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110 kV全户内智能变电站接地网优化设计
江苏中动电力设备有限公司 / 2018-06-01

摘要:全户内智能变电站占地面积小,入地短路电流高,虽然城区土壤电阻率相对较低,但接地电阻和地电位升仍难以降低。以某110 kV全户内变电站土壤模型为例,对新一代智能变电站典型设计方案110-A2-X1的接地网进行优化设计。优化设计时,通过分析设计规范对接地参数的要求,适当放宽接地网地电位升高的限值;基于CDEGS接地分析软件,分析不同面积和网孔尺寸的双层地网的降阻效果,以及不同数量和长度深井接地极的降阻效果,并对应用了双层地网和深井接地极的优化方案进行安全性评估和经济性比较。结果表明,与双层地网相比,接地深井虽然成本较高,但降阻效果良好,对于无人值守的110 kV全户内智能变电站,选取6口55 m的接地深井的降阻方式形成其接地网优化方案可满足各项安全性要求。

关键词:全户内智能变电站 双层接地网 接地参数 接地深井 优化设计

引言

接地网是变电站安全可靠运行的重要保证,它不仅为站内电气设备提供一个公共的参考地,而且能确保故障情况下,运行人员和电气设备的安全[1-2]。在能源互联网和智能电网建设的新形势下,电网容量急剧扩大,系统短路电流故障水平越来越高,国家电网公司为提升电网智能化水平,对新一代智能变电站技术进行深入研究并形成具有重要指导意义的新一代智能变电站典型设计方案[3-4]。接地网的设计需要考虑变电站基本情况、站址土壤电阻率和土壤特性等因素,因此在该典型设计方案中并没有给出接地网的典型设计方案[5-7]。全户内GIS智能变电站因占地面积小、噪音小和工作寿命长等优势在城市变电站建设中越来越多地被采用。变电站面积的减小和入地故障电流的增加给接地网设计造成困难,单层接地网难以使接地电阻和地电位升(grounding potential rise, GPR)等参数满足文献[8]的要求,扩网又受到征地面积的限制。近年来,在变电站接地网工程改造中发现,除了深井接地极在降阻方面有显著效果外,双层结构的接地网能有效降低跨步电位差和接触电位差。福州城区110 kV变电站和500 kV香山变电站接地网改造中,双层地网均为覆盖整个变电站的方孔结构,其中福州城区110 kV变电站二层地网外延尺寸略小于上层地网,而香山500 kV变电站则略大于上层地网[9-10]。目前,在变电站接地网的改造工程中使用的双层地网大体有2种尺寸,一种是二层地网的覆盖面积可达到整个变电站大小,另一种是其覆盖面积与配电楼地基相当。在施工时,前者需要在变电站围墙附近开挖独立的沟道以敷设2层接地网,而后者则可与配电楼地基建设同时进行。由于接地深井施工费昂贵,从安全性和经济性相结合的角度来讲,在全户内变电站接地网的设计改造中,二层地网的面积及其网孔尺寸对降阻效果的影响是有必要研究的。

110-A2-X1是国家电网公司推荐的全户内GIS智能变电站标准设计方案,适宜应用在城区变电站的设计中[3]。110-A2-X1为智能变电站标准设计方案编号,其中:“110”表示变电站电压等级为110 kV;“A2”表示变电站类型为全户内GIS变电站;“X”表示新一代智能变电站设计方案;而“1”表示110-A2-X1是110-A2-X类型方案中的一种,并将该方案编号为1。城区变电站一般容量较大,接地短路电流水平较高,并采用全电缆出线,导致地线对故障电流分流贡献下降,接地网入地电流水平较高,即使土壤电阻率较低,接地网的接地电阻仍不能严格降至国标要求。因此,对于此类变电站不能只关注接地阻抗一个参数,而需要进行综合性评价。另外,新一代智能变电站的运营方式逐渐趋向于无人值守,与工作人员人身安全相关的参数可以相应淡化。为了保障接地网的安全性和经济性,最根本的方法就是在设计阶段进行相应评估,力求设计的接地网满足要求,以减少运维工作量[11-13]。

本文以某110 kV全户内智能变电站为例,在参考新一代智能变电站典型设计方案110-A2-X1的基础上,采用双层接地网和接地深井组合的降阻方式,对其接地网进行优化设计。优化设计时基于接地分析软件CDEGS,分析不同面积和网孔尺寸的二层地网的降阻效果,以及不同数量和长度深井接地极的降阻效果,并对优化方案进行安全性评估和经济性比较,最终选取了安全性和经济性相平衡的接地网优化方案。

