220kV變電站接地電阻計(jì)算及接觸電壓和跨步電壓校驗(yàn)

近年來(lái),伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,電壓等級(jí)也逐漸升高,電力系統(tǒng)在不斷的發(fā)展和進(jìn)步,但電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的接地電流也隨之增大,接地電壓也相應(yīng)的越來(lái)越高,不僅給日常巡檢和故障維護(hù)人員帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患和危險(xiǎn),同時(shí)也會(huì)破壞電氣設(shè)備絕緣,導(dǎo)致變電站開(kāi)關(guān)跳閘、機(jī)組停機(jī)等連鎖事故發(fā)生,嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。電氣接地系統(tǒng)作為變電站不可缺失的一部分,對(duì)保障站內(nèi)電氣設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行,站內(nèi)外運(yùn)維人員安全,具有很重要的作用。因此,合理布置變電站接地網(wǎng),選擇合適的接地導(dǎo)體,準(zhǔn)確計(jì)算接地電阻和校驗(yàn)接觸電壓及跨步電壓,使之滿足相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn),對(duì)變電站整體設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

1變電站背景及概況1.1變電站規(guī)模220kV魚(yú)南變建設(shè)規(guī)模為:4×240MVA,4回220kV出線+18回110kV出線,220kV及110kV系統(tǒng)均采用雙母線雙分段接線方式。1.2站址位置220kV魚(yú)南變位于魚(yú)山島石化園區(qū)內(nèi),變電站位于中央大道與濱海南路交叉處西南角。220kV魚(yú)南變北側(cè)為2#管廊,便于110kV電纜出線。1.3土壤電阻率測(cè)量根據(jù)《浙江石油化工有限公司4000萬(wàn)噸/年煉化一體化項(xiàng)目地塊二巖土工程勘察技術(shù)報(bào)告書(shū)》,本次勘察在場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行了大地土壤電阻率測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。由于本變電站位置處于開(kāi)方區(qū)和填方區(qū)之間,根據(jù)土壤電阻率測(cè)試報(bào)告,不同類型的土壤電阻率普遍較低(1.93~6.40Ω·m),但凝灰?guī)r地層電阻率很高,故采用回填素土的方式來(lái)降低土壤電阻率,考慮到石塊等因素,該地層土壤電阻率按100Ω·m進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合整個(gè)變電站的位置布局,其大部分區(qū)域位于填方區(qū),僅小部分區(qū)域位于開(kāi)方區(qū),且變電站對(duì)開(kāi)方區(qū)要求回填素土,同時(shí)地下水位較高,地下水含鹽堿時(shí)土壤電阻率較小,垂直接地極可有效與低電阻土壤接觸。綜合上述情況,本項(xiàng)目取220kV變電站區(qū)域平均土壤電阻率為50Ω·m。同時(shí),由于石化區(qū)內(nèi)均設(shè)有地下接地線,且面積極大(不小于3km×3km),要求220kV變電站和石化區(qū)的地下接地網(wǎng)緊密連接(不少于4點(diǎn)),因此本項(xiàng)目石化區(qū)地下接地網(wǎng)接地電阻取0.1Ω。

