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新立變電站接地系統(tǒng)安全性能研究

文檔作者：魯志偉馬文婧宋文國(guó) 尹相愛(ài) 文檔來(lái)源： 1．東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院 2．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 3．吉林省電力有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年02月10日
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第32卷第6期
2012年12月
東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)
Journal Of Northeast Dianli University
VoI．32．No．6
Dee．．2012
文章編號(hào)：1005—2992(2012)06—0028—05
新立變電站接地系統(tǒng)安全性能研究
魯志偉 ，馬文婧2，宋文國(guó) ，尹相愛(ài)。
(1．東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院，吉林吉林132012；2．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012；3．吉林
省電力有限公司吉林供電公司，吉林吉林132011)
摘 要：電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)入地的短路電流101越來(lái)越大，發(fā)變電站接地電
阻R很難滿足R≤2 000／I。．的要求。在場(chǎng)路結(jié)合的接地網(wǎng)不等電位模型基礎(chǔ)上，編制了二次電纜計(jì)算程
序。采用該計(jì)算程序全面分析了變電站地面電位分布和二次電纜及二次設(shè)備上的電位差，提出了保證
人身安全和設(shè)備安全的措施，可供高土壤電阻率地區(qū)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和接地系統(tǒng)改造時(shí)參考。
關(guān)鍵詞：接地系統(tǒng)；接地電阻；排流線；二次系統(tǒng)；安全性
中圖分類(lèi)號(hào)：TM 831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地》¨ 是國(guó)內(nèi)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。《交流電氣裝
置的接地》規(guī)定：工頻短路電流下的接地網(wǎng)最大電位升高不大于2 000 V。隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提
高和系統(tǒng)容量的增大，接地故障電流和發(fā)變電站接地網(wǎng)的面積不斷增大，發(fā)變電站接地電阻很難滿足R
≤2 ooO／lo 的標(biāo)準(zhǔn)要求，而過(guò)高接地網(wǎng)電位升高嚴(yán)重威脅變電站接地系統(tǒng)的安全運(yùn)行 j。變電站接地
系統(tǒng)的安全性包括人身安全和設(shè)備安全兩方面內(nèi)容：一是接觸電壓和跨步電壓不超過(guò)允許值，保證人身
安全；二是地電位升高小于允許值，保證發(fā)變電站設(shè)備特別是二次設(shè)備的安全_3 J。在土壤電阻率較高
且地網(wǎng)面積受限制的情況下，要使接地電阻滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟(jì)均極不合理。本文以220 kV
新立變電站為例，對(duì)接地系統(tǒng)的安全性開(kāi)展深入研究，提出了變電站接地電阻超標(biāo)時(shí)確保接地系統(tǒng)安全
運(yùn)行的措施。
1 變電站接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的數(shù)值計(jì)算
1．1 有二次電纜的接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的計(jì)算
電路圖是電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述。若圖中任一支路都賦予一個(gè)參考方向，則稱該圖為有向圖。一條
支路聯(lián)接于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，則稱該支路與這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，節(jié)點(diǎn)與支路的關(guān)聯(lián)性質(zhì)可以用關(guān)聯(lián)矩陣來(lái)描
述。設(shè)有向圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)為m，支路數(shù)為n。則該有向圖的關(guān)聯(lián)矩陣4為(m x n)階的矩陣。它的行對(duì)應(yīng)于
節(jié)點(diǎn)，列對(duì)應(yīng)于支路。它的任一元素 定義如下：0 =1，表示支路 與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)并且它的方向背離節(jié)
點(diǎn)；。 =一1，表示支路 與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)并且它的方向指向節(jié)點(diǎn)；口 =0，表示支路 與節(jié)點(diǎn)i無(wú)關(guān)聯(lián)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的田字形接地網(wǎng)如圖1所示。電網(wǎng)的短路電流從一個(gè)邊角節(jié)點(diǎn)人地，并假設(shè)每段導(dǎo)體的漏電流
集中在導(dǎo)體中點(diǎn)人地。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分析方法建立節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣。節(jié)點(diǎn)編號(hào)需按如下規(guī)則：先橫排后豎列，先下后
上和先左后右，先中點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)。這樣對(duì)于一個(gè)有n條支路和m個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，由于每條支路在中點(diǎn)有漏電流入
地，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)變成有2n條支路和n+m個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于該接地網(wǎng)絡(luò)可以求得阻抗矩陣z為：
收稿日期：2012—09—14
基金項(xiàng)目：吉林省電力有限公司科技項(xiàng)目(2010—6)
作者簡(jiǎn)介：魯志偉(1963一)，東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院教授，博士，主要研究方向：接地技術(shù)、電力電纜運(yùn)行和電介質(zhì)材料等
第6期 魯志偉等：新立變電站接地系統(tǒng)安全性能研究 29
Z1
，
1 ? Z．1
，
? Z1
，2n
Zi
，
1 ?
