安全性状态评估在接地网基建设计中的应用(潘剑南)

安全性状态评估在接地网基建设计中的应用潘剑南1，王锦永1，李谦2（1．广州粤能电力科技开发有限公司，广东，广州，510080）（2．广东电网公司电力科学研究院，广东，广州，510080）摘要：针对目前接地网评价手段较为单一的现状，总结了接地分析软件在接地网安全性状态评价中的应用，指出数值分析可以弥补现场实测的不足，在地网状态评价、设计和运行维护中具有现场实测无法替代的作用，采用现场实测和理论计算相结合的办法，可以实现接地网安全性状态评价，进一步指导接地网的安全经济设计。关键词：接地网；安全性状态评价；数值分析；设计ApplicationofSecurityEvaluationforSubstationGroundingGridinitsDesignPANJiannan1，WANGJjinyong1，LIQian2(1.GuangzhouYuenengPowerTechnologyDevelopmentCo.Ltd,GuangzhouGuangdong,510075,China;2.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCorporation,Guangzhou,Guangdong510080,China)Abstract:Consideringthatthemethodtoevaluategroundinggrid’ssafetyinsubstationissimplexcurrently,theapplicationtousegroundinganalysissoftwareingroundinggrid’ssafetyevaluationissummarized.Numericalanalysiscancompensateforthedeficiencyoffieldtestandplaysairreplaceableroleingroundinggrid’sevaluation,designandrunningattention,wherefieldtestisnotsogood.Usingamethodcombiningfieldtestandtheoreticalarithmetic,thesolutionofgroundinggrid’ssafetyevaluationisproposed,whichcanbeanusefultoolforthesafeandecomomicaldesignofgroundinggrid.Thebasicprocessesanddesignapplicationcasesofgroundingnetworkundertheanalysissoftwareisalsopresented.Keywords:groundinggrid;securityevaluation;numericalanalysis;design1前言近年来，随着接地网安全性状态评估在发电厂、变电站接地网运行维护阶段应用的广度和深度的加大，取得了越来越多的应用成效，带来了变电站接地网预防性试验的重点从单纯的定期接地阻抗测量转到以必要时开展接地网安全性状态评估为主的模式转变[1]。相比之下，接地网安全性状态评估在发电厂、变电站接地网设计阶段的应用则不能满足现代接地网设计的高要求，部分地区这方面的工作仍是空白。从接地网的全生命周期管理角度，接地网安全性状态评估应首先在设计阶段提前介入，转变设计只针对接地阻抗一个指标的局面，同时减少设计的盲目性和随意性。随着我国电网的迅速发展，系统短路电流水平迅速增大，部分地区地质状况以及电网结构和负荷的特点，决定了变电站不仅地网接地阻抗水平偏高，而且入地故障短路电流偏大，均不利于有效地降低地网导体电位升高、场区跨步电压和接触电压水平，如何提高故障状态下与地网相关的设备和人员的安全水平，是摆在变电站地网设计环节的一个难题。