特高压GIS 变电站接地设计影响因素研究

刘铜锤，姜 龙

（国家电网公司宁波供电公司，浙江 宁波 315200）

0 引言

随着我国电力需求的日益增长，各电压等级变电站相继投运，变电站设计朝大容量、特高压、紧凑型方向发展，气体绝缘金属封闭开关（Gas Insulated Switchgear，GIS）设备广泛应用［1－2］，同时系统短路故障电流增大。为了在有限面积的接地网中实现短路电流的快速流散，保证人身安全和设备稳定运行，须降低变电站接地系统电阻。为满足特高压GIS 变电站的接地设计要求，须对影响其设计的主要因素进行分析和研究。

在特高压GIS 变电站接地设计中，表征短路电流泄流能力的接地电阻与土壤结构和接地网拓扑结构有密切关系［3-5］。对于特高压GIS 变电站土壤电阻率的准确测量和土壤结构分析，是接地设计的基础，而与接地网散流性能密切相关的土壤特性主要包括分层情况和土壤电阻率。文献［6-8］考虑了分层土壤对接地性能的影响，层状土壤在实际的土壤结构中作为重点研究对象。文献［9-10］针对特高压GIS 变电站电压高、容量大的特点，结合施工条件提出了设置辅助地网的概念。垂直接地极在提升特高压GIS变电站接地性能中有重要贡献，文献［11-17］分析了垂直接地极对接地性能的影响。

特高压GIS 设备接地先通过多点连接到辅助地网再连接到主接地网实现提前分散电流，与传统变电站接地设计有较大区别。说明了短路电流入地方式以及不同地网材料和土壤电阻率的典型影响因素，分析了垂直接地极布置位置、数量等因素对短路电流入地方式的影响，为接地设计提供理论依据。

1 短路电流入地方式对地电位升影响

建立典型的特高压GIS 变电站接地网模型，接地网面积100 m×100 m，划分均匀网格10 m×10 m，地网埋设深度为0.5 m，接地材料为镀锌扁钢，等效半径为0.01 m，土壤电阻率为50 Ωm，短路电流I0=20 kA，采用CDEGS 软件计算接地网的接地电阻为0.459 4 Ω，地电位升为5 051.1 V。

1.1 不同入地方式影响

变电站短路电流可通过变压器中性点集中入地，变压器中性点处位于接地网中心，集中入地时短路电流从中性点流入接地网。同时短路电流也可通过金属构架分散入地，金属构架与接地网连接，短路电流经金属构件实现多点入地。同等短路电流以不同的方式入地，如图1 所示。

图1 短路电流入地方式

利用CDETS 软件对该接地网进行建模，忽略短引下线对地网散流的影响，计算并比较短路电流以不同方式入地对接地性能的影响。短路电流通过变压器中性点集中入地时地电位升变化情况如图2 所示。地电位升（Ground Potential Rise，GPR）最大值出现在接地网中心处，即短路电流入地处，此时GPR达到5 051.1 V，网内最大电位差为469.4 V。

图2 短路电流集中入地时地电位升

短路电流经变压器金属构件多点入地，各入地点相当于并联电阻，流经各点的电流之和与总短路电流相等，即I0=∑Ii。地电位升GPR 最大值出现在接地网中心处，即短路电流入地处，如图3 所示。此时GPR 达到4 818.5 V，网内最大电位差为213.2 V。

图3 短路电流分散入地时地电位升

对2 种不同入地方式比较发现，短路电流分散入地对接地网地电位升降低影响较小，但对抑制地网内不等电位现象影响较大，可有效减弱网内的不等电位。镀锌扁钢接地体屏蔽效应较为显著，导致接地网导体散流不均匀，中心位置的屏蔽效应强，导体散流弱，而边缘受到屏蔽效应弱，导体散流强。由于钢导体的磁导率高，阻碍电流流通，会导致同一接地网导体之间产生不等电位现象。特高压GIS 变电站中故障电流实现提前分流，多点接入辅助接地网，多点接入主网，间接提高了接地网的散流能力，即提高了接地网的性能。

1.2 地网材料影响

根据GB／T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》可知，镀锌扁钢材料已广泛应用在接地网中［18］，但由于钢材料本身屏蔽效应较明显，磁导率较高，而类似特高压GIS 变电站占地面积较小，短路电流较大，设备布置紧凑，接地网内不等电位明显。铜作为接地材料，明显改善了网内不等电位的失衡。通过对比2 种不同材料在不同电流注入方式下的接地性能，如表1 所示。

使用铜作为接地网材料时，短路电流无论集中入地还是分散入地，网内电位差都很小，分散入地对地电位升的抑制作用可以忽略不计。铜的磁导率很低，对电流抑制作用很小，网孔内不等电位现象不明显，因此大规模的铜接地网可近似视为等电位体，电流集中入地和分散入地带来的地电位升、地表电势分布、跨步电压、接触电压差别较小，设计时可以不考虑短路电流入地方式的差别。

表1 不同地网材料下电流入地方式的性能差异

1.3 土壤电阻率影响

接地网参数和土壤结构不变，土壤电阻率在25～1 000 Ωm 之间变化，采用MALZ 模块进行仿真，研究分析了土壤电阻率对电位变化百分比和网内最大电位差的影响，如图4 和图5 所示。电位变化百分比为

