云霄背靠背换流站接地系统设计

方乙君

云霄背靠背换流站接地系统设计

方乙君

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福州 350003）

本文介绍云霄背靠背换流站接地系统的设计方案。基于换流站土壤电阻率的测试数据，对土壤结构进行建模分析，针对该站土壤结构模型及站址的场平设计方案，采用深井接地极和边坡外引接地网相结合的接地网设计方案，并通过仿真分析对比深井接地极和外引接地对换流站接地设计的影响。最后，通过现场实测数据验证了仿真分析数据的准确性，保证了该站接地设计方案的安全性和可靠性。

背靠背换流站；接地系统；土壤电阻率；深井接地极；外引接地网

0 引言

换流站接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的重要措施。接地电阻、接触电势、跨步电势是换流站接地系统的三个重要技术指标，是衡量接地系统的有效性、安全性，以及鉴定接地系统是否符合设计规范的重要参数[1]。

云霄背靠背换流站的输送容量大、电压等级高、接地短路电流大，为保证电力系统的安全和运行可靠性，对换流站接地系统的设计要求更加严格。本文基于云霄换流站工程的土壤电阻率测试数据，对换流站的土壤结构进行建模分析，进而提出安全、可靠的换流站接地系统设计方案。

1 土壤结构模型分析

云霄工程土壤电阻率的测试方法采用对称四极电阻率测深法，仪器采用重庆奔腾数控技术研究所开发的WDDS—2B型数字直流激电仪进行测试。根据工程勘测联系书要求并结合该站地形条件，本次电阻率测量在站内布置具有代表性的7条土壤电阻率测线[2-4]。换流站土壤电阻率测试结果见表1。

采用CDEGS（current distribution, electromag- netic field, grounding and soil structure analysis）软件对该换流站土壤结构进行建模分析与计算，得到土壤电阻率模型如图1所示，换流站土壤分层情况见表2。根据软件模拟计算结论，在进行换流站接地设计的相关计算时，将站内不均匀的土壤电阻率模型近似等效成5层土壤模型，等效模型中从上到下每层土壤的电阻率及其厚度参见表2。

表1 换流站土壤电阻率测试结果

图1 土壤电阻率模型

表2 换流站土壤分层情况

2 换流站接地网的安全限值

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》对换流站接地网设计的要求，对于有效接地系统，接地网的接地电阻宜将接地网的地电位升控制在2kV以下。对于电力系统容量大、入地电流高的变电站，可采取下列措施：保护接地至变电站接地网的站用变压器低压侧采用TN系统；沿二次电缆屏蔽层敷设并行铜排；评估站内10kV金属氧化物避雷器吸收能量的安全性。此时，接地网的地电位升可提高至5kV[5]。同时，接地网的接触电势和跨步电势不应超过由式（1）、式（2）计算所得的数值。

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》第B.0.2条，结合该站线路进出线回路数、出线型式、线路杆塔接地电阻等，分别对换流站内及站外发生短路故障工况下的分流系数进行分析计算。在考虑分流系数后，换流站经接地网入地的最大接地故障对称短路电流约为6.8kA；结合继电保护动作时间和断路器开断时间，接地故障电流持续时间取0.42s。根据上述接地规范对地电位升的要求，经过式（1）和式（2）计算，该换流站的接地电阻允许值为0.74W，接触电势允许值为314V，跨步电势允许值为456V。

3 接地系统的设计方案

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.3节，结合以往变电站/换流站接地网的设计经验，换流站主接地网设计采用水平接地极为主、垂直接地极为辅的方案。考虑该站设有面积较大的边坡，结合站区边坡设置外引接地网，扩大换流站接地网面积，进而降低接地电阻。

3.1 水平接地网分析

根据系统短路电流水平，站址最大对称单相接地短路电流为19.8kA，按高压电气装置接地导体热稳定进行选择和校验，同时考虑接地导体的腐蚀等影响因素，换流站水平接地网选用截面积为150mm2的铜绞线。水平接地网采用等间距法布置，设置间距为15m，埋设深度为0.8m，考虑靠近围墙范围内的接触电势和跨步电势较大，在靠近围墙20m范围内对水平接地网采取加密措施，设置间距在6～10m不等[6-9]。

