曾 聪，王群江
高土壤电阻率110 kV变电站接地电阻达标研究
曾 聪，王群江
（中国轻工业长沙工程有限公司，湖南长沙 410114）
接地系统是电网的重要组成部分，其好坏直接关乎系统的正常运行和人身、设备安全。本文详细论述了110 kV变电站发生接地故障后地电位升超过2000 V时，与二次电缆屏蔽层并联敷设的扁铜，其截面如何选择以及金属氧化物避雷器吸收能量安全性怎样评估的问题。结论数据可供变电站接地设计参考。
接地电阻 热稳定 工频反击电压 金属氧化物避雷器
国内外由于接地网不合格引发的接地网事故中，有些不但烧毁了一次设备，而且还通过控制电缆将高压引入控制室，使监测或控制设备发生误动或是拒动，造成事故进一步扩大。因此，一个合格的地网在变电所的安全运行中发挥着重要作用。按《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065-2011)第4.2.1条规定，有效接地系统接地网的接地电阻应符合下面公式：
《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065-2011)第4.3.3条，提出了对有效接地系统中变电站接地网，发生接地故障后地电位升高至5 kV时，接地网及有关电气装置应符合的五点要求。其中第一、第四及第五条可实施性比较强,本文不再论述。但仍有部分条文，如第二、三条，并没有给出具体的数值，在变电站接地设计时，以上要求该如何落实呢?
2.1 扁铜的作用
为了减小电缆芯线和电缆屏蔽层之间的感应电位差，规范要求二次电缆屏蔽层两端接地。接地故障时，由于地网不同点的电位差，会有部分电流从屏蔽层流过。如果故障电流较大，屏蔽层有穿孔的可能。鉴于扁铜的阻抗较屏蔽层小得多，因此会有大部分电流从扁铜流过。可见扁铜或铜绞线的主要作用是为了将流过电缆屏蔽层的电流限制在屏蔽层的载流量允许范围内，使得屏蔽层不至于被熔化[5]。实验证明，扁铜也可以降低控制电缆芯线和屏蔽层(或接地网)之间的工频电位差，即工频反击过电压[3]。下面，我们来分析其原理。
图1 电缆沟电缆的反击过电压
解上述方程组，流过电缆屏蔽层和接地线的电流分别为：
电缆芯线的电压等于芯线电流和芯线自阻抗的乘积，扁铜接地线的电流和扁铜接地线与芯线互阻抗乘积，屏蔽层的电流和屏蔽层与芯线互阻抗乘积之和。即：
屏蔽层电压为：
但是，用上式是不能直接计算出反击过电压的，因为流过电流芯线和屏蔽层的电流，用解析的方法，通过计算得出。是非常困难的。这种困难在于接地线和电缆屏蔽层，实际上正是发生接地故障时，与接地网并联的分流支路，类似的分流支路，不仅数量多，而且结构相当复杂。困难更在于，这些电流的数值与电缆在电磁场中布线路径相关。正是这些原因导致对反击电压的研究，目前还停留在现场试验和模拟实验阶段，流过电缆屏蔽层和接地线的电流，目前也只能用试验的方法获得。
2.2 扁铜的截面选择
热稳定校验需要一个重要参数是流过导体的故障电流值。因此，扁铜的热稳定校验也很难用解析的方法计算出来的。但是我们可以做定量的分析。接地导体的最小截面应符合下式的要求[1]：
C——接地导体材料的热稳定系数。
计算用接地故障电流原则上应选择变电站工程设计水平年（15年～20年后）接线情况下，站内发生接地故障时的接地故障电流和各对端有电源线路所提供的接地故障电流。当系统远景不是十分明确时，我国华东某省电力公司的《变电站铜质接地网应用导则》中提出的“110 kV配电装置的总接地故障电流选25 kA”的推荐意见可供参考。
变电站内、外发生接地短路时，经接地网入地的故障对称电流可分别按下列公式计算[2]：
即铜导体截面不小于50.2 mm2时，完全可满足热稳定要求。
《火力发电厂电气一次设计》第十五章、第四节发电厂二次系统的接地，中指出“应在控制室、继电器室、敷设二次电缆的沟道、配电装置的就地端子箱及保护用结合滤波器等处，使用截面积不小于100 mm2的裸铜排（缆）敷设与主接地网连接的等电位接地网[2]”、“沿二次电缆的沟道敷设截面积不小于100 mm2的裸铜排（缆），构建室外的等电位接地网[2]”。