式中：Ut为接地网的最大接触电压；Umax为接地网内最高地电位升。

图4 土壤电阻率对电位变化百分比的影响

由图5 可知随着土壤电阻率的增大，接地网内不等电位现象逐渐减弱，网内最大电位差与土壤电阻率关系较小。网内最大电位差分别在300 V 和150 V 左右时，土壤电阻率影响较小，网内最大电位差趋于稳定。分析其原因，土壤电阻率越低，电流散流越容易；极端情况下，如果土壤电阻率和接地网导体电阻率相当，则短路电流完全通过土壤传播，接地网变得毫无作用，此时导体的不等电位值就等于地电位升高值，即不等电位相对值为100%。因此，土壤电阻率越低，网内的不等电位现象越明显。

图5 土壤电阻率对网内最大电位差的影响

1.4 分散入地电流定量计算

假设分散入地的每份电流值相等，接地网电流电势的分布服从线性叠加原理，总短路电流应为各段短路电流之和，每一个电流注入点用一个集中阻抗值等效，然后根据每个注入点的阻抗和电流参数计算出地面任一点的电势，再将每股电流所对应的电势叠加，得到最后GPR。等效电路如图6 所示。

图6 短路电流多点入地时的等效电路

图6 中，R1，R2，…，Rn分别为各条支路电流接入点向等效短路电源（实际上可以取电流分开之前的任意一个等电位点）看去的等效电阻，Z1，Z2，…，Zn分别为各个电流入地点所对应接地网阻抗值。在接地网形式对称且短路电流注入点也对称的情况下，Z1，Z2，…，Zn相等，但实际户内变电站很少完全对称。根据等效电路得到方程组为

式中：IG为最大入地故障电流。

由式（2）可以计算得到不同故障入地点的分支电流，再通过每一点所对应的接地阻抗计算可得空间任意点的电位。

2 垂直接地极对降阻率影响

水平接地导体之间、垂直接地导体之间存在电流屏蔽现象，水平接地导体与垂直接地导体之间也存在电流屏蔽现象。在水平接地网中分析单根垂直接地极不同位置布置时对接地网接地电阻的影响。

垂直接地极对接地网的降阻效果可用降阻率S表示

式中：R0为水平接地网的接地电阻；R 为安装垂直接地极后的接地电阻。

2.1 垂直接地极布置位置影响

垂直接地极在接地网上的布置如图7 所示。当入地电流为1 000 A 时，未加垂直接地极时，其接地网接地电阻为0.459 38 Ω，在不同位置打入垂直接地极后的降阻效果如图8 所示。

由图8 可知，距离地网中心点从远到近的顺序为1→2→3→4→5→6，而降阻效果从高到低的顺序为1→2→3→4→5→6，降阻率随着与地网中心距离的大小而变化，降阻率由1.8%降低到0.8%。因此采取增加垂直接地极降低地网接地电阻时，应将垂直接地极布置在水平接地网的边缘，减小与水平地网间的屏蔽作用，从而提高垂直接地体的降阻效果。

2.2 垂直接地极数量影响

接地网参数和土壤结构保持不变，建立接地模型，在水平接地网边缘布置不同数量和不同长度的垂直接地极并进行计算，将垂直接地极尽量等间距均匀分布在水平接地网边缘，经CDEGS 软件计算，研究了垂直接地极数量和长度对降阻率的影响，如图9 所示。

图7 垂直接地极在接地网上的布置

图8 垂直接地极不同位置时对降阻率的影响

图9 垂直接地极数量对降阻率的影响

图9 中，N 为垂直接地极的根数，L 为垂直接地极的长度。由图9 可知，在已有水平接地网的基础上添加垂直接地极，当垂直接地极的根数一定时，降阻率随垂直接地极长度的增加而增大，当长度达到一定数值时，其增大趋势趋于饱和。垂直接地极的降阻率随垂直接地极的根数的增加而增加，其增大趋势也逐渐趋于饱和。

3 结语

特高压GIS 变电站占地面积小，电气设备布局紧凑，为保证变电站的安全运行，在有限面积的接地网提高短路电流的散流能力，分析了短路电流入地方式和垂直接地极两个典型因素对接地设计的影响，研究分析了短路电流以不同方式入地时，分散入地相比集中入地对地网GPR 降低影响较小，但能有效减弱接地网孔内不等电位现象。分散入地可对短路电流提前分流，间接提高了地网的通流能力。分别采用铜和钢作为接地网材料对比发现铜接地网受短路电流入地方式影响较小。随着土壤电阻率的增大，接地网内不等电位现象逐渐减弱，网内最大电位差与土壤电阻率关系较小，趋于稳定。

敷设垂直接地极可有效改善接地电阻，垂直接地极敷设于接地网的边缘，能减小与水平地网间的屏蔽作用，提高降阻率。降阻率随垂直接地极长度的增加而增大，当长度达到一定数值时，其增大趋势趋于饱和。垂直接地极的降阻率随垂直接地极的根数的增加而增加。其增大趋势也逐渐趋于饱和。