特高压变电站接地优化设计

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0 引言

随着我国特高压电网建设的不断推进，“八交八直”的特高压电网框架逐步形成，大量的特高压变电站也将投产运行。特高压系统的电压等级高、容量大，因此接地短路电流将相当大[1-4]。为保证电力系统的安全可靠运行，对接地系统的要求将更加严格。特高压变电站接地系统的设计应充分考虑特高压电网的特点，在满足安全和经济的原则上对接地设计不断优化。

接地网的优化设计就是合理布置接地网中的水平导体，得以均匀导体的电流散流密度以及接地网地表的电位分布，提高导体的利用率，更好地确保人身和设备安全。文献[5-6]考虑冻土层的影响，接地网埋设深度均建议超过1 m。文献[7-10]中德国的Sverak 最早提出不等间距概念，加拿大的Dawalibi 在20 世纪70 年代末也展开了接地网水平导体优化布置的探讨，而陈先禄教授率先提出了均匀土壤中采用不等间距布置接地网均压导体的规律，其他学者也探讨了均匀土壤和双层土壤中接地网的优化布置。文献[11-17]探讨了垂直接地极在接地网中的应用。

本文以某1 000 kV 特高压变电站为例，考虑变电站实际占地面积和几何结构，结合地季节因素，在接地系统设计中对接地网埋深、不等间距布置、垂直接地极进行了优化。通过优化设计改善接地系统电位分布的不均匀性，降低接触电压和跨步电压，确保故障时的人身安全。同时均衡电位，降低故障时二次电流施加在二次设备上的过电压水平，提高电气设备的安全性。

1 接地模型建立

1.1 接地尺寸的确定

某1 000 kV 特高压变电站1 000 kV 和500 kV 配电装置均采用户外GIS（气体绝缘封闭组合电器）设备，1 000 kV 配电装置布置在站区东部，500 kV 配电装置布置在站区西部，采用一列式布置。主变压器采用单相自耦变压器，布置在站区中部。变电站围墙内东西向最大长度431 m，南北向最大长度268 m。变电站电气平面布置图如图1 所示。变电站内区域按照上述尺寸敷设接地网。

图1 1 000 kV 特高压变电站电气平面布置

1.2 土壤模型的确定

对于该变电站土壤模型的确定，本文选择对称四极法来测量土壤电阻率。在变电站站址选择东西和南北2 条相互垂直的测量线，并选择足够长的测量线，至少达到变电站所占范围边长的2 倍。对比不同观测线的数据，如果相互垂直方向的2 条观测线数据差异不大，那么说明探测深度范围内土壤各向异性不严重，可以把土壤看成是水平分层的多层土壤。依据该变电站4 个不同测试点的电阻率，其电阻率范围在1 000～6 000 Ωm，结合地质报告资料及对当地土壤情况的搜资，计算中采用电阻率如表1 所示。

2 特高压变电站接地优化设计

2.1 接地埋深优化

特高压变电站占地面积较大，接地网设计比较复杂，为优化接地设计，可对问题进行简化研究。以特高压变电站占地面积为参考，建立一个450 m×300 m 的等值尺寸接地网，网格边长为20 m，共有40 根接地铜导体组成，导体截面为160 mm2，入地电流取31.5 kA，接地网模型见图2。

表1 土壤电阻率取值

图2 450 m×300 m 的等值接地网

改变水平接地网埋深，采用CDEGS 仿真计算，分析埋深对接地电阻的影响，结果见图3。

图3 埋深对接地电阻的影响

埋深对接触电压、跨步电压和GPR（地电位升）的影响如表2 所示。

由表2 可知，最大接触电压随水平接地网埋设深度的增加先减小后增加，在1 m 左右存在极小值，但是在0.8～1.2 m 范围内最大接触电压变化不大。由于在所分析范围内，除了最大跨步电压，水平接地网埋设深度对接地网接地性能其他各项指标的影响很小，而最大跨步电压值本身就很小，因此最大接触电压成为主要考虑因素，且埋深减小有利于降低施工难度，也能节省一部分接地引下线，故这里选择0.8 m 作为水平接地网埋深。

