高土壤电阻率地区某变电站接地方案研究
0 引言
随着经济的发展，系统容量的不断增大，接地网的接地性能越来越难以符合要求，尤其是在高土壤电阻率地区，接地性能更是难以满足标准。以往的变电站地网设计中往往只是强调降低接地电阻，爆破接地、深井接地、斜长接地极等降阻措施虽然已在许多变电站降阻改造中取得了显著成果[1]，但是，完全依靠降阻来达到规程要求必然会耗费大量的人力物力，接地网造价让人难以接受。因此，应该改变以往的传统观念，从均衡地表电位及根据变电站设备安全运行参数，适当放宽接地电阻及地电位升上限值[2]的思想出发来设计变电站接地网。
文献[3]针对高阻地区变电站接地网的接地性能难以满足规程要求的问题，提出了要从均压和放宽接地电阻上限值来设计变电站接地网这一新的思路，但其对避雷器的校验使用的是以往的经验公式，不够准确。文献[4]和文献[5]分别给出了两种非均匀土壤中接地网网格不等间距布置方法，相比于等间距布置，不等间距布置接地网有一定的均压效果。文献[6]对不同因素下芯皮电位差占地电位升比例的变化情况进行了分析，得到了芯皮电位差与地电位升之间的内在关系，但其计算芯皮电位差的模型有待改进。文献[7]通过电磁暂态软件EMTP建立了短路故障情况下接地网GPR反击低压避雷器模型，大量仿真计算了故障开始至切除的过程中10 kV避雷器的吸收能量，得到接地网地电位升安全限值为11.7 kV，该方法解决了GPR允许值过于保守的问题。笔者以高土壤电阻率地区拟建的某220 kV变电站为例，综合运用接地分析软件CDEGS及电磁暂态分析软件EMTP，从均衡地表电位、放宽接地电阻和地电位升上限值、降阻措施研究及经济性比较3个方面对变电站接地系统进行优化分析。
1 变电站概况
拟建220 kV输变电工程位于太行山东麓，属低山丘陵地貌，区域地势西北高，东南低。站址区山体基岩高度风化，覆盖层相对较薄。通过文纳四极法[8]对变电站站址视在土壤电阻率进行测量，并利用CDEGS中的RESAP模块，反演得到变电站站址模型见表1，土壤有明显分层，上、下两层土壤电阻率很大，土壤情况不理想。
表1 反演得到的土壤结构Table 1 Soil structure obtained by inversion
变电站南北长99 m，东西宽88.5 m，主接地网设置均匀网格，大小约为10 m，地网网孔交点处均敷设短垂直接地极，长为2.5 m，水平接地体采用80 mm×10 mm的热镀锌扁钢，埋深0.8 m，垂直接地极采用Φ60镀锌钢管。根据系统提供，220 kV侧最大短路电流30.15 kA。综合考虑，按照30.15 kA短路电流计算变电站入地电流，取分流系数为0.5。另外为留有适量的裕度，忽略中性点短路电流，入地电流I=30.15×(1-0.5)=15.1 kA，故障持续时间为0.4 s。
经计算，接地网的接地性能参数见表2，变电站接触电压和跨步电压的安全限值见表3。由计算结果可知，接地电阻为2.24，地电位升为33 815.91 V，接触电压和跨步电压值分别为6 663.77 V、3 464.91 V。GB/T -2011(交流电气装置的接地技术规范)中要求接地电阻R≤2 000/I，地电位升不超过5 000 V，接地网接地参数远远不能满足要求。另外，未铺设高阻层时，接触电压、跨步电压安全限值分别为505.41 V和1 223.38 V，由表3可知，即便是铺设沥青混泥土，其在下雨天能保持5 000·m的电阻率，接触电压依然不能满足地网安全要求，因此需要对接地方案进行研究。
表2 220 kV变电站接地网接地特性Table 2 Grounding characteristics of grounding system of 220 kV substationR/ΩGPR/VUT/VUS/V参数值2....91
表3 不同条件下接触电压和跨步电压限值要求Table 3 Contact voltage and step voltage limit requirements under different conditions
2 变电站接地网网格优化
变电站接地网网格优化是通过改变水平接地极的位置，以达到增大地网散流特性、均衡地表电位、降低接触电压等接地参数的目的。目前，接地网网格布置仍以均匀网格为主，但均匀网格布置时，中心网孔因为屏蔽作用散流密度较小，边角网孔散流密度大，就会导致接地体利用不充分，因此考虑不等间距布置接地体。下面对比分析两种接地网网格不等间距布置的方法，得出较优布置方案。
2.1 最优压缩比布置
按照最优压缩比方法分别对接地网的长边和短边进行优化布置分析，其中，长为99 m边设置11根接地极，长为88.5 m边设置10根接地极，最优布置见表4。最优压缩比布置时变电站接地网特性参数见表5。经计算可知，虽然接地电阻和地电位升有少许的上升，但接触电压为5 533.43 V，较均匀网格布置的接地网降低了16.7%，效果较为明显。
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