应用CDEGS进行变电站接地网设计流程的研究

李 伟，王 伟，孙永春，丛远新，李 松，王 森，申 巍，王旭明

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安710100； 2.北京市金合益科技发展有限公司，北京100160；3.国网陕西省电力公司，西安710100； 4.西安交通大学电气工程学院，西安710049)

0 引言

变电站接地网作为故障电流及雷电流入地媒介，对于电力系统安全稳定运行、保障工作人员安全性的作用不言而喻[1-4]。在现阶段变电站接地网的设计过程中，往往不能合理考虑与变电站互联线路在故障时的分流，只是机械的按照接地网工频接地电阻不能大于0.5 Ω的标准进行设计，造成设计的接地网在线路发生严重接地短路事故时接触电压、跨步电压等参数大于安全限值，对人员安全和二次设备保护造成威胁[5-9]。文献[10]中在对于接地网的设计优化过程中为了达到接触电压等参数符合安全要求，人为的增加接地体的数目、密度等以达到设计需求。文献[11]在初次500 kV变电站的接地网设计不达标后，通过增加接地网面积、增设接地棒、接地体按压缩比布置等进行人工优化设计，依靠人为的进行接地网优化，设计工作量大大增加，且没有将相连线路的避雷线分流纳入考虑范围。文献[12]借助MATLAB、ATPDraw等软件分析了杆塔接地电阻、变电站接地网电阻以及避雷线参数等对避雷线分流的影响，但并未针对避雷线分流情况对接地网设计提出建设性优化策略。文献[13]中对当下变电站接地网设计中存在的问题进行分析，并且指出了土壤电阻率测量是接地网设计过程中的一关键环节，强调了设计中需要按照调度部门提供的接地短路水平进行校核，但是未给出接地网设计的设计实践指导。

本研究试图从CDEGS软件入手，在实地土壤电阻率测量工作的基础上，根据调度部门提供的线路单相接地故障最大电流，并充分考虑与待设计变电站相连线路的避雷线分流，进行220 kV变电站接地网设计流程示范。

1 模型的构建与简化

根据陕西省电力调度部门远景运行规划，需要在某地建立220 kV变电站一座，该新建变电站H将与4座终端变电站通过同塔双回输电线路互联，见表1中数据所示，4座已有终端变电站分别命名为D、E、F、G，将变电站H与变电站D、E、F、G间的线路分别命名为线路H-D、H-E、H-F、H-G，在图中绘制出线路H-D的结构示意，见图1，线路H-D共有48个杆塔，档距350 m，线路全长16 450 m，图2所示为输电线路的横截面示意，相线和地线的高度、间距均在图2中标注；架空地线截面见图1，其外径4.8 cm，间距15 m；线路H-D终端变电站D的工频接地电阻为0.1 Ω，研究中假设当变电站H中回路1的C1相发生单相接地短路故障时流入接地网的故障电流最大，线路H-D终端变电站D提供的故障电流数值为786-j6 081 A。与线路H-D的参数类似，剩余的3条线路参数及终端变电站特性见表1。

表1 终端变电站及线路信息Table 1 Terminal substation and line information

图1 变电站接地网及连入电力系统示意Fig.1 Schematic diagram of substation grounding grid and connected power system

图2 输电线路横截面Fig.2 Cross section of transmission line

应用温纳四极法对待建变电站H处的土壤电阻率进行实地测量，图3为土壤电阻率测量的现场测量装置及人员布置，对测量的结果反演得到站址处的土壤电阻率分层结果见表2，土壤电阻率为两层分布形式，顶层土壤电阻率269.8 Ω·m，厚1.6 m，底层电阻率163.93 Ω·m。在下节中将在CDEGS软件中针对本节中的线路参数进行系统建模，用以分析待建变电站H的接地网设计。

图3 实地测量土壤电阻率Fig.3 Field measurement of soil resistivity

表2 反演得到的水平分层的土壤电阻率参数Table 2 Soil resistivity parameters of horizontal stratification