，
?
，2n
Z2Ⅱ
．
1 ? Z2n
．
’‘’ Z2n
． 2n
z0+ M
， ，
= 1，? ，2n；z J=jwM √， =1，
?
，2n√= 1，? ，2n，i≠ ； =2zrf
式中： 。、M 和 分別為網(wǎng)絡(luò)變成2n條支路后，每
19 5 20 6 2l
8 —————●- l0 ——— ●卜—一
3 17 4
16
7 ————+ 9 —— ● —一
十 十
條支路導(dǎo)體的內(nèi)阻抗、外自感和不同導(dǎo)體間的互感i廠 圖1 接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)
為人地電流的頻率。令：Y=Z～，若節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為A，則節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣 + 為：
+
= AYA ， (2)
對(duì)圖1所示電路列出節(jié)點(diǎn)電壓方程：
]' ㈩
式中： =[ ， ，?， ：] ，n維列向量， 為第 段導(dǎo)體的中點(diǎn)電位； 。=[ ：小 ： ?， ：+ ] ，m維
列向量， 為第n+ 個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位；[ ]=[， ，，2，?，， ] ，n維列向量，， 為第i段導(dǎo)體的漏電流；[，0 ]
= [Jo，0，?，0]T，m維列向量，為接地網(wǎng)注入電流。
每段導(dǎo)體的漏電流都會(huì)在所有導(dǎo)體表面上產(chǎn)生電位，則第． 段導(dǎo)體上的總電位為
咖=Σ ，
i=1
(4)
其中： 稱為自電阻， 稱為互電阻。其計(jì)算問(wèn)題在地網(wǎng)等電位的接地參數(shù)計(jì)算中已解決 J。采用點(diǎn)匹
配矩量法將式(4)寫(xiě)成矩陣的形式，并令R～ =G，則有Ik=G ，代人式(4)，整理后可得：
y + [ ：]+[ 三][ ：]=[ 】． c5
本文的數(shù)學(xué)模型全面地考慮了導(dǎo)體電阻、自感和導(dǎo)體間的互感，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際?；谏鲜龇?
法，編制了接地計(jì)算軟件。該軟件可以分析水平多層土壤中，接地網(wǎng)的接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓和
網(wǎng)內(nèi)電位差等接地參數(shù)，并能給出地表面的電位分布。
二次電纜的屏蔽層雙端接地，此時(shí)接地系統(tǒng)相
當(dāng)于含有內(nèi)阻的電壓源。計(jì)算沒(méi)有電纜時(shí)電纜屏蔽
層的兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電位差(即接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電
位差)，并在電纜的一個(gè)接地點(diǎn)向接地網(wǎng)注入單位電 Z
流，同時(shí)在電纜的另一個(gè)接地點(diǎn)從接地網(wǎng)抽出單位
電流，計(jì)算電纜的兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電位差，由該電
位差除以單位電流便可得到接地網(wǎng)等效阻抗。再由
屏蔽層的阻抗就可以計(jì)算屏蔽層流過(guò)的電流。
1．2 二次電纜芯皮電位差的數(shù)值計(jì)算
求出電纜屏蔽層流過(guò)的電流后，就可以由二次
電纜分布參數(shù)等值電路計(jì)算電纜的芯皮電位差。短
l
】 1 1J + d 1 r f
I 0
l
r j ’
訂
圖2 二次電纜的分布參數(shù)計(jì)算模型
路電流通過(guò)地網(wǎng)對(duì)二次電纜芯線產(chǎn)生干擾時(shí)的二次電纜分布參數(shù)等值計(jì)算電路如圖2所示。圖2中
為電纜屏蔽層電流回路的自阻抗， 為電纜屏蔽層的對(duì)地容抗，】，c為電纜芯線與屏蔽層之間的容抗，z。
為電纜芯線電流回路的自阻抗，z 為電纜芯線與屏蔽層之間的轉(zhuǎn)移阻抗， 為傳遞導(dǎo)納。這些參數(shù)的詳
細(xì)求解見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。
以電纜芯皮回路和皮地回路中的壓降和電流為變量，由圖2可以列出方程：
30 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào) 第32卷
]=[-zZ 。 ZT ， ㈩
= Yc二 ㈩
上述矩陣方程以電纜芯皮回路和皮地回路中的壓降和電流為變量，需要改成以大地作為參考點(diǎn)的
回路壓降和芯皮中實(shí)際通過(guò)的電流，這樣才適于線路方程的計(jì)算需要。以Vc和Vv表示電纜芯、屏蔽層
的對(duì)地電壓，，。和Io表示在電纜芯、屏蔽層中通過(guò)的電流，由圖2可得：
： [：乏]=[一 Z c一+ 2 Z r一- Z ][ IC ]， c 8
黝=[ 一 ．
1．3 二次電纜芯皮電位差的數(shù)值計(jì)算 位囂B
