华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ４１ ・技术改造・ １ １ ０ ｋＶ鹿邑变电站接地网改造研究 成文杰 ，张 竞 ，史宏伟 ，尚龙龙。 （１．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆４０００３０； ２．河南省电力公司周口供电公司，河南周口４６６０００） 摘 要：降低变电站的接地电阻、接触电压和跨步电压对保障变电站人员、设备安全特别重要。１１０ ｋＶ鹿邑 变电站因运行日久，地网腐蚀严重，已不能满足安全运行的要求。针对鹿邑变电站原有地网设计不规则的现 状，运用ＣＤＥＧＳ软件建立地网模型并仿真计算，提出两种地网改造方案。通过仿真分析结果得出敷设垂直 接地极能有效地改善地网的接地性能。 关键词：接地电阻；垂直接地极；接触电压；跨步电压 中图分类号：ＴＭ６３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—９１７１（２０１３）１２—００４１—０５ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ １ １０ ｋＶ Ｌｕｙｉ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｇｒｉｄ Ｃｈｅｎｇ Ｗｅｎ—ｊｉｅ ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｇ ，Ｓｈｉ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ ，Ｓｈａｎｇ Ｌｏｎｇ—ｌｏｎｇ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＆Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｈｏｕｋｏｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｚｈｏｕｋｏｕ ４６６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｓｔｅｐ ａｎｄ ｔｏｕｃｈ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｉｓ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．１ １０ｋＶ Ｌｕｙｉ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｕｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ，ｓｅｒｉｏｕｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃａｎｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｔｈａｔ Ｌｕｙｉ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｇｒｉｄ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ，ｕｓｉｎｇ ＣＤＥＧＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｌａｙｉｎｇ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｃａｎ ｅｆｆｅｃ— ｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｇｒｉｄ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｖｅｒｔｉｃａｌ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ；ｔｏｕｃｈ ｖｏｌｔａｇｅ；ｓｔｅｐ ｖｏｌｔａｇｅ ０ 引言 随着电力系统电压等级的不断提高和系统 千万元 。因此如何经济有效地降低接地电阻、 改善接地网的接地性能，就成为设计和运行部门 非常关心的问题。 容量的不断增大，入地故障电流和发电厂、变电 站接地网面积也随之增大，为了保障电力系统能 够安全可靠地运行，要求发电厂、变电站有良好 的接地。地网设计中，不仅要考虑有效地降低整 个地网的接地电阻值，更要有效地控制接触电压 和跨步电压，以确保人及设备的安全 。国内 曾发生多次由于地网阻值偏大、地网严重腐蚀断 为了降低地网的接地电阻，改善地网的接地 性能保证电力系统的安全可靠运行，实际工程中 人们采取了多种多样的措施。