3.2 垂直接地极的布置

站内设置直径为14.2mm的铜覆钢垂直接地极，长度为2.5m，结合站内电气设备的布置，在每个避雷针、避雷线、避雷器等接地点设置3根垂直接地极进行加强散流。同时，考虑站区接地电阻率较大，结合勘测土壤电阻率报告，在站区土壤电阻率较低区域设置6口60m深的深井接地极，深井接地极采用直径为14.2mm的铜覆钢，钻孔直径不小于30mm，并加压填充低电阻降阻剂进行降阻[10-11]。

3.3 外引接地网的设计

因站区土壤电阻率较高，且入地电流较大，结合站址红线范围内东、南、北三侧采用边坡挡墙的设计方案，在边坡挡墙范围内敷设外引接地网用以增大接地网面积，以达到降低换流站接地电阻的目的[12]。外引接地网采用80mm×8mm热镀锌扁钢，在与站内接地网连接处设置连接井并做好防腐措施。外引接地网的布置结合边坡步道及平台的设置方案进行布线。外引接地网布置如图2所示。

图2 外引接地网布置

4 接地网的建模计算与现场实测

4.1 接地网的建模计算

根据前述接地网设计方案，采用CDEGS软件对接地网进行建模分析，分别按是否布设外引接地网的方案计算站区接触电势、跨步电势和接地电阻。无、有外引接地网的接触电势、跨步电势二位色块图分别如图3～图6所示，接地电阻计算结果见表3。

4.2 接地网的现场实测

云霄换流站围墙范围东西方向最大尺寸为382m，南北方向最大尺寸为352m，最大对角线长度为520m。接地电阻测量仪采用自动抗干扰地网电阻测量仪，规格型号为AI—6301S。两辅助极布线方法采用直线平行优选法，布线沿X575县道方向布置，电流极长度为2 500m，电压极长度为1 500m。采用电流电压法进行测试，云霄站接地电阻、接触电势、跨步电势实测值分别见表4～表6。

图3 无外引接地网的接触电势二维色块图

图4 有外引接地网的接触电势二维色块图

图5 无外引接地网的跨步电势二维色块图

图6 有外引接地网的跨步电势二维色块图

表3 接地电阻计算结果

表4 云霄站接地电阻实测值

4.3 接地网计算值及实测值对比

采用CDEGS软件对接地网进行仿真计算与实测的接触电势、跨步电势和接地电阻对比见表7。根据仿真计算结果，站内接触电势最大值分布在站区围墙至站内最外圈道路之间区域，最大值不超过947.6V；站内实测接触电势的实测点均选取站内设备区域，其中最大实测值出现在“粤侧500kV 5652ACF交流滤波器5652开关A相”处，实测值为32.9V。根据仿真计算结果，站内跨步电势最大值不超过441.6V；站内实测跨步电势最大值出现在“闽侧GIS与换流变之间道路”处，实测值为37.9V。

表5 云霄站接触电势实测值

表6 云霄站跨步电势实测值

注：计算值和实测值均为采用了边坡外引接地网方案的站内数据。

5 结论

1）结合土壤电阻率模型采用深井接地极的方案能有效降低换流站接地电阻值。

2）高边坡换流站，结合边坡布置接地网，可扩大换流站的接地网面积，进而降低换流站接地电阻，是一种有效的降阻措施。

3）在换流站边缘适当范围加密地网网格，可改善换流站电势分布，有效降低站区边缘的接触电势和跨步电势。

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Design of grounding system for Yunxiao back-to-back converter station

FANG Yijun

(POWERCHINA Fujian Electric Power Engineering Co., Ltd, Fuzhou 350003)

This paper introduces the design scheme of grounding system of Yunxiao back-to-back converter station. Based on the test data of soil resistivity, this paper analyzes the soil structure by modeling. According to the soil structure model and the site leveling design scheme of the station, the grounding grid design scheme combining the deep well grounding electrode and the external grounding network of the slope is targeted. Through simulation analysis, the influence of the deep well grounding electrode and the external grounding network on the grounding design of the converter station is compared. Finally, the accuracy of the simulation analysis data is verified through on-site measurement data, ensuring the safety and reliability of the grounding scheme for this station.

back-to-back converter station; grounding system; soil resistivity; deep well grounding electrode; external grounding network

2023-08-07

2023-09-04

方乙君（1985—），男，福建福州人，硕士，高级工程师，主要从事电网规划、变电站/换流站设计、电力技术经济分析工作。