1 地网初步设计及其安全性分析

110-A2-X1典型设计方案采用全户内布置,主变、电容器、配电装置、二次设备等均布置在“一”字配电装置楼内,配电装置楼四周环绕4 m宽的站内人行道,站内右侧有消防泵房、消防水池等建筑。围墙内占地面积2 774 m2。其中,配电装置楼为地上2层建筑。变电站远景规划3台主变压器。110 kV侧6回全电缆出线,短路电流水平为40 kA;10 kV侧42回全电缆出线,短路电流水平25 kA。全电缆出线使分流系数大大降低,考虑最严重情况,选择分流系数为36%,则入地故障电流为25.6 kA,故障电流水平较高。主接地网采用不等距网格布置,水平接地网采用截面为120 mm2的铜绞线,垂直接地体选用直径14.2 mm的铜覆钢接地棒。某110 kV全户内变电站土壤模型如表1所示。

 

1.1 安全设计指标

在接地网的优化设计中,表征接地网安全性能宏观指标的特性参数包括接地阻抗、GPR、接地网电位差(grounding potential difference, GPD)、接触电位差和跨步电位差等[14-16]。GPR指电流经接地网流入大地时,接地网与大地零电位点之间的电位差,GPR过高会使低压避雷器击穿;GPD指接地网通过电流时,接地网上不同两点之间的电位差,该电位差是造成二次电缆烧毁的主要原因。根据文献[8],接地网的接地电阻应满足R≤2 000/IG,接地电阻不能满足该公式时,可通过经济技术比较适当增大接地电阻。《电力工程电气设计手册》中将工频接地电阻限值放宽至0.5 Ω甚至5.0 Ω,R≤5.0 Ω时应符合要求:(1)对可能将接地网的高电位引向厂、所外,或将低电位引向厂所内的设施,应采取隔离措施;(2)当接地网升高时,考虑短路电流非周期分量的影响,发电厂、变电所内3~10 kV阀型避雷器不应动作;(3)设计时应采用均压措施并验算接触电位差和跨步电位差,施工后应进行测量,并绘制分布曲线[17]。

接触电位差和跨步电位差的安全限值可分别按照式(1)和式(2)进行计算。

 

式中:Ut为接触电位差安全限值;Us为跨步电位差安全限值;ρs为地表层的土壤电阻率;Cs为表层衰减系数,ts为故障持续时间,取0.7 s。如表1所示土壤条件下的接触电位差和跨步电位差安全值分别是220 V和255 V。一般情况下,变电站户外场地宜敷设砾石、卵石、沥青混凝土和绝缘水泥等,厚度一般为10~35 cm。敷设沥青混凝土后,表层土壤电阻率可达5 000 Ω˙m,则接触电位差和跨步电位差安全值分别为1 213 V和4 349 V。

全户内智能变电站运行管理方式逐渐趋向于无人值守,因此对接地网的安全性要求由人员安全和设备安全两方面逐渐转变为设备安全,设计接地网时进行安全评估的重点转移到设备上,即重点考察低压避雷器、110 kV及以上电力电缆以及二次设备的安全性,接触电位差和跨步电位差的安全限值可以适当放宽。

GPR的安全限值需要满足条件:(1)满足一次设备也就是低压避雷器和110 kV电缆护层保护器的耐受;(2)满足二次设备及二次电缆的耐受要求。根据二次设备相关规程和技术规范规定,工频下二次设备的绝缘水平通常为2 000~3 000 V[18]。在二次接地网等电位连接的条件下,只要二次电缆是双端接地方式的智能变电站接地网的GPD小于2 000 V即可保证二次系统不受损坏。对智能变电站低压避雷器的GPR耐受值和单端接地的电缆护层保护器的GPR耐受值进行校验,可以得到比较可靠的GPR安全限值。经校验,GPR限值可放宽至9.5 kV[19]。

1.2 地网安全性分析

根据变电站总体布置情况,变电站主接地网初步设计方案为埋深在地下0.8 m的矩形地网,网孔尺寸为6 m×6 m,面积为72 m×37 m,网孔交点处均有2.5 m短垂直接地极。经计算,接地网初步设计方案的接地电阻为0.59 Ω,最大GPR值为14.99 kV,过高的地电位升必然导致站内接触电位差和跨步电位差超标,如图1所示。由图1可知,次边角网格接触电位差最大值为1 476.1 V,远超安全值,跨步电位差最大值为1 215.5 V,站内跨步电位差满足安全性要求。站内最大地电位差只有247.57 V,满足国标中2 000 V以下的要求,对其二次电缆及二次设备不会造成损坏,因此在后续进行接地网优化时,需采取降阻措施,使GPR满足设计指标不高于9.5 kV的要求。

 