接地网的正确设计是接地网建设能否成功的关键。目前，在设计接地网时，设计者大多按照规范要求，同时根据自身的经验和理解进行，没有充分利用科学的辅助设计分析工具，这种设计方式具有很大的随意性和不确定性，在完工后常有接地阻抗不满足设计要求的情况出现。设计时就不满足要求的接地网给日后的运行维护带来很大的不便，往往为了达到接地网评估的要求，要采取多种措施使接地网的各项参数达标，造成了人力物力的资源浪费。可见，要防止这种情况的发生，最根本的方法就是要在接地网的源头阶段，即设计阶段进行相应的评估，力求设计的接地网满足要求，减少运行维护的工作量，达到经济运行的目的。2数值分析方法在数值分析手段和计算机技术成熟前，传统的基于简单经验公式计算分析接地网特性参数，是各种标准和规程推荐的发电厂、变电站接地网设计的方法，各种经验是基于对接地网的近似处理，采用理论分析、数值计算即模拟试验分析得到的，在很长的阶段，该方法对接地网设计起到了重要的辅助作用，解决了相当一部分的接地网特性参数评价问题。随着电力系统的发展，电网容量持续扩大，接地网面积越来越大，系统越来越复杂，电磁兼容要求越来越高，接地网施工降阻新技术广泛应用，传统的简单经验公式分析方法基于近似的假设，已不能适应设备运行对接地技术的要求，尤其对于多层复杂的土壤结构，传统采用均匀土壤模型进行接地设计，与工程实施后测量结果存在误差的问题越来越普遍，急需把接地网特性参数设计提高到理论层面，采用更精确的数值分析方法进行仿真和计算[2-6]。从上世纪70年代以来，接地系统特性参数数值计算技术有了较大的突破，基于电磁场原理的数值计算方法广泛应用于接地系统特性参数计算中，接地系统的设计已从过去的简单、经验计算向采用数值分析方法计算接地电阻、电位分布、跨步电压和接触电压等接地系统特性参数转变。数值计算方法的应用路线图，首先由现场实测得到站址不同间距的视在土壤电阻率数据，优化反演得到站址土壤分层结构模型及各层等效电阻率，向由接地网竣工设计图得到特定的拓扑结构模型中，注入恒流激励，得到接地系统电位升高、电流沿导体分布的规律及接地网的接地阻抗；基于发电厂、变电站当前和远期短路电流水平，得到接地短路故障状态下接地系统的电位分布和电位差，架空避雷线和电缆外护套的分流，进而计算短路故障电流在接地网中的分布，发电厂、变电站场区地表电位分布，以及整个接地网场区跨步电压分布，设备场区接触电压分布等信息，由此，进行接地系统设计和接地网安全性状态评估[7-9]。较早的商业化接地分析软件以国外加拿大SES公司的CDEGS（电流分布，电磁场，接地和土壤结构分布）软件最为通用和典型，针对国外软件使用难度大，分析结果决定于使用者的经验，推广应用困难的问题，近年来，国内清华大学、武汉大学等高校基于电磁场理论，开发了适合我国电力系统运行实际的专用的接地仿真分析软件，典型的有清华大学开发的地网安全评估系统（PSGA）软件包，武汉大学开发的接地仿真分析（GASP2010）软件包，在常用的领域和功能上，能替代国外同类软件，在电力系统接地设计和研究中得到了应用，效果良好[10]。3设计案例3.1基本情况和设计要求某新建高压试验大厅围墙内尺寸为92m×70m左右的长方形，分为试验大厅和综合楼两个独立的建筑，综合楼占地约60m×30m，试验大厅占地约70m×50m。综合楼内部将安装110kVGIS、变压器和10kV高压开关柜，10kV高压柜出线供试验大厅。试验大厅内部电源为10kV高压开关柜，分两路供电，其中一路由综合楼通过10kV电缆引入，另一路由同一大院里相距约200m的一个110kV变电站通过一条10kV电缆出线供给。为避免试验大厅冲击试验时应尽量避免对综合楼的弱电子设备造成干扰，因此大厅地网与综合楼地网要求独立设计和施工，没有电气联系。由于其特殊用途，试验大厅接地网属流过大短路电流的有效接地系统接地装置，需要对接地故障状态下的接地网特性参数进行考核。