本文計(jì)算了幾組芯皮電位差占地電位升的比
例，與文獻(xiàn)[2]的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果
的正確性。二次電纜布置在圖3所示的中心導(dǎo)體上方
(位置A)。接地網(wǎng)面積分別為100 m×100 m和200 m
×200 m，導(dǎo)體問(wèn)隔距離10 m，接地網(wǎng)埋設(shè)深度為1 m， ?！?百A
土壤電阻率100 n·m，二次電纜長(zhǎng)100 m，10 kA短路
電流從邊導(dǎo)體c點(diǎn)注入。地網(wǎng)邊長(zhǎng)100 m，本文的計(jì)
算結(jié)果為：芯皮電位差177．4 V，芯皮電位差占地電
位升的比例17．80％ ，文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果為：芯皮
電位差210．6 V，芯皮電位差占地電位升的比例
21．13％；地網(wǎng)邊長(zhǎng)200 1TI，本文的計(jì)算結(jié)果為：芯皮
電纜 行
— — — K
圖3 二次電纜及地網(wǎng)布置
列
電位差140．2 V，芯皮電位差占地電位升的比例45．99％，文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果為：芯皮電位差139．4 V，
芯皮電位差占地電位升的比例45．70％。所以本文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果吻合。
2 新立變電站人身安全性分析
2．1 新立變電站內(nèi)允許的最大接觸電壓和跨步電壓
新立變電站接地網(wǎng)的接地電阻0．7，接地網(wǎng)的最大人地電流為12 kA，接地網(wǎng)最大電位升高為
8 400 V，超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4．2倍。圖4給出了新立變電站接地網(wǎng)布置，并對(duì)圖4中曲線1一曲線5的地面電
位分布進(jìn)行了分析計(jì)算。其中電流由A點(diǎn)入地曲線1的電位分布如圖5所示，變電站最大接觸電壓和跨
步電壓如表1所示。
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圖4 新立一次變接地網(wǎng)及二次電纜布置 圖5 曲線1上電位分布
第6期 魯志偉等：新立變電站接地系統(tǒng)安全性能研究 31
表1 接地網(wǎng)內(nèi)的最大接觸電壓和跨步電壓
跨步電壓／V 接觸電壓／V 跨步電壓／V 接觸電壓／V
東南角 506 無(wú)設(shè)備 西北角 504 1008
東北角 509 無(wú)設(shè)備 墻外五米內(nèi)84．5 無(wú)設(shè)備
西南角 503 1132
注：吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院實(shí)測(cè)值低于表中計(jì)算值。
2．2 接地網(wǎng)內(nèi)接觸電壓和跨步電壓
在大接地短路電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地時(shí)，發(fā)電廠，變電所電氣設(shè)備接地的接觸電壓
和跨步電壓不應(yīng)超過(guò)下列數(shù)值：
：= ——— 當(dāng)衛(wèi) ， (10)
√
Uk =： ——— ． (11)
√
式中： 為接觸電壓；Ukp為跨步電壓；p。為人腳站立處地面的土壤電阻率； 為存在高土壤電阻率
路面層時(shí)人腳接地電阻的校正系數(shù)；￡為接地短路電流的持續(xù)時(shí)間。取t=0．5 s計(jì)算可得容許最大接觸
電勢(shì)為321 V，跨步電壓為549 V；在變電站地面鋪設(shè)20 cm厚的瀝青混凝土路面后，人體可承受的接觸
電勢(shì)和跨步電壓分別達(dá)到1 463 V和5 249 V。所以，新立變電站鋪高土壤電阻率路面后即可保證人身
安全。
3 二次設(shè)備安全性分析
3．1 二次電纜芯皮電位差及皮電流計(jì)算與分析
變電站的接地電位升高會(huì)直接影響到二次系統(tǒng)的安全性。為提高二次電纜抗電磁干擾的能力，通
常采用屏蔽層雙端接地的方式。短路電流將有一部分流過(guò)屏蔽層，并在二次電纜的芯線上感應(yīng)出電位，
屏蔽層和芯線的電位差施加在二次電纜的屏蔽層上。二次電纜與二次設(shè)備直接相連，二次電纜的芯皮
電位差也直接施加在二次設(shè)備上。芯皮電位差過(guò)高將導(dǎo)致二次電纜和二次設(shè)備的絕緣損壞 。
微機(jī)保護(hù)裝置是變電站內(nèi)絕緣最薄弱的設(shè)備，其耐壓標(biāo)準(zhǔn)為2 kV。所以二次電纜的芯皮電位差必
須小于2 kV才能保證設(shè)備安全。根據(jù)新立變電站地網(wǎng)及二次電纜的布置圖，計(jì)算出電纜最長(zhǎng)和短路電
流在電纜一端注入時(shí)，二次電纜的芯皮電位差為2 390 V，屏蔽層電流336 A。所以新立變電站工頻短路
故障可能威脅二次設(shè)備安全運(yùn)行。
3．2 銅排流線對(duì)芯皮電位差和皮電流的影響
