云霄背靠背換流站接地系統(tǒng)設(shè)計

方乙君

云霄背靠背換流站接地系統(tǒng)設(shè)計

方乙君

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福州 350003）

本文介紹云霄背靠背換流站接地系統(tǒng)的設(shè)計方案。基于換流站土壤電阻率的測試數(shù)據(jù)，對土壤結(jié)構(gòu)進行建模分析，針對該站土壤結(jié)構(gòu)模型及站址的場平設(shè)計方案，采用深井接地極和邊坡外引接地網(wǎng)相結(jié)合的接地網(wǎng)設(shè)計方案，并通過仿真分析對比深井接地極和外引接地對換流站接地設(shè)計的影響。最后，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了仿真分析數(shù)據(jù)的準確性，保證了該站接地設(shè)計方案的安全性和可靠性。

背靠背換流站；接地系統(tǒng)；土壤電阻率；深井接地極；外引接地網(wǎng)

0 引言

換流站接地系統(tǒng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施。接地電阻、接觸電勢、跨步電勢是換流站接地系統(tǒng)的三個重要技術(shù)指標，是衡量接地系統(tǒng)的有效性、安全性，以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合設(shè)計規(guī)范的重要參數(shù)[1]。

云霄背靠背換流站的輸送容量大、電壓等級高、接地短路電流大，為保證電力系統(tǒng)的安全和運行可靠性，對換流站接地系統(tǒng)的設(shè)計要求更加嚴格。本文基于云霄換流站工程的土壤電阻率測試數(shù)據(jù)，對換流站的土壤結(jié)構(gòu)進行建模分析，進而提出安全、可靠的換流站接地系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 土壤結(jié)構(gòu)模型分析

云霄工程土壤電阻率的測試方法采用對稱四極電阻率測深法，儀器采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所開發(fā)的WDDS—2B型數(shù)字直流激電儀進行測試。根據(jù)工程勘測聯(lián)系書要求并結(jié)合該站地形條件，本次電阻率測量在站內(nèi)布置具有代表性的7條土壤電阻率測線[2-4]。換流站土壤電阻率測試結(jié)果見表1。

采用CDEGS（current distribution, electromag- netic field, grounding and soil structure analysis）軟件對該換流站土壤結(jié)構(gòu)進行建模分析與計算，得到土壤電阻率模型如圖1所示，換流站土壤分層情況見表2。根據(jù)軟件模擬計算結(jié)論，在進行換流站接地設(shè)計的相關(guān)計算時，將站內(nèi)不均勻的土壤電阻率模型近似等效成5層土壤模型，等效模型中從上到下每層土壤的電阻率及其厚度參見表2。

表1 換流站土壤電阻率測試結(jié)果

圖1 土壤電阻率模型

表2 換流站土壤分層情況

2 換流站接地網(wǎng)的安全限值

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》對換流站接地網(wǎng)設(shè)計的要求，對于有效接地系統(tǒng)，接地網(wǎng)的接地電阻宜將接地網(wǎng)的地電位升控制在2kV以下。對于電力系統(tǒng)容量大、入地電流高的變電站，可采取下列措施：保護接地至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器低壓側(cè)采用TN系統(tǒng)；沿二次電纜屏蔽層敷設(shè)并行銅排；評估站內(nèi)10kV金屬氧化物避雷器吸收能量的安全性。此時，接地網(wǎng)的地電位升可提高至5kV[5]。同時，接地網(wǎng)的接觸電勢和跨步電勢不應(yīng)超過由式（1）、式（2）計算所得的數(shù)值。

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第B.0.2條，結(jié)合該站線路進出線回路數(shù)、出線型式、線路桿塔接地電阻等，分別對換流站內(nèi)及站外發(fā)生短路故障工況下的分流系數(shù)進行分析計算。在考慮分流系數(shù)后，換流站經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障對稱短路電流約為6.8kA；結(jié)合繼電保護動作時間和斷路器開斷時間，接地故障電流持續(xù)時間取0.42s。根據(jù)上述接地規(guī)范對地電位升的要求，經(jīng)過式（1）和式（2）計算，該換流站的接地電阻允許值為0.74W，接觸電勢允許值為314V，跨步電勢允許值為456V。