2變電站接地電阻計(jì)算及接觸電壓和跨步電壓的校驗(yàn)2.1計(jì)算依據(jù)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的計(jì)算依據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065—2011、《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50064—2014《GuideforSafetyinACSubstationGrounding》IEEEStd80—2000。2.2原始數(shù)據(jù)2.2.1故障電流有效值和持續(xù)時(shí)間根據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065—2011中附錄E.0.1和E.0.3條文規(guī)定,計(jì)算接地導(dǎo)體(線)最小截面中接地故障等效持續(xù)時(shí)間te與ts相同；ts為計(jì)算接觸電位差及跨步電位差允許值時(shí)接地故障電流持續(xù)時(shí)間。計(jì)算方法如下。(1)發(fā)電廠和變電站的繼電保護(hù)裝置配置有2套速動(dòng)主保護(hù)、近接地后備保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和自動(dòng)重合閘時(shí),te應(yīng)按式(1)取值:式中,tm為主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,按實(shí)際整定,取0.04s;tf為斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,按工程經(jīng)驗(yàn),取0.2s;to為斷路器開(kāi)斷時(shí)間,按當(dāng)前市場(chǎng)主流設(shè)備開(kāi)斷時(shí)間,取0.06s。(2)當(dāng)配有1套速動(dòng)主保護(hù)、近或遠(yuǎn)(或遠(yuǎn)近結(jié)合的)后備保護(hù)和自動(dòng)重合閘,有或無(wú)斷路器失靈保護(hù)時(shí),te應(yīng)按式(2)取值:式中,tr為第一級(jí)后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,按工程經(jīng)驗(yàn)和保護(hù)上下級(jí)配合,取0.5s。本220kV變電站220kV系統(tǒng)安裝2套主保護(hù),接地故障等效持續(xù)時(shí)間為0.3s。2.2.2分流系數(shù)故障電流分流系數(shù)Sf的計(jì)算可分為站內(nèi)故障短路和站外故障短路。參考規(guī)范《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065—2011附錄B及其條文說(shuō)明,當(dāng)站內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí),其分流系數(shù)是由系統(tǒng)中的電流分布決定的。影響分流系數(shù)的因素如下。(1)變電站接地網(wǎng)的接地阻抗當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),按照基本電路原理,若變電站接地網(wǎng)的接地阻抗較小時(shí),通過(guò)變電站入地的故障電流就較大;反之,當(dāng)變電站接地網(wǎng)的接地阻抗很大時(shí),故障電流則分別經(jīng)接地網(wǎng)、架空地線、電纜外皮等不同途徑流入大地。此外,變電站接地網(wǎng)的接地阻抗值并非恒定不變,會(huì)隨著季節(jié)變化、接地材料腐蝕等因素在一定范圍內(nèi)變化,故分流系數(shù)也隨之變化。(2)線路桿塔的接地電阻與前述變電站接地阻抗類似,當(dāng)線路桿塔接地電阻相對(duì)較小時(shí),故障電流通過(guò)桿塔流入大地更容易,站內(nèi)分流系數(shù)隨之減小;反之,若桿塔接地電阻較大,站內(nèi)分流系數(shù)也會(huì)相應(yīng)的變大。(3)地線的布置、尺寸和材質(zhì)與線路桿塔接地電阻情況類似,在地線導(dǎo)電性能好、架空線路全線架設(shè)雙地線等情況下,相應(yīng)的站內(nèi)分流系數(shù)會(huì)減小。(4)其他因素參考附錄B.0.2條文說(shuō)明中的表6~8,隨著變電站的進(jìn)出線回路數(shù)增加,分流系數(shù)減小;線路的檔距和檔數(shù)增加時(shí),變電站的分流系數(shù)會(huì)增大。由于本站出線主要采用電纜,且與另外2個(gè)220kV變電站(龍峙變和魚(yú)東變)均位于同一石化區(qū)內(nèi),因此按工程經(jīng)驗(yàn),本項(xiàng)目取站內(nèi)短路發(fā)生接地故障時(shí)的分流系數(shù)為0.4。