500 kV GIL管廊接地系统分析

赵新宇，张益赓，贾振宏，张瑞永，吴述关，谭沛文

(1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102； 2. 东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096)

0 引 言

目前，城市用电需求越来越大，而大规模发电装置通常远离负荷中心，需要长距离、高可靠和高效的特高压输电线路[1-4]。由于采用架空线的特高压长距离输电线路的铁塔很高、导线束很大，受场地限制，不能在任何地方都实现。而气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line，GIL)具有输电容量大、占地少、维护量小、环境影响小等显著优点，逐渐成为特殊环境下替代架空线路的首选。

类似于输电线路接地系统，GIL的接地系统对GIL稳定运行起着重要作用，它直接影响管廊内部工作人员的生命安全，对地面上的行人也有着影响。目前的研究主要是针对GIL外壳环流和外壳接地[5-7]，对于GIL接地系统少有涉及。

基于某实际GIL综合管廊工程的设计参数，采用CDEGS软件，建立GIL管廊三维仿真模型，研究分析接地网的深度、入地点的个数、混凝土电阻率、是否考虑钢筋主结构等因素对GIL系统接地电阻、接触电压、跨步电压以及电位升的影响，从经济和安全的角度提出最合适的接地结构。

1 GIL接地模型

1.1 舱内结构及模型

GIL管廊建于地面下2 m处，总长度为330 m，混凝土墙壁厚度为0.25 m。管廊内有500 kV单回路交流输电线路，布置在管廊的左侧，沿管廊每隔20 m设置长0.843 m的金属支架，GIL本体放置在金属支架上，相间距为0.85 m。金属支架固定于混凝土墙壁，并与接地母线相连，接地母线通过接地引线与管廊底部的接地网相连接。

图1 GIL舱结构断面

接地母线和接地引线均采用截面为50 mm×5 mm的铜排，接地网埋设在GIL管廊下方，面积为3 m×330 m。接地网横向取20根导体棒，纵向取7根导体棒。此外铜排接地干线两端引出与接地网相连，铜排与接地网不少于2个连接点[9]，这里取在前端位置连接。

根据实测数据和软件仿真的结果，将土壤电阻水平分为1层，土壤电阻率为28 Ω·m。

根据上述条件，基于仿真软件CDEGS建立GIL管廊接地模型，接地系统局部截面图如图2所示，其管廊局部截面图如图3所示，混凝土电阻率取值范围为500～20 000 Ω·m[8]，接地网的深度取在GIL底部下侧0.8～2 m处，观测面设置在管廊隧道底部，距离地面深度为5.45 m。

1.2 接地系统电气特性分析

基于上述GIL模型，将短路入地电流激励设在接地网前端入地点上，设置短路入地电流激励因子为10 kA，计算接地系统电气特性参数；设置混凝土电阻率为3000 Ω·m，计算接地系统的接地电阻值为0.125 1 Ω。

观测接地网电气特性参数，其跨步电压分布如图4所示，跨步电压最大值为282.76 V，主要分布在管廊的末端，中间管廊处跨步电压很低，分布也比较均匀。

图2 GIL接地系统Y-Z平面

图3 GIL管廊三维平面

图4 接地模型跨步电压云图

接触电压分布如图5所示，可以看出，接触电压的最大值为480.668 V，位于两边的入地点附近，远离入地点的方位，接触电压逐渐减小。

地面最大电位升为530.245 V，与接触电压相似，随着远离入地点的方向，地电位升逐渐降低，如图6所示。

图5 接地模型接触电压云图

图6 接地模型地电位升云图

根据IEEE标准计算的接触电压和跨步电压的安全阈值如表1所示。根据表1可知，在故障切除时间为0.250 s和0.500 s时，最大跨步电压和接触电压小于允许的最大限值。所以，接地网设计总体符合计算要求，是较为接近实际的一种模型。

