特高压变电站接地优化设计研究

110kV全户内智能变电站接地网优化设计方案

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110kV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110kV全户内

智能变电站，选取6口55m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(groundingpotentialrise,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

110kV变电站接地网的优化设计探讨

摘要：本文首先对变电站接地网作了简单介绍，介绍了接地网的设计原则。然后分析了110kV变电站接地网存在的问题：阻值变大；接地网与设备引线存在薄弱环节；工作人员的操作不当问题；电网设计方法不能满足接地的需要。最后对110kV变电站接地网的优化设计进行了探讨，以供参考。

关键词：变电站接地网；设计原则；存在问题；优化设计

变电站接地网设计需要满足不同安全规范的要求，良好的接地网是整个变电站中防雷接地、保护接地和工作接地三者的统一。优化变电站的接地网，使其不仅能满足防雷、保护及工作的要求，而且满足一、二次系统电磁兼容的要求，有效提高变电站弱电设备的抗干扰能力，具有重要的意义。

1 变电站接地网的设计原则

接地网是对由埋在地下一定深度的多个金属接地极和由导体将这些接地极相互连接组成一网状结构的接地体的总称。它广泛应用在电力、建筑、计算机，工矿企业、通讯等众多行业之中，起着安全防护、屏蔽等作用。接地网有大有小，有的非常复杂庞大，也有的只由一个接地极构成，一般根据需要来设计。

变电站接地网设计时要遵循以下原则：接地装置的设计在保证人身安全、设备安全及运营可靠性的基础上，应尽可能减少投资。通常情况下，利用建筑物低级钢筋或其他可借助利用的金属物接地，辅以人工接地体，形成闭环形接地网络。综合接地系统的施工应充分考虑接地引出线穿越地下车站结构底板时的防水问题。在设计接地网基地电阻时主要考虑因素是接地网的面积。在特殊部位，一般要采取加强集中接地的方式来实现接地，以有效减小接地电阻。大型接地网网孔数量一般控制在32个以内，过多的设置均压带根数试验表明其减小最大接触系数的效果方面也是有限的，还受到经济性的影响。小面积接地网可采用置换法来改善电阻率。接地网的埋深一般控制在0.6米到0.8米之间。降阻剂应采用物理降阻剂，禁止采用化学降阻剂。

特高压变电站接地优化设计

摘要：接地网的优化设计就是合理布置接地网中的水平导体，得以均匀导体的电流散流密度以及接地网地表的电位分布，提高导体的利用率，更好地确保人身和设备安全。本文基于特高压变电站接地优化设计展开论述。

关键词：特高压变电站；接地；优化设计

引言

随着我国特高压电网建设的不断推进，“八交八直”的特高压电网框架逐步形成，大量的特高压变电站也将投产运行。特高压系统的电压等级高、容量大，因此接地短路电流将相当大。为保证电力系统的安全可靠运行，对接地系统的要求将更加严格。特高压变电站接地系统的设计应充分考虑特高压电网的特点，在满足安全和经济的原则上对接地设计不断优化。

1防雷接地

特高压交流输电是指交流1000kV及以上电压等级的输电技术，与常规500kV交流输电相比，1000kV交流输电线路自然输送功率为4~5倍，输电距离为2~3倍，输送相同容量时的损耗只有1/3~1/4、走廊宽度只有1/2~1/3，具有大容量、远距离、低损耗、省占地的突出优势。特高压交流输电线路杆塔的高度和宽度均较超高压输电线路增加较多，因此线路遭雷击的概率也会增加。通过研究，交流特高压输电线路的防雷保护应以防雷电绕击为主。采用电气几何模型法等方法对特高压线路的雷击跳闸率进行了计算研究，得出合理的地线保护角，有效降低雷电绕击率。全线架设双地线，地线保护角取值：双回路线路保护角，在平原丘陵地区不宜大于3°，在山区不宜大于5°；单回路线路保护角，平原丘陵地区不宜大于6°，在山区不宜大于4°；耐张塔地线对跳线保护角，平原单回路不大于6°，山区单回路和双回路不大于0°；变电站2km进出线段地线保护角不宜大于4°，单回路采用三地线方案加强对中相的保护。

2水平接地网分析

变电站接地网的埋置很有讲究，不仅要结合要求来布置接地网，还要考虑接地网的布置对工作人员人身安全的影响。实践证明，特高压变电站接地网应该埋在冻土层以下，通常为地表以下１．０ｍ以下。确定好位置后，再根据要求均匀地布置导体。根据晋东南特高压变电站的计算结果显示，这样的布置使地电位升小于５ｋＶ，为了确保特高压变电站的电气设备安全运行；跨步电压的值远小于其安全限值，因此就算不铺高阻层也可以满足人身安全。但是，接触电压却远超其安全限值，综上所述，需要铺设高阻层以保障人身安全。将接地网埋在冻土层以下的原因在于冻土层比较薄，对接地电阻造成的影响小。其中，导体间隔１５ｍ，特高压变电站地电位升最佳值为３９４３Ｖ，跨步电压安全限值为５２０Ｖ，高阻层安全限值为４６０Ｖ，为保障人身安全，需设高阻层厚度约为６ｃｍ。数据根据各个变电站的实际情况不同而有所改变。