2.2.3入地故障電流入地電流也是決定地電位升高的一個(gè)重要因素。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)有一部分電流從接地網(wǎng)散流入地,余下部分經(jīng)變壓器中性點(diǎn)、架空地線、電力電纜屏蔽層等途徑回流到系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)當(dāng)前和遠(yuǎn)景的最大運(yùn)行方式下電氣一次接線、送電線路狀況、故障狀態(tài)下系統(tǒng)的電抗與電阻比值等方面做出相應(yīng)的規(guī)劃,確定設(shè)計(jì)水平年的最大接地故障不對(duì)稱電流的有效值。入地故障電流計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。式中,Sf為分流系數(shù),取0.4；Df為衰減系數(shù),取1.0;Ig為接地故障時(shí)的最大接地短路電流,根據(jù)本項(xiàng)目的短路電流計(jì)算得Ig約為33.3kA。經(jīng)計(jì)算,本項(xiàng)目220kV變電站的最大入地故障電流約為13.32kA。2.3計(jì)算過(guò)程2.3.1主接地網(wǎng)的布置根據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065—2011中的規(guī)定,發(fā)電廠、變電站的接地網(wǎng),除了利用建筑物、構(gòu)筑物等自然接地極外,還應(yīng)該敷設(shè)以水平接地體為主的人工接地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)布置圖如圖1所示。圖1水平接地網(wǎng)布置圖主接地網(wǎng)以道路周?chē)鷥?nèi)1m為邊緣線,敷設(shè)以水平接地體為主的人工接地網(wǎng),接地網(wǎng)外部邊緣應(yīng)閉合,接地線外部邊緣各角做成圓弧形狀,圓弧的半徑不宜小于均壓帶間距的50%,接地網(wǎng)內(nèi)還應(yīng)敷設(shè)水平均壓帶,防止出現(xiàn)電位差。本站水平接地體的埋深按1.0m設(shè)計(jì),并設(shè)Φ25mm長(zhǎng)度2.5m的不銹鋼棒垂直接地極。主接地網(wǎng)按不等距網(wǎng)格布置設(shè)計(jì),最外側(cè)邊緣水平接地體間隔布置稍密,但不小于6m。為了增強(qiáng)雷電沖擊電流的散流效果,在避雷針、避雷器附近加裝垂直接地體。垂直接地體的長(zhǎng)度為2.5m,垂直接地極之間的水平距離不宜小于5m,其頂部與水平接地體焊接。2.3.2接地網(wǎng)的計(jì)算(1)接地電阻要求按照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50065—2011中的規(guī)定,本項(xiàng)目有效接地和低電阻接地系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電所電氣裝置保護(hù)接地的接地電阻應(yīng)符合公式(4)的要求。(2)接地電阻計(jì)算1)等距復(fù)合接地網(wǎng)根據(jù)GB50065中式(A.0.4-4)計(jì)算,見(jiàn)式(5)。2)不等距復(fù)合接地網(wǎng)根據(jù)GB50065中式(D.0.4-12)計(jì)算,見(jiàn)式(6)。3)地電位升高值根據(jù)GB50065中式(B.0.4)計(jì)算,見(jiàn)式(12)。4)接觸電壓允許值根據(jù)GB50065中式(4.2.2-1)計(jì)算,見(jiàn)式(13)。5)跨步電壓允許值根據(jù)GB50065中式(4.2.2-2)計(jì)算,見(jiàn)式(15)。6)接觸電壓計(jì)算值根據(jù)GB50065中式(D.0.3-1)計(jì)算,見(jiàn)式(16)~(23)。7)跨步電壓計(jì)算值根據(jù)GB50065中式(D.0.3-13)計(jì)算,見(jiàn)式(24)~(26)。

3計(jì)算結(jié)果本項(xiàng)目220kV變電站的接地電阻、地電位升高值、接觸電壓和跨步電壓的計(jì)算結(jié)果如表2所示。4

結(jié)束語(yǔ)通過(guò)上述的計(jì)算和校驗(yàn)分析,魚(yú)南變220kV變電站的地電位升高值、接觸電壓和跨步電壓滿足規(guī)范要求;在變電站發(fā)生接地故障產(chǎn)生最大入地電流時(shí),滿足人員的生命安全保障需求。但隨著電力系統(tǒng)容量不斷擴(kuò)大發(fā)展,考慮接地網(wǎng)隨著時(shí)間受腐蝕,特別是沿海地區(qū),接地