常见的措施包括： 扩大地网面积、增加地网的埋设深度、利用自然 接地体、深井接地和局部换土等 。本文首先对 周口地区１１０ ｋＶ鹿邑进行现场数据的采集，基于 ＣＤＥＧＳ接地工程计算软件，建立接地网三维仿真 裂等引起的恶性事故。根据统计，我国发生的由 于接地系统引起的事故损失每次都在数百到数 计算模型，通过得出的仿真计算结果提出适用于 １１０ ｋＶ鹿邑变电站的地网改造措施。 ｝国家创新研究群体基金（５１０２１００５） ４２ 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ Ｎｏ．１２ ２０１３ １ １１０ ｋＶ鹿邑变电站介绍 １．１鹿邑变电站现状 １１０ ｋＶ鹿邑变电站１９８５年投运，隶属河南 周口供电公司，站内装有主变２台，变电站占地 面积５ ８８０ ｍ ，变电站地网均压导体布置如图１ 所示。 ＮＯ ＬＡＢＥＬＩＮＧ［ＩＤ：鹿邑＠ｆ＝５０．００００ Ｈｚ］ Ｘ ＡＸＩＳ（ＭＥＴＥＲＳ） Ｔｏｐ Ｖｉｅｗ ｏｆ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ 图１ 变电站地网图 １．２接地电阻 鹿邑变电站水平地网埋深为０．８ １ＴＩ，根据地 质钻探的结果，土壤平均电阻率为１００ Ｑ・ｎｌ，最 大入地短路电流，根据实际最大短路电流及冲击 电流，经分流系数计算后得最大入地短路电流为 ４．８ ｋＡ，短路电流持续时间，包括主保护动作时 间和断路器分闸时间，取０．６ Ｓ。 鹿邑变电站有６８根等值半径为０．００７ ｉｎ的 水平导体，有８８根等值半径为０．００９ ｉｎ的垂直导 体。水平地网布置规划较差，无规律可循。设计 接地电阻小于０．５ Ｑ。运用ＣＤＥＧＳ仿真接地电 阻值为０．６６８ ｎ。 根据我国电力行业接地规程 的规定：“有 效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电站接地 装置的接地电阻Ｒ一般情况下应满足Ｒ ４２０００１”， 鹿邑变电站的接地电阻 应小于０．４２ Ｑ。 １．３接触电压、跨步电压和地面电位升 运用ＩＥＥＥ Ｓｔｄ８０—２０００计算接触电压和跨 步电压的允许值时，考虑人的体重。本文计算时 取７０ ｋｇ，基于９９．５％人群耐受的电功率Ｓ ＝ ，相应的接触电压和跨步电压允许值计算公式 如下。。 ： Ｅ 。：（１ ０００＋６ｃ ） （１） √ ２ Ｅ 。：（１ Ｏ００＋６Ｃ ） （２） ４ｔ２ 上式中均未考虑铺设地面高阻层情况Ｃ 取 １。计算１１０ ｋＶ鹿邑变电站接触电压和跨步电压 允许限值分别是：Ｅ ＝３４３ Ｖ Ｅ 。＝２４４ Ｖ。 考虑地面敷设１５ ｍｍ厚度１ ０００ Ｑ・ｉｎ的高阻 层，提高了接触电压和跨步电压的允许限值后， Ｅ 。７ｏ：１ ２７９ Ｖ Ｅ …＾７０＝４７８ Ｖ。 运用ＣＤＥＧＳ建立地网模型仿真计算得出如 下接地网参数： 最大跨步电压Ｅ 。＝３１８ Ｖ 最大接触电压Ｅ 。 ＝１ １７６ Ｖ 地面电位升Ｅ＝３ ２５２ Ｖ。 从计算结果可知，接触电压即使在地表敷设 高阻层的情况下也远远大于极限值，地面电位升 远远高于２ ０００ Ｖ。因此需要采取措施降低接地 电阻，改善接地系统的性能。 ２ １１０ ｋＶ鹿邑变电站地网改造方案 本文设计了２种地网改造方案，一种是基于 原有地网，在原地网上添加水平均压导体和垂直 接地极进行降阻改造。另外一种是根据舍弃变 电站原有地网，根据变电站现有占地面积合理规 划，采用不等间距布置水平均压导体并结合垂直 接地极进行接地降阻设计。 ２．１ 原有地网上降阻改造方案 通过１中的分析可以看出，鹿邑变电站的接 地电阻及接触电压都偏高，如果单纯采用增大接 地网面积来达到所要求的电阻值，通过计算得出 需要将面积增大到１１ ８２０ ｍ 才能将电阻降为 ０．４２ Ｑ。由于变电站征地困难，要扩大原地网的 ２倍不切实际。 鹿邑变电站接地网中有一部分未铺设均压 导体，使得左右两块地网导体无法连接从而影 响导体散流，这样对地网均压不利。考虑变电 站实际情况及改造成本，建议将接地网未连接 区域通过敷设均压导体连接起来，从技术经济 角度出发，通过多次仿真得知在地网边缘加设９ 根水平均压导体在一定程度上能够降低接触电 压，而经多次仿真后，发现在地网中心敷设水平 均压导体则对降低接触电压没有太大的改善。 敷设９根水平均压导体改造后的地网如图２所 示 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ４３ 一∽ 一∽Ｈ 《 由仿真结果得知，接地电阻仍然大于规程规 定的０．５ Ｑ，接触电压和地面电位升都远远超过 ＩＥＥＥ Ｓｔｄ８０—２０００允许限值４７８ Ｖ和规程规定的 ２ ０００ Ｖ。需要进一步的地网改造。