摘要：全戶內(nèi)智能變電站占地面積小，入地短路電流高，雖然城區(qū)土壤電阻率相對較低，但接地電阻和地電位升仍難以降低。以某110 kV全戶內(nèi)變電站土壤模型為例，對新一代智能變電站典型設(shè)計方案110-A2-X1的接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計時，通過分析設(shè)計規(guī)范對接地參數(shù)的要求，適當(dāng)放寬接地網(wǎng)地電位升高的限值;基于CDEGS接地分析軟件，分析不同面積和網(wǎng)孔尺寸的雙層地網(wǎng)的降阻效果，以及不同數(shù)量和長度深井接地極的降阻效果，并對應(yīng)用了雙層地網(wǎng)和深井接地極的優(yōu)化方案進(jìn)行安全性評估和經(jīng)濟(jì)性比較。結(jié)果表明，與雙層地網(wǎng)相比，接地深井雖然成本較高，但降阻效果良好，對于無人值守的110 kV全戶內(nèi)智能變電站，選取6口55 m的接地深井的降阻方式形成其接地網(wǎng)優(yōu)化方案可滿足各項安全性要求。

關(guān)鍵詞：全戶內(nèi)智能變電站 雙層接地網(wǎng) 接地參數(shù) 接地深井 優(yōu)化設(shè)計

引言

接地網(wǎng)是變電站安全可靠運(yùn)行的重要保證，它不僅為站內(nèi)電氣設(shè)備提供一個公共的參考地，而且能確保故障情況下，運(yùn)行人員和電氣設(shè)備的安全[1-2]。在能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)建設(shè)的新形勢下，電網(wǎng)容量急劇擴(kuò)大，系統(tǒng)短路電流故障水平越來越高，國家電網(wǎng)公司為提升電網(wǎng)智能化水平，對新一代智能變電站技術(shù)進(jìn)行深入研究并形成具有重要指導(dǎo)意義的新一代智能變電站典型設(shè)計方案[3-4]。接地網(wǎng)的設(shè)計需要考慮變電站基本情況、站址土壤電阻率和土壤特性等因素，因此在該典型設(shè)計方案中并沒有給出接地網(wǎng)的典型設(shè)計方案[5-7]。全戶內(nèi)GIS智能變電站因占地面積小、噪音小和工作壽命長等優(yōu)勢在城市變電站建設(shè)中越來越多地被采用。變電站面積的減小和入地故障電流的增加給接地網(wǎng)設(shè)計造成困難，單層接地網(wǎng)難以使接地電阻和地電位升(grounding potential rise, GPR)等參數(shù)滿足文獻(xiàn)[8]的要求，擴(kuò)網(wǎng)又受到征地面積的限制。近年來，在變電站接地網(wǎng)工程改造中發(fā)現(xiàn)，除了深井接地極在降阻方面有顯著效果外，雙層結(jié)構(gòu)的接地網(wǎng)能有效降低跨步電位差和接觸電位差。福州城區(qū)110 kV變電站和500 kV香山變電站接地網(wǎng)改造中，雙層地網(wǎng)均為覆蓋整個變電站的方孔結(jié)構(gòu)，其中福州城區(qū)110 kV變電站二層地網(wǎng)外延尺寸略小于上層地網(wǎng)，而香山500 kV變電站則略大于上層地網(wǎng)[9-10]。目前，在變電站接地網(wǎng)的改造工程中使用的雙層地網(wǎng)大體有2種尺寸，一種是二層地網(wǎng)的覆蓋面積可達(dá)到整個變電站大小，另一種是其覆蓋面積與配電樓地基相當(dāng)。在施工時，前者需要在變電站圍墻附近開挖獨立的溝道以敷設(shè)2層接地網(wǎng)，而后者則可與配電樓地基建設(shè)同時進(jìn)行。由于接地深井施工費昂貴，從安全性和經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合的角度來講，在全戶內(nèi)變電站接地網(wǎng)的設(shè)計改造中，二層地網(wǎng)的面積及其網(wǎng)孔尺寸對降阻效果的影響是有必要研究的。