按照2015年潮流计算，综合楼发生接地短路时的入地短路电流为6.24kA，考虑到110kV电缆外护套没有分流，而引至高压试验大厅的10kV电缆出线外护套将分走部分电流（按经验取20%），取综合楼发生接地短路故障时通过综合楼地网实际入地的电流计算值5.0kA。试验大厅有两路电源，其中一路由综合楼10kV电缆供给，短路电流可取综合楼10kV侧三相接地短路电流（4.28kA）；另一路电源则通过约200m长的10kV电缆连接到附近110kV变电站10kVI段或II段母线上，该两段母线的三相接地短路电流分别为21.212kA和21.213kA，短路电流可取21.2kA。为严格起见，取试验大厅发生接地短路时的入地短路电流为21.2kA，考虑到两回10kV电缆外皮将分走部分电流（按经验取30%左右），试验大厅发生接地短路故障时通过综合楼地网实际入地的电流计算值取15.0kA。3.2站址视在土壤电阻率测量和分层土壤结构模型站址的土壤结构的模拟是接地网准确设计的前提，为达到对接地网的准确设计，首先对站址不同间距视在土壤电阻率进行现场测试[11]，根据视在土壤电阻率测试结果，利用CDEGS软件的RESAP模块反演得到试验大厅站址的土壤实际分层结构模型见图1，为水平四层结构，表层土壤尚好，浅层较大，中层较好，深层土壤电阻率很高，总体土质条件一般。图1某高压试验大厅站址土壤分层结构模型图2某高压试验大厅站地网设计总体结构3.3总体设计方案的探讨基于现有的土壤结构，新试验大厅地网取70m×60m，5m×5m网格；综合楼地网取60m×30m，10m×10m网格，不换土，水平接地带用Φ22铜材质接地材料，埋深0.8m；所有节点均打2.5米长的铜镀钢作为垂直接地极，在新试验大厅和综合楼地网边缘各打24口和6口Φ150mm、深度40m的垂直深井并压力灌注降阻剂（电阻率1Ω·m）。基于如图2所示的常规接地网设计，在站址土壤结构条件下，由MALZ模块计算的接地阻抗为2.198Ω。考虑无降阻措施和场区不同深度的换土（土壤置换）等降阻措施下的接地阻抗的总体水平，基于CDEGS软件MALZ模块的接地阻抗计算结果如表1所示。表1集中接地网不同降阻措施下的接地阻抗水平降阻措施接地阻抗计算值（Ω）无任何降阻措施2.198030全场换土到4m深度，网格不变，其它分层土壤结构和电阻率不变换土的土壤电阻率50Ω·m1.466946换土的土壤电阻率10Ω·m0.9456072换土的土壤电阻率2.2Ω·m0.4934507全场换土（50Ω·m）到4m深度，在地网边缘打8口Φ150mm、深度30m的深井并压力灌注降阻剂（电阻率1Ω·m）垂直深井1.057884斜深井0.9019936全场换土（50Ω·m）到4m深度，在地网边缘打8口Φ150mm、30m斜深井并灌注降阻剂（1Ω·m），通过两根扁钢与附近的110kV变电站接地网连接起来0.6024958从表1计算结果可以看出：（1）常规设计的地网接地阻抗为1.805580Ω。（2）全场普通换土效果非常有限，采用达到降阻剂的程度（2.2Ω·m）的单纯换土可以达到0.5Ω，但无工程操作性，技术经济指标差。（3）全场换土到4m深度，采用8个斜深井并灌注降阻剂的效果比垂直深井好，但接地阻抗（0.902Ω）仍不达到设计值。（4）全场换土到4m深度加斜深井，并通过两根扁钢与200m远的110kV变电站接地网连接起来，接地阻抗可降到0.60249Ω，仍不达到设计值。从运行安全角度，不建议将变电站地网连到大厅，以免变电站故障时入地电流和地网电位升高对试验大厅造成干扰，存在安全隐患。（5）在综合考核长效性的前提下，应考虑更经济有效的降阻措施，如深井爆破加压力灌注降阻剂和电解离子接地等方式。3.4对综合楼和试验大厅地网特性参数的校核综合楼有110kVGIS及变压器，接地短路事故时有一定的短路电流通过地网泄放入地，可视为110kV变电设备。对综合楼接地网的要求，主要考核变电设备发生接地故障时的地网电位升高、跨步电压和接触电压等几个参数在安全限值之内，即，只要满足上述几个参数的校核，地网接低阻抗可以适当放宽。