摘 要 接地网等间距布置存在地电位分布不均匀的问题。在建 220 kV 新塘变电站采用了不等间距布置，即从地网边缘到中心，均压导体间距按负指数规律增加。运用 GPC 接地参数计算程序对两种方法进行分析和计算，结果表明接地网优化设计能显著地改善导体的泄漏电流密度分布，使土壤表面的电位分布均匀，提高安全水平，节省钢材和施工费用。 随着电力系统容量的不断增加，流经地网的入地短路电流也愈来愈大，因此要确保人身和设备的安全，维护系统的可靠运行，不仅要强调降低接地电阻，还要考虑地网上表面的电位分布。在以往接地设计中，接地网的均压导体都按 3 m，5 m，7 m，10 m等间距布置，由于端部和邻近效应，地网的边角处泄漏电流远大于中心处，使地电位分布很不均匀，边角网孔电势大大高于中心网孔电势，而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大。本文结合在建工程

220 kV 新塘变电站的接地网设计，阐释了接地网不等间距布置的方法及其合理性。1 接地网优化设计的合理性1.1 改善导体的泄漏电流密度分布 图1是面积为190 m×170 m的新塘变电站接地网，在导体根数相同的情况下，分别按10 m 等间距布置和平均10 m不等间距布置。沿平行导体①、②、③、④、⑤的泄漏电流密度分布曲线见图2。从图中可见，不等间距布置的接地网，边上导体①的泄漏电流密度较等间距布置的接地网平均低15%左右；对于导体②的泄漏电流密度，这两种布置的接地网几乎相等(仅相差0.3%)；对于中部导体③、④、⑤，不等间距布置的接地网的泄漏电流较等间距布置的接地网分别提高了9%，14%和15%。由此可见，不等间距布置能增大中部导体的泄漏电流密度分布，相应降低了边缘导体的泄漏电流密度，使得中部导体能得到更充分的利用。1.2 均匀土壤表面的电位分布 由表1的计算结果可知，不等间距布置的接地网能较大地改善表面电位分布，其最大与最小网孔电位的相对差值不超过0.7%，使各网孔电位大致相等，而等间距地网，其最大与最小网孔电位的相对差值在12.2%以上。同时不等间距地网的最大接触电势较等间距地网的最大接触电势降低了60.1%，极大地提高了接地网的安全水平。表1 计算结果比较布置最大网孔电位Vmax／kV最小网孔电位Vmin／kV最大接触电势Vjmax／kV接地电阻R／Ω δ／%等间距5.7095.0810.7990.52312.2不等间距5.5445.5060.3150.5190.7注：1)δ=(Vmax-Vmin)／Vmin； 2)地网面积为190 m×170 m； 3)长方向导体根数n1=18，宽方向导体根数n2=20。1.3 节省大量钢材和施工费用 如果按 10 m等间距布置的新塘变电站接地网，最大接触电势在边角网孔，其值为0.799 kV，但采用不等间距布置时，保持最大接触电势与该值接近，这时可节省钢材31.2%，见表2。2 接地网优化设计的方法 在设计时采用尝试的方法来确定均压导体的总根数和总长度，即先对地网长和宽方向的导体根数n1和n2进行试算，对于大地网一般可采用均压导体间距为10 m左右试算，若接触电势满足要求，进行技术经济比较后再考虑增减导体的根数。如图3所示，当确定了n1和n2后，则地网长宽方向的分段数就确定了：长方向上导体分段为k1=n2-1，宽方向上的导体分段为 k2=n1-1，然后按下式得出各分段导体的长度。[!--empirenews.page--]表2 使用钢材量的比较布置n1n2Vjmax／kV钢材长度 L／m等间距18200.7996 860不等间距12140.7564 700Lik=L.Sik，式中 L——地网边长(长方向L=L1，宽方向L=L2)，m； Lik——第 i 段导体长度，m； Sik——Lik占边长L的百分数。 Sik与i的关系似一负指数曲线，即Sik=b1×e-b2i+b3，式中，b1，b2，b3均为常数，其确定方法如下：当7≤k≤14时，当k＞14时， 对于任意矩形地网，只要长、宽方向导体的布置根数一经确定，就可根据长、宽方向导体的不同分段 k，分别按上述推得的公式布置导体的间距。3 结论 a)采用不等间距布置优化设计接地网，能够使地网各网孔电位趋于一致，从而提高了变电站的安全水平。 b)在同样安全水平下，优化设计的接地网较常规布置的接地网，一般能节省钢材量达38%以上，同时也减少了相应的接地工程投资，在技术上、经济上较为合理。 c)从边缘到中心均压导体间距采用按负指数规律增加的新方法来布置接地网，其指数公式的系数b只与某平行导体根数(或平行导体分段数k)有关。