3 接地系統(tǒng)的設(shè)計方案

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》第4.3節(jié)，結(jié)合以往變電站/換流站接地網(wǎng)的設(shè)計經(jīng)驗，換流站主接地網(wǎng)設(shè)計采用水平接地極為主、垂直接地極為輔的方案?？紤]該站設(shè)有面積較大的邊坡，結(jié)合站區(qū)邊坡設(shè)置外引接地網(wǎng)，擴大換流站接地網(wǎng)面積，進而降低接地電阻。

3.1 水平接地網(wǎng)分析

根據(jù)系統(tǒng)短路電流水平，站址最大對稱單相接地短路電流為19.8kA，按高壓電氣裝置接地導(dǎo)體熱穩(wěn)定進行選擇和校驗，同時考慮接地導(dǎo)體的腐蝕等影響因素，換流站水平接地網(wǎng)選用截面積為150mm2的銅絞線。水平接地網(wǎng)采用等間距法布置，設(shè)置間距為15m，埋設(shè)深度為0.8m，考慮靠近圍墻范圍內(nèi)的接觸電勢和跨步電勢較大，在靠近圍墻20m范圍內(nèi)對水平接地網(wǎng)采取加密措施，設(shè)置間距在6～10m不等[6-9]。

3.2 垂直接地極的布置

站內(nèi)設(shè)置直徑為14.2mm的銅覆鋼垂直接地極，長度為2.5m，結(jié)合站內(nèi)電氣設(shè)備的布置，在每個避雷針、避雷線、避雷器等接地點設(shè)置3根垂直接地極進行加強散流。同時，考慮站區(qū)接地電阻率較大，結(jié)合勘測土壤電阻率報告，在站區(qū)土壤電阻率較低區(qū)域設(shè)置6口60m深的深井接地極，深井接地極采用直徑為14.2mm的銅覆鋼，鉆孔直徑不小于30mm，并加壓填充低電阻降阻劑進行降阻[10-11]。

3.3 外引接地網(wǎng)的設(shè)計

因站區(qū)土壤電阻率較高，且入地電流較大，結(jié)合站址紅線范圍內(nèi)東、南、北三側(cè)采用邊坡?lián)鯄Φ脑O(shè)計方案，在邊坡?lián)鯄Ψ秶鷥?nèi)敷設(shè)外引接地網(wǎng)用以增大接地網(wǎng)面積，以達到降低換流站接地電阻的目的[12]。外引接地網(wǎng)采用80mm×8mm熱鍍鋅扁鋼，在與站內(nèi)接地網(wǎng)連接處設(shè)置連接井并做好防腐措施。外引接地網(wǎng)的布置結(jié)合邊坡步道及平臺的設(shè)置方案進行布線。外引接地網(wǎng)布置如圖2所示。

圖2 外引接地網(wǎng)布置

4 接地網(wǎng)的建模計算與現(xiàn)場實測

4.1 接地網(wǎng)的建模計算

根據(jù)前述接地網(wǎng)設(shè)計方案，采用CDEGS軟件對接地網(wǎng)進行建模分析，分別按是否布設(shè)外引接地網(wǎng)的方案計算站區(qū)接觸電勢、跨步電勢和接地電阻。無、有外引接地網(wǎng)的接觸電勢、跨步電勢二位色塊圖分別如圖3～圖6所示，接地電阻計算結(jié)果見表3。

4.2 接地網(wǎng)的現(xiàn)場實測

云霄換流站圍墻范圍東西方向最大尺寸為382m，南北方向最大尺寸為352m，最大對角線長度為520m。接地電阻測量儀采用自動抗干擾地網(wǎng)電阻測量儀，規(guī)格型號為AI—6301S。兩輔助極布線方法采用直線平行優(yōu)選法，布線沿X575縣道方向布置，電流極長度為2 500m，電壓極長度為1 500m。采用電流電壓法進行測試，云霄站接地電阻、接觸電勢、跨步電勢實測值分別見表4～表6。