表2 1 000 kV GIS 变电站接地网埋深对接地网性能的影响

2.2 接地网不等间距优化

接地系统优化的目的是使接地系统的地表电位分布均匀，接地系统的接地电阻、地表最大接触电压及跨步电压最小。所以，非均匀土壤中接地系统优化的思路就是寻找一种合理的接地系统水平接地导体的排列方式，在这种接地系统布置方式下，接地系统表面的电位分布最均匀，接地系统的接地电阻、地表的最大接触电压和最大跨步电压达到最小值。

研究发现，按指数规律布置地网导体不仅能够降低地表电位梯度，也可以很大程度上降低跨步电压和接触电压，同时它也被证明是一种安全、经济的设计方法。针对该变电站，当给定地网边长L 和导体根数N 时，只要确定压缩比C 便可得到地网的布置方案。因此接地系统优化设计工作的目标就是寻找最优压缩比，使接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压达到最小值。利用接地系统电气参数分析软件，计算不同压缩比对应的接地系统地表最大接触电压、最大跨步电压以及接地系统的接地电阻，将接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压最小时的压缩比定义为最优压缩比，在最优压缩比时接地系统的布置方式就是最优布置方式。

压缩比主要和土壤模型相关，因此可以在该变电站土壤分型模型上，建立不同压缩比的不等间距接地网，以确定最优压缩比。

构建450 m×300 m 范围的不等间距接地网，埋深为0.8 m，长度方向有23 个网格，宽度方向有15 个网格，共40 根接地铜导体，导体截面取160 mm2，入地电流取31.5 kA，改变不等间距布置的压缩比，利用CDEGS 软件得到仿真结果如表3所示。

表3 1 000 kV GIS 变电站接地网压缩比对接地网性能的影响

由表3 可知，改变压缩比后，接地电阻、接触电压、跨步电压和GPR 都有变化，接触电压的变化最为明显。压缩比为0.6 时，接触电压处于最小值，接地网其他各项参数也处于最小状态。故可选择0.6 作为该1 000 kV GIS 变电站接地网的最优压缩比来设计地网。

保守起见，先按照特高压示范站的接地网设计思路进行初步优化设计，接地网中央部分采用等间距布置，边缘40 m 范围采用不等间距优化设置，按照指数规律排布，压缩比为0.6，设计接地网如图4 所示。

图4 中央等间距布置、边缘不等间距优化设置的变电站平面图

为了比较优化设计前后接地网的性能，对未进行不等间距优化布置的接地网一同进行了仿真。分别构建网孔边长为20 m 和10 m 的均匀接地网，如图5 和图6 所示。

图5 网格边长为20 m 的均匀接地网

图6 网格边长为10 m 的均匀接地网

3 个接地网面积完全相等，所用材料都是截面积为180 mm2的铜绞线，埋深都是0.8，用同一土壤模型。表4 列出了3 种设计方案的CDEGS仿真计算结果。

可以看到，采用最优压缩比设计的不等间距接地网性能有了很大的提升。接触电压有较明显的下降，接地电阻、跨步电压也都略有下降。值得注意的是，优化设计方案较10 m×10 m 均匀接地布置方案，在使用导体总量减少34.5%的前提下，接触电压降低了33.1%。

表4 3 种设计方案的CDEGS 仿真计算结果

可见，采用最优压缩比设计的不等间距优化布置，散流更加均匀，每根导体得到了更加充分的利用，是一个提高性能、节省预算行之有效的方法。

2.3 深垂直接地极的优化

鉴于所采用的变电站土壤模型，中间层有一层2 000 Ωm 的岩石层，而越过岩石层，深层土壤的导电性非常好，因此可以考虑设置深垂直接地极穿透高阻岩石层来降低接地电阻，从而减小变电站的GPR。

根据深垂直接地极尽量分布在接地网边角的原则，选取6 根长度为60 m、横截面积为300 mm2的深垂直接地极布置在接地网的6 个凸出的直角上，通过CDEGS 仿真得到表5 所示结果。

