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1.1 安全设计指标
在接地网的优化设计中,表征接地网安全性能宏观指标的特性参数包括接地阻抗、GPR、接地网电位差(grounding potential difference, GPD)、接触电位差和跨步电位差等[14-16]。GPR指电流经接地网流入大地时,接地网与大地零电位点之间的电位差,GPR过高会使低压避雷器击穿;GPD指接地网通过电流时,接地网上不同两点之间的电位差,该电位差是造成二次电缆烧毁的主要原因。根据文献[8],接地网的接地电阻应满足R≤2 000/IG,接地电阻不能满足该公式时,可通过经济技术比较适当增大接地电阻。《电力工程电气设计手册》中将工频接地电阻限值放宽至0.5 Ω甚至5.0 Ω,R≤5.0 Ω时应符合要求:(1)对可能将接地网的高电位引向厂、所外,或将低电位引向厂所内的设施,应采取隔离措施;(2)当接地网升高时,考虑短路电流非周期分量的影响,发电厂、变电所内3~10 kV阀型避雷器不应动作;(3)设计时应采用均压措施并验算接触电位差和跨步电位差,施工后应进行测量,并绘制分布曲线[17]。
接触电位差和跨步电位差的安全限值可分别按照式(1)和式(2)进行计算。
式中:Ut为接触电位差安全限值;Us为跨步电位差安全限值;ρs为地表层的土壤电阻率;Cs为表层衰减系数,ts为故障持续时间,取0.7 s。如表1所示土壤条件下的接触电位差和跨步电位差安全值分别是220 V和255 V。一般情况下,变电站户外场地宜敷设砾石、卵石、沥青混凝土和绝缘水泥等,厚度一般为10~35 cm。敷设沥青混凝土后,表层土壤电阻率可达5 000 Ω˙m,则接触电位差和跨步电位差安全值分别为1 213 V和4 349 V。
全户内智能变电站运行管理方式逐渐趋向于无人值守,因此对接地网的安全性要求由人员安全和设备安全两方面逐渐转变为设备安全,设计接地网时进行安全评估的重点转移到设备上,即重点考察低压避雷器、110 kV及以上电力电缆以及二次设备的安全性,接触电位差和跨步电位差的安全限值可以适当放宽。
GPR的安全限值需要满足条件:(1)满足一次设备也就是低压避雷器和110 kV电缆护层保护器的耐受;(2)满足二次设备及二次电缆的耐受要求。根据二次设备相关规程和技术规范规定,工频下二次设备的绝缘水平通常为2 000~3 000 V[18]。在二次接地网等电位连接的条件下,只要二次电缆是双端接地方式的智能变电站接地网的GPD小于2 000 V即可保证二次系统不受损坏。对智能变电站低压避雷器的GPR耐受值和单端接地的电缆护层保护器的GPR耐受值进行校验,可以得到比较可靠的GPR安全限值。经校验,GPR限值可放宽至9.5 kV[19]。
1.2 地网安全性分析
根据变电站总体布置情况,变电站主接地网初步设计方案为埋深在地下0.8 m的矩形地网,网孔尺寸为6 m×6 m,面积为72 m×37 m,网孔交点处均有2.5 m短垂直接地极。经计算,接地网初步设计方案的接地电阻为0.59 Ω,最大GPR值为14.99 kV,过高的地电位升必然导致站内接触电位差和跨步电位差超标,如图1所示。由图1可知,次边角网格接触电位差最大值为1 476.1 V,远超安全值,跨步电位差最大值为1 215.5 V,站内跨步电位差满足安全性要求。站内最大地电位差只有247.57 V,满足国标中2 000 V以下的要求,对其二次电缆及二次设备不会造成损坏,因此在后续进行接地网优化时,需采取降阻措施,使GPR满足设计指标不高于9.5 kV的要求。
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