某变电站接地系统研究

吴尚志，佟卫波，孟 庆

(1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2.国网长春供电公司，长春 130051)

变电站的接地系统是电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。根据国际标准IEEE Std 80《交流变电站接地安全导则》中的要求，安全接地设计的目的：提供在正常和故障情况下将电流导入大地的方式，而且这种方式没有超过任何操作和设备的限制或对运行的连续性造成不利影响，确保接地设施附近的人不遭受危险性的电击。变电站接地系统设计考虑不周的直接后果是导致设计结果与接地系统建设完成后的实测结果相差甚远，刚建成的接地系统还没有投入运行就要进行接地改造，延误变电站建设工期，造成巨大的经济损失；另外，若无法正确估计变电站的最大接触电势和跨步电压，有可能造成人身安全事故,因此，开展接地技术的研究是变电站工程设计的一个关键和核心问题。目前我国电力工程进行接地系统设计时绝大部分是根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》，采用均匀土壤电阻率模型进行计算。实际工程中土壤电阻率是不均匀的，工程场地的不同深度及不同部位土壤电阻率经常会发生较大变化，如果根据国家标准中的均匀土壤电阻率模型进行计算，经常会导致计算值与实际实测值较大偏差。

本文主要包括如下4个方面内容：某变电站站址土壤地质结构模型的研究；接地故障时人体允许接触电势和跨步电压的研究；该变电站接地系统优化设计的研究；根据上述原则确定接地体选择和布置后，通过CDEGS接地软件，对本站的接地网作进一步的计算和分析。通过分析土壤不均匀性对接地系统性能的影响，确定并优化接地系统的结构和形状，提出技术经济上最为合理的变电站接地系统的设计方案。

1 土壤模型分析

1.1 土壤电阻率

根据本工程业主提供的PER2017-0317ACRev0《岩土工程勘察报告》，变电站的位置坐标在整个光伏发电场的探测点编号42位置处，电阻率的测量采用对称四极法[1]，测量接线见图1。

图1 对称四极法测量接线

通过改变极间距ae和ai，可以得到相应电流电压法的电压U与电流I数值，并根据测量结果，利用公式计算得到相应的视在电阻，本工程每个点垂直测量两个方向，分别按东西和南北方向，极距采用2,4,8,16,32,64和96 m。根据报告中探测的数值用CDEGS软件中土壤电阻率分析模块进行建模。考虑到测量值取垂直的两个方向，输入数据取对于不同的极距取两个方向的平均值。土壤分析模型中输入模块见图2。

图2 土壤分析模型输入模块

1.2 土壤模型分析

CDEGS软件可以在正常、故障、雷电和暂态条件下计算地上或者地下任意位置的带电导线组成的网状结构产生的地电位、导线电位和电磁场。该软件含有多个实用分析模块，可以进行多种电力系统问题的分析研究，该软件目前在国际上应用较广[2]。本研究通过CDEGS土壤分析模块进行模拟计算，计算生成曲线见图3。

图3 土壤模型分析结果

从图3可以得出,变电站现场各层平均土壤电阻率见表1。

根据表1可以模拟出不同土壤电阻率土壤分层厚度及各个厚度的土壤电阻率平均值。

表1 土壤电阻率分层分析结果

2 接触电势和跨步电压计算

2.1 人体允许的接触电势和跨步电压

接地网设计的目的就是提供在正常和故障情况下将电流导入大地的方式，确保接地设施附近的人不遭受危险性电击。流经人体重要部位的电流影响程度取决于电流的大小、持续时间和频率。最危险的后果是电流流经心脏产生心室纤维性颤动，导致循环的突然停止。在人体通过60～100 mA的电流等级时，心室纤维性颤动，可能发生心脏停止跳动或呼吸停止，导致受伤或死亡。根据引起心室纤维性颤动的临界值，精心设计接地系统，使得电击时电流值能够保持在该值以下，那么就可以避免损伤或死亡事件。在持续0.03～3.00 s的范围内，通过人体的电流IB的大小与被身体吸收的能量有关，公式如下：

SB=(IB)2×ts

(1)

式中：IB为通过人体电流有效值；ts为电流流经身体的持续时间；SB为给定人数中一定百分数的人中能承受的电击能量相关的经验常数。

在体重约50 kg的人中，99.5%都能承受的SB的值约为0.013 5 A2·s，因此，身体所允许的电流值公式为：

(2)

当ts=1 s时，IB=116 mA；当ts=0.1 s时，IB=367 mA。在体重约70 kg的人中，99.5%都能承受的电击能量SB的值约为0.024 6 A2·s，因此，身体所允许的电流值公式为：

(3)