表5 全站不等间距并带6 根深垂直接地极的接地网性能比较

上述计算结果表明，增加深垂直接地极可以明显降低该1 000 kV GIS 变电站的接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压。由于深垂直接地极施工较困难，耗费人力物力较多，所以应当尽可能少地布置。另外参考晋东南示范站的经验，在边角增加深垂直接地极后，降阻效果开始变缓，每根深垂直接地极的利用率下降。因此，建议工程中使用6 根深垂直接地极作为接地网的辅助。

2.4 短垂直接地极的应用

该1 000 kV GIS 变电站所处区域气候比较温暖，冬季冻土层仅有10 cm 左右，在设计接地网时可以不予考虑，但在炎热干旱季节，站址内表层土壤可能因水分缺失而导致电阻率变高。干旱影响到的土壤厚度有可能达到1.5～2 m，超过了地网埋设深度，研究证明，与接地网接地体直接接触的土壤对接地网的性能有着很大的影响。

可见，干旱会使接地电阻升高，甚至有可能产生危险的接触电压和跨步电压，在接地网设计中必须加以考虑。为了使接地网在干旱季节也能顺利散流，可以在接地网边角和接地网中间接地极交叉部位设置长度为5 m 的短垂直接地极。由于有6 根长垂直接地极，并且接地网材质为铜，不存在明显的不等电位现象，所以短垂直接地极不必非常密集，相隔40 m 设置一根即可。

3 特高压变电站接地设计确定

根据前文分析并结合变电站的实际情况，最终采用中间均匀分布（网孔边长20 m）、边缘按压缩比0.6 不等间距布置的接地网布置方案。如图7 所示，其中接地网埋设深度为0.8 m，接地体外围和部分中间交点上加5 m 长的短垂直接地极（共65 根），用于平衡季节因素带来的影响。

图7 变电站最终优化接地设计方案

CDEGS 的仿真计算表明：接地网的接地电阻为0.132 14 Ω，最大接触电压为489.83 V（如图8所示），最大跨步电压为100.85 V（如图9 所示），最大入地电流导致的GPR 为4 135.9 V；另外在地表敷设5 cm 厚电阻率为5 000 Ω 的高阻层后，最大接触电压和最大跨步电压能满足人身安全，而且有足够的裕度。

图8 围墙范围内接触电压

图9 跨步电压

但当GPR 高于2 000 V 时，接地电阻也偏大。考虑到工程场地地势起伏较大，地形复杂，多种因素均不同程度影响了土壤电阻率测试的准确度。后期需在场地平整后对土壤电阻率进行详细测试，取得准确的土壤电阻率后再次进行计算评估，若GPR 和接地电阻仍然偏大，需采取进一步的措施，如通过设置接地模块、采用降阻剂等措施提高接地网的性能。

4 结论

特高压变电站占地面积大，接地系统设计复杂，应结合变电站实际占地尺寸对接地网进行优化设计。本文以某1 000 kV 特高压变电站为例，从接地网埋深优化、接地网不等间距优化、深垂直接地极优化、短垂直接地极应用来分析接地优化设计对提高接地降阻水平的影响。

（1）最大接触电压随水平接地网埋设深度的增加先减小后增加，在1 m 左右存在极小值，但是在0.8～1.2 m 范围内最大接触电压变化不大。

（2）改变压缩比后，接地电阻、接触电压、跨步电压和GPR 都有变化，其中接触电压的变化最为明显。当压缩比为0.6 时，接触电压处于最小值，地网其他各项参数也处于最小的状态。

（3）增加深垂直接地极可以明显降低该1 000 kV GIS 变电站的接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压。在实际应用中，由于深垂直接地极施工较困难，耗费人力物力比较多，所以应当尽可能少地布置。

（4）需考虑季节因素对接地设计的影响，干旱季节将会使接地电阻升高，甚至有可能产生危险的接触电压和跨步电压，在接地网设计中必须加以考虑。为了使接地网在干旱季节也能顺利散流，可以在接地网边角和接地网中间接地极交叉部位设置长度为5 m 的短垂直接地极。