表1 CDEGS 电气特性安全阈值标准

2 接地网的组成对接地特性参数的影响

2.1 入地点的个数对接地特性参数的影响

由于工程要求，此GIL接地系统的入地点不少于2个，将多个入地点加入系统中，为电流提供了多个路径，起到了一定的分流作用。入地点个数对接地系统电气特性的影响如表2所示。

随着入地点个数的增加，接地电阻、接触电压、跨步电压、地电位升会略微下降，但下降幅度很小。入地点个数对接地特性参数基本没有影响。

2.2 地网的深度对接地特性参数的影响

出于人身安全考虑，设计院一般规定的标准为接地网距离GIL管廊底部0.8 m以上[10]。这里的GIL接地网沿着GIL管廊铺设，埋设的难度不大，所考虑的接地网距离GIL底部0.8～2 m。接地网入地深度对接地系统特性的影响如表3所示。可以看出，随着接地网入地深度的增加，接地电阻值分别下降了2.7%、4.6%、8.2%、10.39%、11.83%，接触电压、跨步电压、地电位升也有明显下降。接地网入地深度对接地网特性的影响较大。

表2 入地点个数对接地系统接地特性的影响

表3 接地网与GIL管廊距离对接地系统接地特性的影响

3 混凝土结构钢筋对特性参数的影响

3.1 混凝土电阻率对接地电阻的影响

混凝土中主结构钢筋可形成2个竖直平面的辅助接地系统，起到了良好的分流效果。同时混凝土的电阻率与周围水分联系紧密，会在晴天与下雨天有所不同[9]。表4为不同混凝土电阻率条件下接地系统的接地电阻，其接触电压、跨步电压分别如图7、图8所示。

表4 混凝土电阻率对接地系统接地电阻的影响

由计算结果可知，当混凝土电阻率由3000 Ω·m下降为1200 Ω·m时，接地电阻下降了7.3%；当混凝土电阻率由3000 Ω·m下降为500 Ω·m时，接地电阻下降了14.2%。接触电阻下降对接触电压和跨步电压也有较大影响，当混凝土电阻率由3000 Ω·m下降为1200 Ω·m时，接触电压最大值由480.67 V下降为368.41 V，跨步电压最大值由282.78 V变为188.8 V。当混凝土电阻率降低时，接地网的电阻值降低，从而导致接触电压和跨步电压减小。

3.2 不考虑混凝土主结构钢筋对接地系统的影响

断开混凝土主结构钢筋与铜排接地干线和接地网的连接，计算接地网电气特性，结果如表5所示。

表5 钢筋结构对接地系统电气特性的影响

同考虑主结构钢筋作为辅助接地系统时相比，不考虑主结构钢筋时的接地电阻值升高了约13.6%，跨步电压、接触电压、地电位升的最大值在相同条件下分别增加了45.6%、81.9%和103.78%，超过所允许的最大接触电压限值。这是因为主结构钢筋镶嵌在混凝土里组成辅助接地网，辅助接地网与接地网串联形成接地系统。不考虑主结构钢筋时，入地电流的路径减少，接地系统的接地电阻值增加，导致了接触电压、跨步电压和地电位升的增加。根据上述分析可知，钢筋混凝土结构可以有效降低接触电压、跨步电压和地电位升，在实际应用中应该考虑。

4 结 语

针对某500 kV线路改迁工程的GIL管廊接地系统进行了分析研究，主要分析了GIL在故障情况下的接触电压、跨步电压、地电位升，研究了入地点个数、接地网的入地深度、混凝土电阻率和混凝土钢筋结构对接地网特性的影响，结果表明：

1)入地点个数对接地特性影响很小，一般设置2个比较好。

2)接地网的埋设深度对接地特性影响较大，接地网埋设越深，接地电阻、接触电压和跨步电压越小，但是综合成本考虑最好埋设在GIL管廊底部1.2～1.5 m处。

3)在考虑钢筋支撑结构的条件下，混凝土电阻率对接地特性影响很大。GIL接地设计时不可忽略钢筋主结构对接地系统的影响。