文献［８］中的 分析得出水平地网添加垂直接地极能够降低地 网接地电阻、接触电压和跨步电压。考虑在地网 边缘敷设不同根数、不同长度的垂直接地极进行 地网降阻。经ＣＤＥＧＳ仿真计算数据见表１。改 造后的地网布置（以８根垂直接地极为例）如图４ 所示 Ｘ ＡＸＩＳ（ＭＥＴＥＲＳ） Ｔｏｐ Ｖｉｅｗ ｏｆ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ 图２鹿邑变电站第一次改造后地网布置图 第一次通过在地网边缘添加水平均压导体 仿真结果如下： 接地电阻Ｒ＝０．６２ ｎ； 最大跨步电压Ｅ ｍ＝２７０ Ｖ； 最大接触电压Ｅ 。＝１ ０６４ Ｖ； 地面电位升Ｅ＝２ ９６８ Ｖ。 目 【工］ 邑 璺 图４第二次改造后地网布蚩图 由表１得出，敷设４根垂直接地极时，即使垂 直极延长到８０ ｍ也无法使地面电位升在安全允 许范围内，且接地电阻也高于０．４２ ｎ。敷设８根 Ｘ ＡＸＩＳ（ＭＥＴＥＲＳ） Ｒ—Ｔｏｕｃｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍａｇｎ．（Ｖｏｈｓ）［Ｗｏｒｓ］ ７０ Ｉｌｌ～８０ ｉｎ、１２根６０ ｉｎ～８０ ｍ的垂直接地极可 以将接触电压和地面电位升以及接地电阻降至 安全限值内。 图３ 第一次改造后接触电压仿真结果 表１ 水平地网添加不同根数不同长度垂直极 ４４ 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 从技术经济角度出发综合考虑得出：最优方 法是在接地网的四角及每条边的中间共布置８ 根７０ ｍ的垂直接地极，让故障电流从深层土壤 层散流出去。改造后的地网仿真结果如图５ 所示。 固 ∽ ［ 一ｒ 【工］ 宴 ∽ ｝嗣 （门 ［ 岂 ∽ ： ● 一２０ ３０ ８０ ＸＡＸＩＳ（ＭＥＴＥＲＳ） ＰｏｔｅｉｔｌｉａｌＰｉｏｆｉｌｅＭａｇｎｉｔｕｄｅ（Ｖｏｈｓ） （ｃ）改造后地面电压仿真结果 图５第二次改造后仿真结果（８根７０ ｍ） ２．２不等间距布置水平均压导体结合垂直接地 极的降阻改造措施 考虑变电站实际情况及改造成本，水平地网 采用按指数分布，定义压缩比Ｃ，Ｃ为小于等于１ 的常数，则距离中心网孔为ｎ级的网孔间距 为 ： ｄ ＝ｄ…Ｃ （３） 由表２可知，跨步电压低于安全限值可不做 考虑。接触电压和地面电位升高于安全限值很 多。故需要采取降阻均压措施。根据表２得出 方案１～１０的接触电压及地面电位升的边际效 益，综合得出方案６为最佳方案，不等间距鹿邑 变电站地网如图６所示。在水平地网改造为 （１０×１０）不等间距布置，压缩比系数取０．５的情况 下，接地电阻 虽然有一定降低，但依然大于 ０．４２ Ｑ，不满足ＩＥＥＥ Ｓｔｄ８０—２０００计算的安全限 值。因现场条件和经济原因，无法采用增大接地网 面积来降阻的措施，所以需要考虑对水平地网添加 垂直接地极进行更进一步的降阻改造。在地网边 缘添加不同根数不同长度的垂直接地极。垂直接 地极采用等效半径为０．Ｏ１１ ｉ＂１１的镀锌钢管。为了 更好地表征不同水平地网面积下敷设斜接地极长 度和根数变化时的最优降阻效果。计算中垂直接 地极长度用水平地网等值半径ｒ 的倍数表示 。 ｒ ＝ （４） 式中：Ｊｓ为水平地网的面积，ｉｎ 。 Ｘ ＡＸＩＳ（ＭＥＴＥＲＳ Ｔｏｐ Ｖｉｅｅｗ ｏｆ Ｃｏｎｄｕｃｌｏｒｓ） 图６鹿邑变电站接地网按（１０×１０） 不等间距布置平面图 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ４５ 取斜接地极长度分别为０．３ｒ ０．５ｒ １．Ｏｒ 原有接地网，从经济性和施工难度考虑，最终采 １．５ｒ ２．Ｏｒ 共５种长度，根数分别为４根、８ 长网一表 巫 一 等 撇 一鼹＂ 哪 用方案１对鹿邑变电站接地网进行改造。 根、ｌ２根、１６根，敷设在水平地网边缘。数电一 参考文献 ［１］陈先禄，刘渝根，等．接地［Ｍ］．重庆：重庆大学出版 社，２００２． ［２］Ｄａｗａｌｉｂｉ Ｆ，Ｂａｒｂｅｉｔｏ Ｎ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｂｕｒｉｅｄ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ－－ｌａｙ－・ ｅｒ Ｓｏｉｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９１，６ （４）：１４８３—１４９０． ［３］ＱｉｎｇｂｏＭｅｎｇ，Ｊｉｎｌｉａｎｇ Ｈｅ，Ｆ Ｐ Ｄａｗａｌｉｂｉ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｗ 从表３比较得知，若要将水平地网的接地电 ｏｎ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ 阻降至０．