2 接地网设计

2.1接地网安全性标准

在CDEGS软件的Auto Ground Design模块按照上节中的线路建立模型，依次将线路参数输入，得到待分析系统的模型。在Auto Ground Design模块中可以指定接地网的长度、宽度、埋深以及接地网的设计类型，接地网设计类型包括接地网是矩形或者多边形、接地体的排列压缩比，以及是否增设接地棒等；在利用软件进行设计接地网的过程中，首次将接地网的类型定为150 m×90 m水平矩形接地网(仅有4条矩形边框及4根接地棒)。确定了接地网初步设计方案，并且已经输入测试得到的土壤数据和既定线路参数后，需要确定接地网的安全性参数，以衡量设计得到的接地网是否符合安全性要求，评价接地网的安全性参数包括接触电压、跨步电压、地电位升、地电位升差值等，根据人体心房颤动的电流值，IEEE Standard 80-2000中根据触电时间、系统特性、人员体重和脚部接触电阻率确定了接触电压和跨步电压的安全值[14]，假设在变电站H的土壤表面铺设有电阻率为3 000 Ω·m的砾石，用以增加人员与地面间的脚部接触电阻率，得到接触电压的安全限值为933.083 V，跨步电压的安全限值为3 146.652 V。同时可以得到未铺设表面砾石时站内接触电压将降至285.824 1 V，跨步电压降为557.616 3 V，这将极大地增加变电站H接地网的设计难度。文献[15]中经过系列分析给出了地电位升的限值可以放宽到5 000 V的结论，在试验中的接地网尺寸相对较小，不用考虑网内电位差对站内电缆及二次设备的威胁。

在试验中将选择接地金属体按照压缩比0.8布置和等间距布置两种方式，软件将自动进行迭代优化接地网，直至故障电流入地时地电位升、接触电压和跨步电压满足安全限值的要求。

2.2 设计得到的接地网1

根据2.1小节中对接地网设计的前期准备工作，迭代得到金属接地体等间距布置时的接地网结构1，见图4，共有16根横向导体、25根竖向导体，4根长度为10 m的接地棒，故障电流流入接地网时的站内接触电压和跨步电压分别见图5、图6。站内最大接触电压为905 V，最大跨步电压为874 V，地电位升最大值为3 474 V，均保持在上节分析的安全限值以内，接地网设计满足要求。

图4 设计得到的接地网结构1Fig.4 The design of grounding grid structure No.1

图5 站内接触电压(接地网结构1)Fig.5 Touch voltage(Structure of grounding grid No.1)

图6 站内跨步电压(接地网结构1)Fig.6 Step voltage(Structure of grounding grid No.1)

2.3 设计得到的接地网2

同理得到金属导体按照压缩比0.8布置时的接地网设计结构2，见图7，站内接触电压和跨步电压分别见图8、图9。共有13根横向导体、20根竖向导体。站内最大接触电压为874 V，最大跨步电压为372 V，地电位升最大值为3 473 V，同样均保持在上节分析的安全限值以内，接地网设计满足要求。

图7 设计得到的接地网结构2Fig.7 The design of grounding grid structure No.2

图8 站内接触电压(接地网结构2)Fig.8 Touch voltage(Structure of grounding grid No.2)

图9 站内跨步电压(接地网结构2)Fig.9 Step voltage(Structure of grounding grid No.2)

对比分析设计得到的两种接地网结构，均将接触电压和跨步电压值限制在了安全范围以内，但是实现的代价略有不同，从操作可行性的角度来看，两种接地网施工均无太大难度，但是导体数目的增加无疑会使经济性变差，接地网结构1中共计所需接地体4 690 m，接地网结构2中共计所需接地体3 790 m，可见当选择按照0.8压缩比布置接地体时，接地体长度仅为等间距布置接地体所需长度的80%，故从经济性角度，优选接地网结构2中接地金属导体按照压缩比布置的设计。

3 接地网设计流程

经过试验中利用CDEGS软件中Auto Ground Design模块对待建变电站H的接地网进行设计，总结出一套应用CDEGS进行接地网设计的流程见图10，首先需要确定待分析变电站接地网的电路参数，包括出线回数、杆塔参数、终端变电站特性等，然后基于实地测量待建变电站处土壤电阻率数据的基础上，进行系统建模，从接地网的初始设计结构由CDEGS软件中Auto Ground Design模块迭代得到接地网的较优设计结构。

图10 接地网设计流程Fig.10 Design process of grounding grid

4 结论

为了实现变电站接地网的高效设计，针对特定电力运行环境下变电站H的接地网设计流程进行了研究。充分考虑到变电站在运行环境下可能发生的恶劣单相接地故障短路电流入地情况以及线路架空地线的分流效果，使设计得到的接地网具有较高的可靠性，同时设计的方法具有较强的操作性，可以为类似变电站接地网的设计工作起到指导作用。

由于试验主要是针对的是变电站接地网的设计工作，目标得到接地网设计结构而止，未对与变电站接地网相连架空地线的分流作具体阐述与分析，此外试验分析的变电站址土壤电阻率属于较低水平，在下一步的工作中，将针对高土壤电阻率水平地区的接地网展开自动化设计试验。