因此工程设计时，电缆沟中可采用截面积不小于100 mm2扁铜（或铜绞线）与二次电缆屏蔽层并联敷设，是安全的，可采用的。
当变电站有6 kV或10 kV架空线路向接地网外的用户供电时，应避免在暂态反击过电压的作用下，6 kV或10 kV阀型避雷器应不动作，即要求阀型避雷器的工频放电电压大于工频暂态反击过电压以免6 kV或10 kV阀型避雷器不能熄弧而损坏，甚至爆炸危及附近设备和人身安全。
避雷器受到的反击过电压，取决于避雷器端子处的对地电容和线路对地电容所组成的电容分压器的分压比。参考图2，可以写出避雷器受到的反击过电压为：
考虑到避雷器端子还受到正常运行交流电压的作用，在最不利的情况下，运行电压恰好和接地网电位的极性相反。因此，6 kV或10 kV阀型避雷器的工频放电电压应等于或大于：
1.8—计入非周期分量的系数。
可以由上式求出6 kV或10 kV阀型避雷器的工频放电电压下限所要求的全厂接地电阻值为：
表1 中阀型避雷器工频放电电压下限值，可在《交流三相组合式有串联间隙金属氧化物避雷器》JB/T10609-2006，避雷器电气性能要求中查得，如表1所示[4]。
查表1知，6 kV站用避雷器工频放电电压不小于16 kV；
10 kV站用避雷器工频放电电压不小于24 kV。将数值带入式18计算，得出6 kV或10 kV系列阀型避雷器工频放电电压下限值允许的全厂接地网电阻值，如表2所示。
其它类型的避雷器，可依据相关国标或厂家提供的电气参数，参考以上的分析方法，推导出变电站允许的接地电阻值，此处不再一一赘述。
表1 典型的电站用避雷器电气特性（相-相、相-地）（kV）
表2 6～10 kV阀型避雷器工频放电电压下限值和允许的全厂的接地电阻
接地是一个看似简单、而实际上却非常复杂且至关重要的问题。变电站接地的研究涉及到接地网的均压、工频反击过电压及转移电位隔离等诸多问题。本文通过分析得出变电站接地网在发生接地故障后，地电位升高至5 kV时，与二次电缆并联敷设的扁铜截面可选择100 mm2及由金属氧化物避雷器工频放电电压下限值决定的变电站接地电阻的最大值（详见表2）。以上结论数据可供变电站接地设计使用。
[1] 中国电力企业联合会. 交流电气装置的接地设计规范. GB/T50065-2011[S]. 北京: 中国计划出版社，2011J
[2] 中国电力工程顾问集团有限公司. 火力发电厂电气一次设[M]. 北京: 中国电力出版社, 2018: 816, 831
[3] 李景禄, 胡毅, 刘春生. 实用电力接地技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002: 174
[4] 中国机械工艺联合会. 交流三相组合式有串联间隙金属氧化物避雷器. JB/T10609-2006[S]. 北京: 机械工业出版社, 2007
[5] IEEE Power and Energy Society. IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. IEEE Std 80[S]. 2013
Study on 110 kV substation grounding resistance up to standard in high soil resistivity area
Zeng Cong，Wang Qunjiang
（China Light Industry Changsha Engineering Co., Ltd., Changsha 410114, Hunan, China）
TM862
A
1003-4862（2022）09-0035-04
2022-06-09
曾聪(1981-)，硕士，高级工程师，研究方向：电气工程及其自动化。E-mail: zengcong@cecchina.com
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