４２ ｎ以下，可以选择在水平地网边缘 一互 一 弛卯 ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｇｒｏｕｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｅｅｓ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｙ ｒｅｇｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ 敷设８根长度为１．５ｒ 的垂直接地极较为经济。 Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９９，１４（３）：９１１—９１６． 计算得跨步电压Ｅ 舢＝８４ Ｖ接触电压Ｅ 。＝ ［４］赵磊．高阻地区变电站接地问题分析［Ｄ］．保定：华北 ２７３ Ｖ，地面电位升降至１ ９３０ Ｖ，所有指标低于 电力大学，２００４ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ８０—２０００计算出的最大允许限值。 ［５］中华人民共和国水利电力部电力设备接地设计技术 规程（ＳＤＪ８—７９）［ｓ］．北京：水利电力出版社，１９７９． ３ 结论 ［６］ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０—２０００．ＩＥＥＥ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｉｎ ＡＣ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ［ｚ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ （１）在地网边缘添加水平均压导体能够一定 ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｉｎｅ，２０００． 程度的降低接触电压和接地电阻。 ［７］曾嵘．高土壤电阻率地区发变电站接地技术研究 （１）方案１通过在水平地网边缘布置８根 ［Ｄ］．北京：清华大学电机系，１９９９． ７０ ｉｎ的垂直接地极能有效降低鹿邑变电站接触 ［８］张柯林．变电站地网接地电阻的数值计算及改造技术 电压和接地电阻以及地面电位升。 的研究［Ｄ］．湖北：华中科技大学，２００７． （３）方案２采用（１０×１０）不等间距布置水平 ［９］王小凤．ＣＤＥＧＳ软件在电力系统中的应用［Ｄ］．浙江： 地网与８根长度为１．５ｒ 垂直接地极相结合的方 浙江大学，２００７． 式能够有效的降低接触电压和地面电位升。 收稿日期：２０１２－１０－１０ 作者简介：成文杰（１９８８一），男，工程师，从事电力系统过电压接地技 （４）采用两种改造方案均能满足要求，但是 术工作。 运用方案２对接地网进行改造时，需舍弃变电站 （本文编辑刘生仁） ，９ 。，９ ，，９ｋｒ—９ ’ ‘｝’ｓ‘｝’９■｝’：ｉｋ， — 。，９ ｒ—９ ’ｓ ｝’ｓ‘｝’ｓ‘｝・：ｊ ・９ ・ ， ｒ，９‘｝，９ ｒ， ｒ窜ｋ’ ｝・９；ｅ一・９ —９ ，：§ ｒ窜 ’９盔 ’ 自， ｒ ・９ ，９ ｒ，９ｋ ，９ ’： ‘９；ｅ，’９ 。， ｋｒ—：》 ’ｓ‘鲁’９ ９ｋ ’９；ｅ ・电力动态・ 中国清洁能源装机比重提高到２８％ 中国电力工业结构调整取得重要进展，清洁能源装机比重从２００２年的２１％提高到２０１１年的２８％。 其中，中国水电和并网风电规模位居世界第一，太阳能发电今年１０月份达到３０９０ ＭＷ，累计增长 ６７倍。此外，３００ ＭＷ级以上火电机组约占７５％，西部地区电源装机占比从２３％提高到３３％。 在电力节能减排领域，中国也取得明显成效。中国电力工业的供电煤耗、线损以及二氧化硫控制 指标达到世界先进水平，氮氧化物控制也好于世界平均水平。虽然以煤为主的电力结构导致碳排放总 量大，但燃煤电厂的碳排放强度处于世界先进水平。 中国目前已初步实现了由电力大国向电力强国的转变，发电量和电网规模位居世界第一，电力工 业自主创新能力也大幅增强。近年来，在火电领域，中国投产百万千瓦级超超临界机组世界最多，世界 首台百万千瓦超超临界空冷机组投产，世界首台６００ ＭＷ瓦超临界循环流化床锅炉安装建设，全球捕 集能力最大的燃煤电厂二氧化碳捕集项目投运。与此同时，在世界上率先建设了第三代核电机组，水 电大坝施工、大型水电机组水平位居世界前列，在世界电网科技领域也实现了“中国创造”和“中国引 领”，共有９家电力企业进入全球５００强。 本刊编辑部 供稿