人身的安全取决于防止吸收故障被切除前临界电击能量，当故障电流流经人体时，经过土壤表层以及表层以下的土壤电阻，构成了故障回路，因此，人体能够承受电压还与人体的电阻、土壤表层电阻率以及表层衰减系数有关[3]。人体的内部电阻值大约为300 Ω，包括皮肤在内的人体电阻值从500～3 000 Ω不等。按照国际通用规范，人体接地电阻取值1 000 Ω，根据IEEE Std 80中的发生接地故障时，故障回路分析得出的公式如下。

对于体重50 kg的人，跨步电压限值：

(4)

式中：Cs为表层衰减系数；ρs为地表层土壤电阻率。

对于体重70 kg的人，跨步电压限值：

(5)

同理，对于体重50 kg的人接触电位的限值为：

(6)

对于体重70 kg的人接触电位的限值为：

(7)

根据保守安全的原则，本工程接触电势和跨步电压均取50 kg的人作为限值。

表层衰减系数按照下面公式进行计算。

Cs=1-0.09(1-ρ/ρs)/(2hs+0.09)

(8)

式中hs为表层土壤厚度。

由表1可知，土壤电阻率取9.210 193 Ω·m，土壤表层电阻率取1 012.520 Ω·m，表层土壤厚度为2.4 m。代入公式(8)有Cs=0.982。

2.2 接地短路(故障)电流的持续时间

IEEE Std 80 中规定，切除故障的时间取主保护的动作时间或者后备保护动作时间，在主保护动作时间内切除故障对人体的危害要小很多，从设计安全的角度出发，取后备保护动作时间来设计接地网更保守一些，因此接地安全设计切除故障时间取后备保护动作时间即断路器失灵保护动作时间。ts可按下式取值：

ts≥tm+tf+to

(9)

式中：tm为主保护动作时间；tf为断路器失灵保护动作时间；to为断路器开断时间。

本工程220 kV主保护动作时间约为15～20 ms，断路器失灵保护动作时间约为0.4 s，断路器开断时间目前暂按50 ms，因此切除故障电流的时间t约为0.47 s，ts时间可取0.5 s。

2.3 接触电势和跨步电压的计算

根据前两节的分析，按照保守考虑，接触电位和跨步电位允许值均按照50 kg的人体来考虑。Cs计算值为0.982，土壤表层电阻率为1 012.520 Ω·m，故障切除时间按照0.5 s考虑，将上述数值代入公式(4)和公式(6)，可以计算出体重50 kg人的跨步电压和接触电势的允许值。

用CDEGS建立接地网模型，进行接触电势和跨步电压允许值的计算。接地网模型见图4。

通过计算，在0.5 s清除故障，表层土壤电阻率(即第1层)1 012.520 Ω·m的条件下，接触电势和跨步电压的允许值见表2。

图4 接地模型布置

表2 接触电势和跨步电压的允许值 V

根据系统资料，本工程单相接地故障电流是5 kA，土壤电阻率模型如1.2 节分析计算时，变电站厂区跨步电压分布范围是0.647～583.433 V。

在跨步电压允许值为1 132.2 V的条件下，跨步电压的二维色块见图5。

图5 跨步电压允许值为1 132.2 V时的二维色块

由图5可见，该变电站的在正常地面条件下，跨步电压满足安全允许值的要求，无须铺设专门的沥青路面、碎石等高电阻率表层路面措施。

在相同模型下，计算该变电站的接触电势，接触电势控制在该变电站内部及变电站金属围栏外1 m。接触电势计算结果为102.60～2 445.27 V。

考虑接触电势的允许值为398.9 V，通过在允许值限制的条件下的二维色块显示，整个变电站区域的接触电势范围是603.54～2 445.27 V。整个变电站的接触电势均无法满足安全允许值的要求，因此全站需要铺设碎石作为高土壤电阻率操作地坪。设置碎石后，表层土壤电阻率按照5 000 Ω·m计算，此时接触电势的允许值带入公式(6)，可以计算允许值为1 193.5 V。在此允许值下计算该变电站接触电势的范围是1 316.66～2 445.27 V。

该变电站区域内部，在网孔较大区域，站区的围栏处也不满足接触电势允许值要求，仍有部分接触电压超出了允许值范围，因此，需要加密接地导体的网格。将接地导体的网格加密后，接触电势的仿真计算结果为1 285.95～2 117.95 V，变电站内部区域均满足接触电势的要求。适当加大接地网格的密度，可以在敷设碎石地面的前提下保证全站的接触电势在安全允许值范围内。

3 结论

通过CDEGS软件计算分析，可以仿真土壤不同深度的分层土壤电阻率，更接近于工程实际情况。当工程中接触电势不满足允许值要求时，需要铺设高阻抗操作地面，在采取高阻抗操作地坪的条件下，如果接地网布置不均匀，需要调整接地导体的数量，降低网孔的大小，保证接地网的各个位置满足接地计算的要求。