110-A2-X1是國家電網(wǎng)公司推薦的全戶內(nèi)GIS智能變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案，適宜應(yīng)用在城區(qū)變電站的設(shè)計中[3]。110-A2-X1為智能變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案編號，其中：“110”表示變電站電壓等級為110 kV;“A2”表示變電站類型為全戶內(nèi)GIS變電站;“X”表示新一代智能變電站設(shè)計方案;而“1”表示110-A2-X1是110-A2-X類型方案中的一種，并將該方案編號為1。城區(qū)變電站一般容量較大，接地短路電流水平較高，并采用全電纜出線，導(dǎo)致地線對故障電流分流貢獻(xiàn)下降，接地網(wǎng)入地電流水平較高，即使土壤電阻率較低，接地網(wǎng)的接地電阻仍不能嚴(yán)格降至國標(biāo)要求。因此，對于此類變電站不能只關(guān)注接地阻抗一個參數(shù)，而需要進(jìn)行綜合性評價。另外，新一代智能變電站的運(yùn)營方式逐漸趨向于無人值守，與工作人員人身安全相關(guān)的參數(shù)可以相應(yīng)淡化。為了保障接地網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，最根本的方法就是在設(shè)計階段進(jìn)行相應(yīng)評估，力求設(shè)計的接地網(wǎng)滿足要求，以減少運(yùn)維工作量[11-13]。

本文以某110 kV全戶內(nèi)智能變電站為例，在參考新一代智能變電站典型設(shè)計方案110-A2-X1的基礎(chǔ)上，采用雙層接地網(wǎng)和接地深井組合的降阻方式，對其接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計時基于接地分析軟件CDEGS，分析不同面積和網(wǎng)孔尺寸的二層地網(wǎng)的降阻效果，以及不同數(shù)量和長度深井接地極的降阻效果，并對優(yōu)化方案進(jìn)行安全性評估和經(jīng)濟(jì)性比較，最終選取了安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡的接地網(wǎng)優(yōu)化方案。

1 地網(wǎng)初步設(shè)計及其安全性分析

110-A2-X1典型設(shè)計方案采用全戶內(nèi)布置，主變、電容器、配電裝置、二次設(shè)備等均布置在“一”字配電裝置樓內(nèi)，配電裝置樓四周環(huán)繞4 m寬的站內(nèi)人行道，站內(nèi)右側(cè)有消防泵房、消防水池等建筑。圍墻內(nèi)占地面積2 774 m2。其中，配電裝置樓為地上2層建筑。變電站遠(yuǎn)景規(guī)劃3臺主變壓器。110 kV側(cè)6回全電纜出線，短路電流水平為40 kA;10 kV側(cè)42回全電纜出線，短路電流水平25 kA。全電纜出線使分流系數(shù)大大降低，考慮最嚴(yán)重情況，選擇分流系數(shù)為36%，則入地故障電流為25.6 kA，故障電流水平較高。主接地網(wǎng)采用不等距網(wǎng)格布置，水平接地網(wǎng)采用截面為120 mm2的銅絞線，垂直接地體選用直徑14.2 mm的銅覆鋼接地棒。某110 kV全戶內(nèi)變電站土壤模型如表1所示。

1.1 安全設(shè)計指標(biāo)

在接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計中，表征接地網(wǎng)安全性能宏觀指標(biāo)的特性參數(shù)包括接地阻抗、GPR、接地網(wǎng)電位差(grounding potential difference, GPD)、接觸電位差和跨步電位差等[14-16]。GPR指電流經(jīng)接地網(wǎng)流入大地時，接地網(wǎng)與大地零電位點之間的電位差，GPR過高會使低壓避雷器擊穿;GPD指接地網(wǎng)通過電流時，接地網(wǎng)上不同兩點之間的電位差，該電位差是造成二次電纜燒毀的主要原因。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)滿足R≤2 000/IG，接地電阻不能滿足該公式時，可通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較適當(dāng)增大接地電阻。《電力工程電氣設(shè)計手冊》中將工頻接地電阻限值放寬至0.5 Ω甚至5.0 Ω，R≤5.0 Ω時應(yīng)符合要求：(1)對可能將接地網(wǎng)的高電位引向廠、所外，或?qū)⒌碗娢灰驈S所內(nèi)的設(shè)施，應(yīng)采取隔離措施;(2)當(dāng)接地網(wǎng)升高時，考慮短路電流非周期分量的影響，發(fā)電廠、變電所內(nèi)3~10 kV閥型避雷器不應(yīng)動作;(3)設(shè)計時應(yīng)采用均壓措施并驗算接觸電位差和跨步電位差，施工后應(yīng)進(jìn)行測量，并繪制分布曲線[17]。