圖3 無外引接地網(wǎng)的接觸電勢二維色塊圖

圖4 有外引接地網(wǎng)的接觸電勢二維色塊圖

圖5 無外引接地網(wǎng)的跨步電勢二維色塊圖

圖6 有外引接地網(wǎng)的跨步電勢二維色塊圖

表3 接地電阻計算結(jié)果

表4 云霄站接地電阻實測值

4.3 接地網(wǎng)計算值及實測值對比

采用CDEGS軟件對接地網(wǎng)進行仿真計算與實測的接觸電勢、跨步電勢和接地電阻對比見表7。根據(jù)仿真計算結(jié)果，站內(nèi)接觸電勢最大值分布在站區(qū)圍墻至站內(nèi)最外圈道路之間區(qū)域，最大值不超過947.6V；站內(nèi)實測接觸電勢的實測點均選取站內(nèi)設(shè)備區(qū)域，其中最大實測值出現(xiàn)在“粵側(cè)500kV 5652ACF交流濾波器5652開關(guān)A相”處，實測值為32.9V。根據(jù)仿真計算結(jié)果，站內(nèi)跨步電勢最大值不超過441.6V；站內(nèi)實測跨步電勢最大值出現(xiàn)在“閩側(cè)GIS與換流變之間道路”處，實測值為37.9V。

表5 云霄站接觸電勢實測值

表6 云霄站跨步電勢實測值

注：計算值和實測值均為采用了邊坡外引接地網(wǎng)方案的站內(nèi)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

1）結(jié)合土壤電阻率模型采用深井接地極的方案能有效降低換流站接地電阻值。

2）高邊坡?lián)Q流站，結(jié)合邊坡布置接地網(wǎng)，可擴大換流站的接地網(wǎng)面積，進而降低換流站接地電阻，是一種有效的降阻措施。

3）在換流站邊緣適當范圍加密地網(wǎng)網(wǎng)格，可改善換流站電勢分布，有效降低站區(qū)邊緣的接觸電勢和跨步電勢。

[1] 何金良, 曾嶸. 電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007.

[2] 曾嶸, 何金良, 高延慶, 等. 垂直分層土壤中測試電極布置對變電站接地電阻測量值的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2000, 24(10): 36-39.

[3] 李景麗, 張宇, 郭麗瑩, 等. 復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)對水電站接地裝置散流機理影響分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(23): 167-175.

[4] 陳四甫, 陶曉莉, 朱淵博, 等. 接地材料與土壤接觸電阻測定方法研究[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(3): 31-35.

[5] 交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范: GB/T 50065—2011[S]. 北京: 中國標準出版社, 2012.

[6] 何金良, 張波, 曾嶸, 等. 1000kV特高壓變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2009, 29(7): 7-12.

[7] 檀青松. 高土壤電阻率地區(qū)變電站接地網(wǎng)設(shè)計及降阻措施研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2018.

[8] 茆美琴, 程德健, 袁敏, 等. 基于暫態(tài)能量流的模塊化多電平高壓直流電網(wǎng)接地優(yōu)化配置[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(3): 739-749.

[9] 王金煒，余力行. 降低高土壤電阻率變電站接地電阻的研究[J]. 電力安全技術(shù), 2018, 20(2): 55-57.

[10] 諶陽, 周艷青. 深井型和垂直型直流接地極的導(dǎo)流方式[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(10): 62-65.

[11] 曾嶸, 何金良, 高延慶, 等. 垂直接地極對接地系統(tǒng)電氣性能的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2001, 41(3) :25-27, 31.

[12] 李承國, 何金良, 曾嶸, 等. 利用周邊地理環(huán)境降低城區(qū)變電所接地電阻[J]. 中國電力, 2001, 34(11): 50-53.

Design of grounding system for Yunxiao back-to-back converter station

FANG Yijun

(POWERCHINA Fujian Electric Power Engineering Co., Ltd, Fuzhou 350003)

This paper introduces the design scheme of grounding system of Yunxiao back-to-back converter station. Based on the test data of soil resistivity, this paper analyzes the soil structure by modeling. According to the soil structure model and the site leveling design scheme of the station, the grounding grid design scheme combining the deep well grounding electrode and the external grounding network of the slope is targeted. Through simulation analysis, the influence of the deep well grounding electrode and the external grounding network on the grounding design of the converter station is compared. Finally, the accuracy of the simulation analysis data is verified through on-site measurement data, ensuring the safety and reliability of the grounding scheme for this station.

back-to-back converter station; grounding system; soil resistivity; deep well grounding electrode; external grounding network

2023-08-07

2023-09-04

方乙君（1985—），男，福建福州人，碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、變電站/換流站設(shè)計、電力技術(shù)經(jīng)濟分析工作。