2 接地网优化方式研究

全户内变电站上层地网(埋深0.8 m)的布置方式与变电站总平面布置有关,很难在上层水平地网的布置方式上对其进行优化。常用的降阻方式是在水平地网的基础上增加长垂直接地极或深井接地极,而国外常用双层或多层地网进行优化。长垂直接地极和深井接地极可以深入土壤深处帮助散流,且不受气候等条件对表层土壤的影响;二层地网埋深根据变电站底板或配电装置楼的地基高度确定,其布置方式不受变电站总平面布置的限制。

针对不同布置方式的二层地网和深井接地极进行计算,比较其降阻效果和经济性。本文的经济性比较主要是估算静态投资,静态投资包括施工费用和材料费用两项。根据变电站接地网施工报价,接地网建设所需的施工费用如表2所示,材料费用单价:水平地网为52元/m和2.5 m短垂直接地极为56.5元/根。

 

2.1 二层地网网孔尺寸

在接地网初步设计方案的基础上增加面积相同、网孔尺寸不同的二层地网,网孔尺寸越大则网孔数量越少。网孔尺寸有48 m×18.5 m、24 m×9.25 m、9.6 m×9.25 m和6 m×6.17 m 4种,网孔数分别为1、4、10和24。表3是采用不同网孔尺寸的二层地网时,接地网的特性参数和静态投资比较,其中静态投资仅为二层地网的静态投资。

 

由表3可知,二层地网的网孔尺寸对接地网的接地电阻影响很小,可忽略不计。仅有一个网孔的二层地网与其他情况相比,接触电位差和跨步电位差差值也分别维持在3.9%~7.8%和1.9%~3.8%。比较仅有外框形式的二层地网(网孔数为1)和网孔数最多的情况(网孔数为24),后者的最大接触电位差和跨步电位差虽然比前者低大约几十伏,最大GPR比前者低348 V左右,但其施工费用却比前者高约63%。二层地网的网孔尺寸直接决定了工程造价的高低,在均压效果相似的条件下,若采用网孔尺寸较大,即网孔个数较少的二层地网,则更加符合安全性和经济性平衡的设计理念。根据上述结果,在使用双层地网进行优化设计时,二层地网可以采取仅敷设外框的形式。

2.2 二层地网的覆盖面积

目前,在变电站接地网的改造工程中使用的双层地网大体有两种尺寸,一种是二层地网的覆盖面积可达到整个变电站大小,一种是其覆盖面积与配电楼地基相当。在施工时,前者需要在变电站围墙附近开挖独立的沟道以敷设接地网,而后者则可与配电楼地基建设同时进行,前者的施工费用比后者高一倍以上。由于110-A2-X1方案面积小,因此本文只选择二层地网外延大小沿配电楼条基和沿变电站围墙两种具体尺寸的二层地网进行比较。

在接地网初步设计方案的基础上增加上述两种面积的二层地网,为了排除网孔尺寸的不同给计算结果带来的影响,方便比较二层地网的优化效果,两种接地网方案中二层地网均为无网格的框架式结构。表4是对2种接地网接地特性参数的计算结果,其中静态投资仅为二层地网的静态投资。由表4可知,二层地网外延沿变电站围墙时,对接地电阻和跨步电位差降低的效果比较明显,而沿配电楼条基时,对接触电位差降低的效果显著。二者各有优势。建设沿配电楼条基的二层地网只需在开挖地基的基础上进行施工,而沿变电站围墙的二层地网由于需要在围墙附近额外开挖更深的沟道,并且耗费的接地材料较多,其静态投资比前者高约64%。

 

2.3 深井接地极

为了考察深井接地极的降阻和降压效果,在接地网初步设计方案的基础上增加长度为40 m的深井接地极。表5是增加不同数量的深井接地极时接地网的技术经济比较。由表5可知,与双层接地网相比,深井接地极可以显著降低各个特性参数,但静态投资也远高于双层地网。接地极数量越多,降阻和降压效果越好,但随接地极数量增加会有一定屏蔽作用,由表5可知,接地极数量达到8根之后降阻率上升速率明显下降。

 

为了使降阻效果较明显,在接地网初步设计方案的基础上增加4根不同长度的深井接地极,表6是深井接地极长度不同时的技术经济比较。由表6可知,接地极长度越长,降阻和降压效果越好。从表5和表6可以看出,深井接地极总长度相同的前提下,当总长度超过一定数值(这里为160 m)时,增加接地极长度比增加接地极数量降阻效果更好。

 

