马加夫
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摘 要: 特高压变电站电压等级高、 容量大，接地短路电流较大， 为保证其接地系统具有良好的散流效果，确保人身和设备的安全， 应对接地设计进行优化，均衡接地网地表位分布， 降低接地电阻、接触电压和跨步电压。以某1 000 kV 特高压变电站为例，采用 CDEGS 软件作为仿真工具，考虑变电站 实际占地面积和几何结构，结合当地季节因素，通过分析接地网埋深、不等间距布置、垂直接地极对接地系统关键参数的影响，以降低接地电阻、接触电压和跨步电压为目标，对接地设计进行优化，并分析了优化后的接地设计对改善接地效果的影响。
关键词: 特高压变电站； 不等间距； 接地电阻； CDEGS； 接地优化设计
0 引言
随着我国特高压电网建设的不断推进，“八交八直”的特高压电网框架逐步形成，大量的特高压变电站也将投产运行。 特高压系统的电压等级高、容量大，因此接地短路电流将相当大[ 1-4 ]。为保证电力系统的安全可靠运行，对接地系统的要求将更加严格。特高压变电站接地系统的设计应充分考虑特高压电网的特点，在满足安全和经济的原则上对接地设计不断优化。接地网的优化设计就是合理布置接地网中的水平导体，得以均匀导体的电流散流密度以及接 地网地表的电位分布，提高导体的利用率， 更好地确保人身和设备安全。文献[5-6]考虑冻土层的影响， 接地网埋设深度均建议超过1 m。文献[7- 10]中德国的 Sverak最早提出不等间距概念，加拿大的 Dawalibi在 20 世纪 70 年代末也展开了接地 网水平导体优化布置的探讨，而陈先禄教授率先提出了均匀土壤中采用不等间距布置接地网均压导体的规律，其他学者也探讨了均匀土壤和双层土壤中接地网的优化布置。文献[11-17]探讨了垂直接地极在接地网中的应用。本文以某 1000 kV 特高压变电站为例，考虑变电站实际占地面积和几何结构，结合地季节因素，在接地系统设计中对接地网埋深、不等间距布置、垂直接地极进行了优化。通过优化设计改善接地系统电位分布的不均匀性， 降低接触电压 和跨步电压，确保故障时的人身安全。 同时均衡电位， 降低故障时二次电流施加在二次设备上的过电压水平，提高电气设备的安全性。
1 接地模型建立
1.1接地尺寸的确定
某 1 000 kV 特高压变电站 1 000 kV 和500 kV 配电装置均采用户外 GIS（气体绝缘封闭组合电器）设备，1000 kV 配电装置布置在站区东部，500 kV 配电装置布置在站区西部，采用一列式布置。 主变压器采用单相自耦变压器，布置在站区中部。变电站围墙内东西向最大长度 431 m，南北向最大长度268 m。
1.2土壤模型的确定
对于该变电站土壤模型的确定，本文选择对称四极法来测量土壤电阻率。 在变电站站址选择东西和南北 2 条相互垂直的测量线， 并选择足 够长的测量线，至少达到变电站所占范围边长的 2 倍。对比不同观测线的数据，如果相互垂直方向的 2 条观测线数据差异不大，那么说明探测深度范围内土壤各向异性不严重，可以把土壤看成是水平分层的多层土壤。依据该变电站 4 个不同测试点的电阻率，其电阻率范围在1000~6 000 Ωm，结合地质报告资料及对当地土壤情况的搜资
2 特高压变电站接地优化设计
2.1 接地埋深优化最大接触电压随水平接地网埋设深度的增加先减小后增加，在1 m 左右存在极小值，但是在 0.8~1.2 m 范围内最大接触电压变化不大。由于在所分析范围内，除了最大跨步电压， 水平接地网埋设深度对接地网接地性能其他各项指标的影响很小， 而最大跨步电压值本身就很小，因此最大接触电压成为主要考虑因素， 且埋深减小有利于降低施工难度，也能节省一部分接地引 下线， 故这里选择 0.8 m 作为水平接地网埋深。
