，一定程度地调整了接地网电位分布，所以，使得接地网运用不等间距布设效果更为显著；设计变电站接地网过程中，还需要对工程造价等进行充分的考虑，才能提高其性价比。