2.4 小结

全户内智能变电站短路水平高达25.6 kA,接地电阻和GPR等参数难以降低。双层地网对接地电阻的降阻率约为3%左右,而深井接地极在数量较多、长度较长的情况下却可达到40%左右。深井接地极的建设成本远远高于双层地网,但在短路电流水平非常高的全户内智能变电站中,对接地网进行优化设计时,双层地网很难将地网特性参数尤其是GPR降低到安全范围内。然而,双层地网对GPD的降低作用较为显著,降低百分比约为23.96%,这对整个地网的均压较为有利。但全户内智能变电站在占地面积较小,其接地网压差本身就不会过大,在这种情况下,双层地网的应用价值并不高。因此,变电站接地网优化设计时,在综合考虑变电站面积、土壤、短路电流以及设备耐受等情况的前提下,可以使用深井接地极降阻或深井接地极和双层地网组合降阻。

3 110-A2-X1方案接地网优化设计

通过对双层地网和深井接地极的仿真分析,并根据110-A2-X1变电站无人值守和短路电流水平过大的特点,采用以下3种方案对接地网进行优化,并进行技术经济比较。

3.1 接地网优化方案

方案1:在接地网初步设计方案的基础上,采用接地深井降阻。即在接地网外缘敷设12口接地深井,深井深度为40 m,深井接地极与水平地网相连。深井接地极总长度为480 m。

方案2:在接地网初步设计方案的基础上,采用接地深井降阻。即在接地网外缘敷设6口接地深井,深井深度为55 m,深井接地极与水平地网相连。深井接地极总长度为330 m。

方案3:在接地网初步设计方案的基础上,采用配电楼下二层地网与深井接地极组合降阻。即变电站上层接地网为如图1所示的埋深在地下0.8 m的矩形地网,面积为72 m×37 m;二层地网在配电楼条基上方,是外延等同于条基外延面积为48.0 m×18.5 m的矩形框,在边角处就近与上层地网相连;在接地网外缘敷设6口55 m的接地深井,深井接地极与上层地网相连。

3.2 技术经济比较

对上述4个接地网模型进行计算,各方案接地参数计算值如表7所示。所有参数均在安全限值范围以内,可见3种接地方案都满足接地设计规范的要求。下面将对3种方案进行技术经济比较。

与方案1相比,方案2接地电阻和GPR水平偏低0.7%,GPD水平相差不多,接触电位差和跨步电位差均在安全限值内,但静态投资相差30.28万元,方案2的静态投资比方案1低29%。

与方案3相比,方案2接地电阻和GPR水平偏高0.6%,GPD水平偏高21.6%,接触电位差和跨步电位差均在安全限值内,静态投资只相差2万元,方案2比方案3低2.6%。

 

方案1与方案2的降阻方式均采用深井接地极。二者不同点在于方案1达到安全性指标所用深井接地极数量较多,长度较短,深井接地极总长度较长。从数据上看,在110-A2-X1变电站的接地网优化中,增加的每根深井接地极长度需保持在40 m以上,在此基础上,适当增加深井接地极的长度,减少深井接地极的数量,能使降阻效果更加明显,并能有效控制成本的增加。另外也可以看出接地深井口数增加可以显著降低接触电位差,而接地体深埋则可以有效降低接地电阻。

方案3仅比方案2增加了二层接地网。从数据上来看,二层地网增加了成本,却对接地电阻和GPR的降低几乎没起作用,然而在需要降低GPD的情况可以考虑使用二层地网来实现。可见仅使用深井接地极来降阻即可达到优化接地网的效果。

综上所述,110-A2-X1全户内智能变电站的接地网适宜采用6口长度为55 m的接地深井进行优化,使接地网满足各项安全性要求。

4 结论

通过模拟计算和分析,并结合110-A2-X1典型设计验证,得出结论:(1)沿配电楼条基敷设的矩形外框形式的二层地网与其他形式的二层地网相比降阻和降压效果相差不多,但成本最低,因此若使用双层地网降阻推荐沿配电楼条基敷设的矩形外框形式的二层地网。(2)深井接地极数量越多,降阻和降压效果越好,但随数量增加会逐渐趋于饱和,另外,深井接地极总长度相同的前提下,当总长度超过一定数值时,增加接地极长度比增加接地极数量降阻效果更好。深井接地极成本高于双层地网,但其降阻效果优于双层地网,在占地面积较小、短路电流水平很高的智能变电站接地网中宜选用深井接地极。(3)110-A2-X1全户内智能变电站占地面积小,入地短路电流高达25.6 kA,虽然土壤条件良好,但接地电阻和GPR难以降低,加上无人值守的运行管理方式,接触电位差和跨步电位差可适当放宽,因此其接地网适宜采用6口长度为55 m的接地深井进行优化,使接地网满足各项安全要求。

作者:王平 , 贾立莉 , 李守学 , 李抗 , 律方成

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