接觸電位差和跨步電位差的安全限值可分別按照式(1)和式(2)進(jìn)行計算。

式中：Ut為接觸電位差安全限值;Us為跨步電位差安全限值;ρs為地表層的土壤電阻率;Cs為表層衰減系數(shù)，ts為故障持續(xù)時間，取0.7 s。如表1所示土壤條件下的接觸電位差和跨步電位差安全值分別是220 V和255 V。一般情況下，變電站戶外場地宜敷設(shè)礫石、卵石、瀝青混凝土和絕緣水泥等，厚度一般為10~35 cm。敷設(shè)瀝青混凝土后，表層土壤電阻率可達(dá)5 000 Ω˙m，則接觸電位差和跨步電位差安全值分別為1 213 V和4 349 V。

全戶內(nèi)智能變電站運(yùn)行管理方式逐漸趨向于無人值守，因此對接地網(wǎng)的安全性要求由人員安全和設(shè)備安全兩方面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備安全，設(shè)計接地網(wǎng)時進(jìn)行安全評估的重點轉(zhuǎn)移到設(shè)備上，即重點考察低壓避雷器、110 kV及以上電力電纜以及二次設(shè)備的安全性，接觸電位差和跨步電位差的安全限值可以適當(dāng)放寬。

GPR的安全限值需要滿足條件：(1)滿足一次設(shè)備也就是低壓避雷器和110 kV電纜護(hù)層保護(hù)器的耐受;(2)滿足二次設(shè)備及二次電纜的耐受要求。根據(jù)二次設(shè)備相關(guān)規(guī)程和技術(shù)規(guī)范規(guī)定，工頻下二次設(shè)備的絕緣水平通常為2 000~3 000 V[18]。在二次接地網(wǎng)等電位連接的條件下，只要二次電纜是雙端接地方式的智能變電站接地網(wǎng)的GPD小于2 000 V即可保證二次系統(tǒng)不受損壞。對智能變電站低壓避雷器的GPR耐受值和單端接地的電纜護(hù)層保護(hù)器的GPR耐受值進(jìn)行校驗，可以得到比較可靠的GPR安全限值。經(jīng)校驗，GPR限值可放寬至9.5 kV[19]。

1.2 地網(wǎng)安全性分析

根據(jù)變電站總體布置情況，變電站主接地網(wǎng)初步設(shè)計方案為埋深在地下0.8 m的矩形地網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為6 m×6 m，面積為72 m×37 m，網(wǎng)孔交點處均有2.5 m短垂直接地極。經(jīng)計算，接地網(wǎng)初步設(shè)計方案的接地電阻為0.59 Ω，最大GPR值為14.99 kV，過高的地電位升必然導(dǎo)致站內(nèi)接觸電位差和跨步電位差超標(biāo)，如圖1所示。由圖1可知，次邊角網(wǎng)格接觸電位差最大值為1 476.1 V，遠(yuǎn)超安全值，跨步電位差最大值為1 215.5 V，站內(nèi)跨步電位差滿足安全性要求。站內(nèi)最大地電位差只有247.57 V，滿足國標(biāo)中2 000 V以下的要求，對其二次電纜及二次設(shè)備不會造成損壞，因此在后續(xù)進(jìn)行接地網(wǎng)優(yōu)化時，需采取降阻措施，使GPR滿足設(shè)計指標(biāo)不高于9.5 kV的要求。

2 接地網(wǎng)優(yōu)化方式研究

全戶內(nèi)變電站上層地網(wǎng)(埋深0.8 m)的布置方式與變電站總平面布置有關(guān)，很難在上層水平地網(wǎng)的布置方式上對其進(jìn)行優(yōu)化。常用的降阻方式是在水平地網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加長垂直接地極或深井接地極，而國外常用雙層或多層地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。長垂直接地極和深井接地極可以深入土壤深處幫助散流，且不受氣候等條件對表層土壤的影響;二層地網(wǎng)埋深根據(jù)變電站底板或配電裝置樓的地基高度確定，其布置方式不受變電站總平面布置的限制。

針對不同布置方式的二層地網(wǎng)和深井接地極進(jìn)行計算，比較其降阻效果和經(jīng)濟(jì)性。本文的經(jīng)濟(jì)性比較主要是估算靜態(tài)投資，靜態(tài)投資包括施工費用和材料費用兩項。根據(jù)變電站接地網(wǎng)施工報價，接地網(wǎng)建設(shè)所需的施工費用如表2所示，材料費用單價：水平地網(wǎng)為52元/m和2.5 m短垂直接地極為56.5元/根。

