变电站接地网优化的设计

变电站接地网优化的设计
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接地网等间距布置存在地电位分布不均匀的问题。

在建220 kV 新塘变电站采用了不等间距布置,即从地网边缘到中心,均压导体间距按负指数规律增加。

运用GPC 接地参数计算程序对两种方法进行分析和计算,结果表明接地网优化设计能显着地改善导体的泄漏电流密度分布,使土壤表面的电位分布均匀,提高安全水平,节省钢材和施工费用。

随着电力系统容量的不断增加,流经地网的入地短路电流也愈来愈大,因此要确保人身和设备的安全,维护系统的可靠运行,不仅要强调降低接地电阻,还要考虑地网上表面的电位分布。

在以往接地设计中,接地网的均压导体都按 3 m,5 m,7 m,10 m等间距布置,由于端部和邻近效应,地网的边角处泄漏电流远大于中心处,使地电位分布很不均匀,边角网孔电势大大高于中心网孔电势,而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大。

本文结合在建工程220 kV 新塘变电站的接地网设计,阐释了接地网不等间距布置的方法及其合理性。

1 接地网优化设计的合理性
1.1 改善导体的泄漏电流密度分布
图1是面积为190 m×170 m的新塘变电站接地网,在导体根数相同的情况下,分别按10 m 等间距布置和平均10 m不等间距布置。

沿平行导体①、②、③、④、⑤的泄漏电流密度
分布曲线见图2。

从图中可见,不等间距布置的接地网,边上导体①的泄漏电流密度较等间距布置的接地网平均低15%左右;对于导体②的泄漏电流密度,这两种布置的接地网几乎相等(仅相差0.3%);对于中部导体③、④、⑤,不等间距布置的接地网的泄漏电流较等间距布置的接地网分别提高了9%,14%和15%。

由此可见,不等间距布置能增大中部导体的泄漏电流密度分布,相应降低了边缘导体的泄漏电流密度,使得中部导体能得到更充分的利用。

1.2 均匀土壤表面的电位分布
由表1的计算结果可知,不等间距布置的接地网能较大地改善表面电位分布,其最大与最小网孔电位的相对差值不超过0.7%,使各网孔电位大致相等,而等间距地网,其最大与最小网孔电位的相对差值在12.2%以上。

同时不等间距地网的最大接触电势较等间距地网的最大接触电势降低了60.1%,极大地提高了接地网的安全水平。

表1 计算结果比较
布置最大网孔电位Vmax/kV 最小网孔电位Vmin/kV 最大接触电势Vjmax/kV 接地电阻R/Ω δ/%
等间距5.709 5.081 0.799 0.523 12.2
不等间距5.544 5.506 0.315 0.519 0.7
注:1)δ=(Vmax-Vmin)/Vmin;
2)地网面积为190 m×170 m;
3)长方向导体根数n1=18,宽方向导体根数n2=20。

1.3 节省大量钢材和施工费用
如果按10 m等间距布置的新塘变电站接地网,最大接触电势在边角网孔,其值为0.799 kV,但采用不等间距布置时,保持最大接触电势与该值接近,这时可节省钢材31.2%,见表2。

2 接地网优化设计的方法
在设计时采用尝试的方法来确定均压导体的总根数和总长度,即先对地网长和宽方向的导体根数n1和n2进行试算,对于大地网一般可采用均压导体间距为10 m左右试算,若接触电势满足要求,进行技术经济比较后再考虑增减导体的根数。

如图3所示,当确定了n1和n2后,则地网长宽方向的分段数就确定了:长方向上导体分段为k1=n2-1,宽方向上的导体分段为k2=n1-1,然后按下式得出各分段导体的长度。

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bsp; 表2 使用钢材量的比较
布置n1 n2 Vjmax/kV 钢材长度L/m
等间距18 20 0.799 6 860
不等间距12 14 0.756 4 700
Lik=L.Sik,
式中L——地网边长(长方向L=L1,宽方向L=L2),m;
Lik——第i 段导体长度,m;
Sik——Lik占边长L的百分数。

Sik与i的关系似一负指数曲线,即Sik=b1×e-b2i+b3,
式中,b1,b2,b3均为常数,其确定方法如下:
当7≤k≤14时,当k14时,
对于任意矩形地网,只要长、宽方向导体的布置根数一经确定,就可根据长、宽方向导体的不同分段k,分别按上述推得的公式布置导体的间距。

3 结论
a)采用不等间距布置优化设计接地网,能够使地网各网孔电位趋于一致,从而提高了变电站的安全水平。

b)在同样安全水平下,优化设计的接地网较常规布置的接地网,一般能节省钢材量达38%以上,同时也减少了相应的接地工程投资,在技术上、经济上较为合理。

c)从边缘到中心均压导体间距采用按负指数规律增加的新方法来布置接地网,其指数公式的系数b只与某平行导体根数(或平行导体分段数k)有关。