考虑变电站故障的变电站及输电线路接地系统设计

姚生惠

（兰州新区土地开发建设工程有限公司，兰州 730000）

引言

接地网是变电站的重要组成，对变电站的接地安全起到至关重要的作用[1-3]。由于高压变电站由输电线路供电且接地系统与变电站接地网牢固连接，在变电站故障情况下，变电站接地网和极网都会出现电压升高的情况，从而对安全造成影响[4-6]。因此接地系统的合理设计对于确保变电站和输电线路在故障条件下的安全可靠性至关重要。

变电站故障对极地电位升高的影响可通过降低磁极的栅极电阻来控制磁极极地电网升高[7,8]。而极地电阻的降低将直接影响变电站极地电网升高和故障电流分布。文献[9]研究了变电站接地系统的合理性，但没有考虑对有限长度内输杆塔接地网的影响。位于变电站有限长度内的杆塔构成变电站接地网的坚实部分，并将始终成为变电站接地网设计的一部分，忽略这些因素的设计将影响系统的安全可靠性[10]。

1 变电站和输电线路接地系统

1.1 变电站和输电杆塔

在设计变电站接地系统以及杆塔接地网时，确保不同情况下设计方案的合理性至关重要。在设计过程中需计算分流因子，以确定故障条件下的变电站电网电流。同时需评估极地电网电位升高以及设计对于有限长度内杆塔的影响。当故障位置的杆塔接地网输入阻抗可以捕获系统的整个长度时，称之为有限系统；当故障位置的杆塔接地网输入阻抗不能捕获系统的整个长度时，则称之为无限系统。针对无限系统，只考虑杆塔接地网系统的一部分作为输入阻抗，即

式中：Zp为接地网电阻；Ls为平均跨度。

由于变电站只能看到有限长度的线路，杆塔接地网的无限长度可以计算为：

式中，l为杆塔接地线路的总长度。

有效长度处的所有杆塔对变电站接地系统没有影响，而式（1）无限距离内的所有杆塔对变电站极地电网电位升高有直接影响。因此，无限条件下杆塔接地网的输入阻抗可以表示为：

变电站分流系数计算为：

式中：Zm为故障相与架空地线之间的相互耦合阻抗；Zg为故障相与变电站接地网之间的相互耦合阻抗；δf为变电站分流系数。

从式（3）和（4）可以看出，杆塔接地网的输入阻抗和变电站分流因子与极网（位于变电站有限长度内的极）直接相关。因此，在降低极网电位以降低极地电网电位升高的情况下，极处的阶跃电压和接触电压、输入阻抗和变电站分流系数都会发生变化。当有限距离内的极地电阻增大时，变电站分流因子增大，这意味着向变电站接地网注入更大的电流。

1.2 变电站和磁极极地电位升高

磁极极地电网电位上升量与变电站极地电网电位上升量直接相关，其电路如图1所示。

图1 分流因子电路

从图1可以推导出：

式中：EPRpole-1为磁极极地电网电位上升量；EPRSUB为变电站极地电网电位上升量；Ie为架空地线回路故障电流；If为总故障电流。

通过因子MN将两个极地电网关联起来，因子MN可以表示为：

接地极的电流和相角为：

n极与变电站极地电网电位上升量相关的极地电网电位上升量关系为：

通过联合间隔极地电网电位上升量来估算变电站极地电网电位上升量。如果允许的极地电网升高为K伏，则确保所有传输极在变电站故障下符合要求的最大变电站极地电网电位升高为K乘以MN。如果设计的变电站极地电网电位升高超过该值，则需要进行输杆塔设计评估。这些因素使得杆网（位于变电站有限长度内的所有杆塔）设计成为变电站接地系统设计的一部分。因此，在设计时需考虑：（1）输电杆塔接地系统设计要求降低杆塔底部的电网电阻，从而降低变电站电网电流；（2）通过降低变电站电网电流来降低变电站接地网的复杂性；（3）确保变电站和输电杆在变电站故障下完全符合要求。

2 算例分析

为某地区规划了一座新的高压变电站，变电站由一条110 kV架空输电线供电。输电线路长度为10 km，平均跨度为100 m；变电站位于40 m×40 m的区域；单层土壤电阻介于20 Ω～200 Ω；故障相位和杆塔接地网的间隔为3.8 m。5 m和10 m电极在不同土壤电阻率下的接地网电阻如图2所示。变电站接地网布置如图3所示。

图2 不同土壤电阻率下5 m和10 m电极对应的极地电阻

图3 变电站接地网布置图

杆塔接地网的自阻抗和互阻抗计算为：

不同极地电阻下杆塔接地网输入阻抗的大小如图4所示，使用不同的极地电流计算变电站的分流因子，计算结果如图5所示。

图4 不同极地电阻下杆塔接地网的输入阻抗

图5 不同极地电阻下杆塔接地网的分流因子

根据所提的计算方法，变电站极地电网电位升高在10 kA故障电流下的EPR介于918 V～1192 V之间，极地电网电位升高量高于允许的接触电压。根据图2中不同土壤电阻率下极地电阻的变化规律，计算的MN系数在1.048～1.186之间，通过公式（9），计算出极地电网电位升高量在774 V～1136 V之间，电极接触电压的计算不符合要求，根据公式（11）计算的磁极极地电网电位升高量如图6所示。

图6 变电站故障下的EPR幅值

在多数情况下，位于变电站附近的电极接触电压较高，新极地电阻在1.38 Ω～18.57 Ω间变化，极地电网电位升高在659 V～1079 V变化，电压符合允许限值，从而确保了设计的合理性。根据现场经验，变电站和输电线路是两个不同的项目，在许多情况下，变电站和输电线路的接地设计由不同的设计单位完成，在变电站设计期间评估输电杆塔需要在变电站故障情况下尽可能地确保系统的安全性。

3 结论

对于有限长线路，输电线路接地系统与变电站接地网之间存在密切联系。在有限长度范围内进行变电站接地网设计时，需确保变电站和输电杆在变电站故障下完全符合要求，通过降低变电站电网电流来降低变电站接地网的复杂性。本文量化了变电站接地电位升高与输电极接地电位升高的关系，以帮助设计师根据极接地电位上升量来计算变电站接地电位上升，确保输电线路接地系统在变电站故障情况下始终满足安全标准。