2.2 接地网不等间距优化
接地系统优化的目的是使接地系统的地表电 位分布均匀，接地系统的接地电阻、 地表最大接触电压及跨步电压最小。
所以，非均匀土壤中接地系统优化的思路就是寻找一种合理的接地系统水平接地导体的排列方式，在这种接地系统布置方式下，接地系统表面的电位分布最均匀，接地系统的接地电阻、地表的最大接触电压和最大跨步 电压达到最小值，研究发现，按指数规律布置地网导体不仅能够降低地表电位梯度，也可以很大程度上降低跨步电压和接触电压， 同时它也被证明是一种安全、经济的设计方法。针对该变电站，当给定地网边长 L 和导体根数 N 时，只要确定压缩比 C 便可得到地网的布置方案。因此接地系统优化设计工作的目标就是寻找最优压缩比， 使接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压达到最小值。利用接地系 统电气参数分析软件，计算不同压缩比对应的接地系统地表最大接触电压、最大跨步电压以及接 地系统的接地电阻，将接地电阻、最大接触电压和 最大跨步电压最小时的压缩比定义为最优压缩比，在最优压缩比时接地系统的布置方式就是最优布置方式。压缩比主要和土壤模型相关，因此可以在该变电站土壤分型模型上，建立不同压缩比的不等间距接地网，以确定最优压缩比。构建 450 m×300 m 范围的不等间距接地网，
2.3 深垂直接地极的优化
鉴于所采用的变电站土壤模型，中间层有一层 2000 Ωm 的岩石层，而越过岩石层，深层土壤的导电性非常好，因此可以考虑设置深垂直接地极穿透高阻岩石层来降低接地电阻，从而减小变电站的 GPR 根据。可见，干旱会使接地电阻升高，甚至有可能产生危险的接触电压和跨步电压，在接地网设计 中必须加以考虑。为了使接地网在干旱季节也能顺利散流， 可以在接地网边角和接地网中间接地 极交叉部位设置长度为 5 m的短垂直接地极。由于有 6 根长垂直接地极，并且接地网材质为铜，不存在明显的不等电位现象，所以短垂直接地极不必非常密集，相隔 40 m设置一根即可。
3 特高压变电站接地设计确定
根据前文分析并结合变电站的实际情况， 最采用中间均匀分布（网孔边长20 m）、边缘按压缩比0.6 不等间距布置的接地网布置方案。其中接地网埋设深度为 0.8 m，接地体外围和部分中间交点上加 5 m 长的短垂直接地极（共65根），用于平衡季节因素带来的影响。
4 结论 特高压变电站占地面积大，接地系统设计复杂，应结合变电站实际占地尺寸对接地网进行优化设计。本文以某1000 kV特高压变电站为例，从接地网埋深优化、接地网不等间距优化、深垂直接地极优化、短垂直接地极应用来分析接地优化设计对提高接地降阻水平的影响。
（1）最大接触电压随水平接地网埋设深度的增加先减小后增加， 在 1 m 左右存在极小值，但是在 0.8~1.2m范围内最大接触电压变化不大。
（2）改变压缩比后， 接地电阻、接触电压、 跨步电压和 GPR 都有变化，其中接触电压的变化最为明显。当压缩比为 0.6 时，接触电压处于最小值，地网其他各项参数也处于最小的状态。
（3）增加深垂直接地极可以明显降低该 1000 kV GIS 变电站的接地电阻、最大接触电压和最大跨步电压。在实际应用中，由于深垂直接地极施工较困难，耗费人力物力比较多，所以应当尽可能少地布置。
（4）需考虑季节因素对接地设计的影响，干旱季节将会使接地电阻升高，甚至有可能产生危险的接触电压和跨步电压，在接地网设计中必须加以考虑。为了使接地网在干旱季节也能顺利散流，可以在接地网边角和接地网中间接地极交叉 部位设置长度为 5 m 的短垂直接地极。
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