2.1 二層地網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸

在接地網(wǎng)初步設(shè)計方案的基礎(chǔ)上增加面積相同、網(wǎng)孔尺寸不同的二層地網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸越大則網(wǎng)孔數(shù)量越少。網(wǎng)孔尺寸有48 m×18.5 m、24 m×9.25 m、9.6 m×9.25 m和6 m×6.17 m 4種，網(wǎng)孔數(shù)分別為1、4、10和24。表3是采用不同網(wǎng)孔尺寸的二層地網(wǎng)時，接地網(wǎng)的特性參數(shù)和靜態(tài)投資比較，其中靜態(tài)投資僅為二層地網(wǎng)的靜態(tài)投資。

由表3可知，二層地網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸對接地網(wǎng)的接地電阻影響很小，可忽略不計。僅有一個網(wǎng)孔的二層地網(wǎng)與其他情況相比，接觸電位差和跨步電位差差值也分別維持在3.9%~7.8%和1.9%~3.8%。比較僅有外框形式的二層地網(wǎng)(網(wǎng)孔數(shù)為1)和網(wǎng)孔數(shù)最多的情況(網(wǎng)孔數(shù)為24)，后者的最大接觸電位差和跨步電位差雖然比前者低大約幾十伏，最大GPR比前者低348 V左右，但其施工費用卻比前者高約63%。二層地網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸直接決定了工程造價的高低，在均壓效果相似的條件下，若采用網(wǎng)孔尺寸較大，即網(wǎng)孔個數(shù)較少的二層地網(wǎng)，則更加符合安全性和經(jīng)濟(jì)性平衡的設(shè)計理念。根據(jù)上述結(jié)果，在使用雙層地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，二層地網(wǎng)可以采取僅敷設(shè)外框的形式。

2.2 二層地網(wǎng)的覆蓋面積

目前，在變電站接地網(wǎng)的改造工程中使用的雙層地網(wǎng)大體有兩種尺寸，一種是二層地網(wǎng)的覆蓋面積可達(dá)到整個變電站大小，一種是其覆蓋面積與配電樓地基相當(dāng)。在施工時，前者需要在變電站圍墻附近開挖獨立的溝道以敷設(shè)接地網(wǎng)，而后者則可與配電樓地基建設(shè)同時進(jìn)行，前者的施工費用比后者高一倍以上。由于110-A2-X1方案面積小，因此本文只選擇二層地網(wǎng)外延大小沿配電樓條基和沿變電站圍墻兩種具體尺寸的二層地網(wǎng)進(jìn)行比較。

在接地網(wǎng)初步設(shè)計方案的基礎(chǔ)上增加上述兩種面積的二層地網(wǎng)，為了排除網(wǎng)孔尺寸的不同給計算結(jié)果帶來的影響，方便比較二層地網(wǎng)的優(yōu)化效果，兩種接地網(wǎng)方案中二層地網(wǎng)均為無網(wǎng)格的框架式結(jié)構(gòu)。表4是對2種接地網(wǎng)接地特性參數(shù)的計算結(jié)果，其中靜態(tài)投資僅為二層地網(wǎng)的靜態(tài)投資。由表4可知，二層地網(wǎng)外延沿變電站圍墻時，對接地電阻和跨步電位差降低的效果比較明顯，而沿配電樓條基時，對接觸電位差降低的效果顯著。二者各有優(yōu)勢。建設(shè)沿配電樓條基的二層地網(wǎng)只需在開挖地基的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，而沿變電站圍墻的二層地網(wǎng)由于需要在圍墻附近額外開挖更深的溝道，并且耗費的接地材料較多，其靜態(tài)投資比前者高約64%。

2.3 深井接地極

為了考察深井接地極的降阻和降壓效果，在接地網(wǎng)初步設(shè)計方案的基礎(chǔ)上增加長度為40 m的深井接地極。表5是增加不同數(shù)量的深井接地極時接地網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。由表5可知，與雙層接地網(wǎng)相比，深井接地極可以顯著降低各個特性參數(shù)，但靜態(tài)投資也遠(yuǎn)高于雙層地網(wǎng)。接地極數(shù)量越多，降阻和降壓效果越好，但隨接地極數(shù)量增加會有一定屏蔽作用，由表5可知，接地極數(shù)量達(dá)到8根之后降阻率上升速率明顯下降。