國(guó)內(nèi)已發(fā)生多次因電纜雙端接地導(dǎo)致故障電流流過(guò)電纜屏蔽層而燒毀二次電纜的事故。電力系統(tǒng)
通常采用在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅排流線，并使排流線與二次電纜可靠連接。這樣短路
故障時(shí)，由于排流線的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，故障電流主要從排流線中流過(guò)，而流過(guò)二
次電纜屏蔽層的電流較小，可以克服電纜雙端接地時(shí)可能燒毀二次電纜的問(wèn)題。銅排流線還可以顯著
降低二次電纜的芯皮電位差。計(jì)算結(jié)果表明：在電纜溝中與二次電纜平行布置一條6 mm銅排流線芯
皮電位差降低至402 V，屏蔽層電流降至53 A。所以加設(shè)排流線后的芯皮電位差小于2 000 V，屏蔽層電
流小于100 A，可確保二次電纜及二次設(shè)備的安全運(yùn)行。
4 結(jié) 論
新立變電站發(fā)生工頻短路故障時(shí)地電位升高達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的4．2倍，而通過(guò)降低接地電阻使地電
位升高達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均極不合理。在采取下列措施后，可以在不降低接地電阻的情況下，保
32 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào) 第32卷
證人身和設(shè)備安全：
(1)敷設(shè)瀝高土壤電阻率路面，可以有效地提高人體能夠承受的接觸電壓和跨步電壓，保證接地電
阻超標(biāo)接地網(wǎng)內(nèi)的人身安全；
(2)在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅排流線，不僅可以減小流過(guò)屏蔽層的電流，避免燒毀的
事故，而且可以顯著地降低二次電纜的芯皮電位差，保證二次電纜和二次設(shè)備的安全運(yùn)行。新立變電站
在未敷設(shè)銅排流線時(shí)，二次電纜芯皮電位差超過(guò)2 kV，而在敷設(shè)6 mm銅排流線后，二次電纜的芯皮電
位差降低到402伏，保證了二次設(shè)備的安全運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
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Grounding System Safety Performance of XinLi Substation
LU Zhi．wei ，MA Wen-jing ，SONG Wen．guo ，YIN Xiang．a(chǎn)i
(1．Technological School of Transmission and Transformation，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2．Electrial
Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；3．The Jilin Current Supply Company of Jilin Electric Power
Co．，Ltd，Jilin Jilin 13201 1)
Abstract：Along with the development of electric power system capacity，the value of failure current IO 1 flowing
into ground has been increased greatly．It is dificult for the substation grounding resistance R to meet the re—
quirements of R≤2 000／Io1．Based on field-circuit coupling theory，program to calculate secondary cable is es—
tablished in this paper．The calculation program is used to analysis substation ground potential distribution and
the potential differences of the secondary cables and secondary equipment．The methods of personal safety and
the equipment safety are put forward．The calculation method presented in this paper gives scientific foundation
for practical engineering．
Key words：Grounding system；Grounding resistance；Drainage wire；Secondary system；Safety

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