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變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計
摘 要 接地網(wǎng)等間距布置存在地電位分布不均勻的問題。在建 220 kV 新塘變電站采用了不等間距布置，即從地網(wǎng)邊緣到中心，均壓導體間距按負指數(shù)規(guī)律增加。運用 GPC 接地參數(shù)計算程序?qū)煞N方法進行分析和計算，結果表明接地網(wǎng)優(yōu)化設計能顯著地改善導體的泄漏電流密度分布，使土壤表面的電位分布均勻，提高安全水平，節(jié)省鋼材和施工費用。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加，流經(jīng)地網(wǎng)的入地短路電流也愈來愈大，因此要確保人身和設備的安全，維護系統(tǒng)的可靠運行，不僅要強調(diào)降低接地電阻，還要考慮地網(wǎng)上表面的電位分布。在以往接地設計中，接地網(wǎng)的均壓導體都按 3 m，5 m，7 m，10 m等間距布置，由于端部和鄰近效應，地網(wǎng)的邊角處泄漏電流遠大于中心處，使地電位分布很不均勻，邊角網(wǎng)孔電勢大大高于中心網(wǎng)孔電勢，而且這種差值隨地網(wǎng)面積和網(wǎng)孔數(shù)的增加而加大。本文結合在建工程 220 kV 新塘變電站的接地網(wǎng)設計，闡釋了接地網(wǎng)不等間距布置的方法及其合理性。
1 接地網(wǎng)優(yōu)化設計的合理性
1.1 改善導體的泄漏電流密度分布
圖1是面積為190 m×170 m的新塘變電站接地網(wǎng)，在導體根數(shù)相同的情況下，分別按10 m 等間距布置和平均10 m不等間距布置。沿平行導體①、②、③、④、⑤的泄漏電流密度分布曲線見圖2。從圖中可見，不等間距布置的接地網(wǎng)，邊上導體①的泄漏電流密度較等間距布置的接地網(wǎng)平均低15%左右；對于導體②的泄漏電流密度，這兩種布置的接地網(wǎng)幾乎相等(僅相差0.3%)；對于中部導體③、④、⑤，不等間距布置的接地網(wǎng)的泄漏電流較等間距布置的接地網(wǎng)分別提高了9%，14%和15%。由此可見，不等間距布置能增大中部導體的泄漏電流密度分布，相應降低了邊緣導體的泄漏電流密度，使得中部導體能得到更充分的利用。
1.2 均勻土壤表面的電位分布
由表1的計算結果可知，不等間距布置的接地網(wǎng)能較大地改善表面電位分布，其最大與最小網(wǎng)孔電位的相對差值不超過0.7%，使各網(wǎng)孔電位大致相等，而等間距地網(wǎng)，其最大與最小網(wǎng)孔電位的相對差值在12.2%以上。同時不等間距地網(wǎng)的最大接觸電勢較等間距地網(wǎng)的最大接觸電勢降低了60.1%，極大地提高了接地網(wǎng)的安全水平。
表1 計算結果比較
布置 最大網(wǎng)孔電位Vmax／kV 最小網(wǎng)孔電位Vmin／kV 最大接觸電勢Vjmax／kV 接地電阻 R／Ω δ／%
等間距 5.709 5.081 0.799 0.523 12.2
不等間距 5.544 5.506 0.315 0.519 0.7
注：1)δ=(Vmax-Vmin)／Vmin；
2)地網(wǎng)面積為190 m×170 m；
3)長方向?qū)w根數(shù)n1=18，寬方向?qū)w根數(shù)n2=20。
1.3 節(jié)省大量鋼材和施工費用
如果按 10 m等間距布置的新塘變電站接地網(wǎng)，最大接觸電勢在邊角網(wǎng)孔，其值為0.799 kV，但采用不等間距布置時，保持最大接觸電勢與該值接近，這時可節(jié)省鋼材31.2%，見表2。
2 接地網(wǎng)優(yōu)化設計的方法
在設計時采用嘗試的方法來確定均壓導體的總根數(shù)和總長度，即先對地網(wǎng)長和寬方向的導體根數(shù)n1和n2進行試算，對于大地網(wǎng)一般可采用均壓導體間距為10 m左右試算，若接觸電勢滿足要求，進行技術經(jīng)濟比較后再考慮增減導體的根數(shù)。如圖3所示，當確定了n1和n2后，則地網(wǎng)長寬方向的分段數(shù)就確定了：長方向上導體分段為k1=n2-1，寬方向上的導體分段為 k2=n1-1，然后按下式得出各分段導體的長度。
表2 使用鋼材量的比較
布置 n1 n2 Vjmax／kV 鋼材長度 L／m
等間距 18 20 0.799 6 860
不等間距 12 14 0.756 4 700
Lik=L.Sik，
式中 L——地網(wǎng)邊長(長方向L=L1，寬方向L=L2)，m；
Lik——第 i 段導體長度，m；
Sik——Lik占邊長L的百分數(shù)。
Sik與i的關系似一負指數(shù)曲線，即Sik=b1×e-b2i+b3，
式中，b1，b2，b3均為常數(shù)，其確定方法如下：
當7≤k≤14時，當k＞14時，
對于任意矩形地網(wǎng)，只要長、寬方向?qū)w的布置根數(shù)一經(jīng)確定，就可根據(jù)長、寬方向?qū)w的不同分段 k，分別按上述推得的公式布置導體的間距。
3 結論
a)采用不等間距布置優(yōu)化設計接地網(wǎng)，能夠使地網(wǎng)各網(wǎng)孔電位趨于一致，從而提高了變電站的安全水平。
b)在同樣安全水平下，優(yōu)化設計的接地網(wǎng)較常規(guī)布置的接地網(wǎng)，一般能節(jié)省鋼材量達38%以上，同時也減少了相應的接地工程投資，在技術上、經(jīng)濟上較為合理。
c)從邊緣到中心均壓導體間距采用按負指數(shù)規(guī)律增加的新方法來布置接地網(wǎng)，其指數(shù)公式的系數(shù)b只與某平行導體根數(shù)(或平行導體分段數(shù)k)有關。
參考文獻
1 解廣潤.電力系統(tǒng)接地技術［M］.北京：水利電力出版社，1985
2 顏懷梁，陳先祿，李定中.接地計算方法及應用不均勻網(wǎng)孔改善地網(wǎng)電位分布的計算研究［J］.重慶大學學報，1985(4)
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