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两个相邻变电站接地系统的安全性分析：以大城市电力局系统为例
摘要：本文提出了一种新的气体绝缘变电站（GIS）代替现有的空气绝缘变电站（AIS）以及小型空气绝缘变电站的施工计划程序，该小型空气绝缘变电站用作临时变电站，以提供现有空气绝缘的负荷尚未删除的变电站。同时，当两个变电站的接地网断开电连接时，现有变电站的辅助接地系统会在两个变电站的接地网之间产生陡峭的地电位上升，从而给附近工作的人带来风险。因此，将步进和接触电压方面描述的安全标准并入电气设计中而没有任何潜在的电气危害非常重要。安全设计规划过程由都会电力局(MIA)的Pathumwan(PM)变电站进行说明。对电流分布电磁干扰接地和土壤结构(CDEGS)程序进行建模和仿真。建议从现有的空气绝缘变电站到新的室内气体绝缘变电站的顺序过渡过程符合IEEE标准80-2000。
关键词：配电变电站；地电位上升；阶跃电压；接触电压
1.引言
大城市电力局(MEA) 有两种类型的输配电变电站，室外空气绝缘变电站(A1S) 和气体绝缘变电站(GIS)。MEA中的AIS实例是Rasburana变电站，Petchkasem 变电站和Pathumwan (PM) 变电站。GIS的例子有Klongtoey变电站和Rachaprarop变电站。由于其紧凑性，GIS是新变电站在满足土地限制的同时适应负荷增长的首选。在某些情况下，在规划和建设新的GIS永久性变电站或翻新现有变电站的同时，需要建造一个临时变电站，通常需要小型ATS变电站作为临时变电站。
本文提出了MEA中两个相邻变电站的安全设计接地系统。PM变电站是一个运行了30多年的69kV室外空气绝缘变电站，对这种方法进行了说明。为了提高电力系统的安全性和可靠性以及美观性，该变电站将由室内GIS代替。GIS的所有高压设备都将安装在带有SF6绝缘层的金属覆层中，并且在2011年需要将供电电压从69kV升级到115 kV。同时，临时需要一个小型的ATS变电站，以帮助满足现有变电站的需求。现有的室外变电站将停止运行，并由新的室内变电站代替。但是，室外变电站的某些部分仍可以用作备件。小型AIS变电站将在新的室内变电站建成之前大约1或2年投入运行[1]。
在这种情况下，应考虑设计两个相邻变电站接地系统的安全性。当两个变电站彼此靠近且一个变电站正在运行而另一个变电站不处于运行状态时，如果两个变电站的接地网均隔离，则该变电站的空闲接地网将自身模拟为现有变电站的辅助接地，并可能导致两个变电站之间的地面电位上升(GPR)差异巨大:换句话说，触摸电压高。这将使地面电位上升变得陡峭，并可能伤害在变电站附近工作的人员。
为了解决此安全问题，在“电流分布电磁干扰接地和土壤结构”(CDEGS)软件包上进行了建模和仿真。基于IEEE标准中定义的体重的安全步进和触摸电压标准。分析80-2000。为了翻新已有30多年的现有变电站，必须建造一个新的小型AIS变电站来临时供应配电系统，而不是现有的变电站。之后，将删除现有的变电站，井新建一个GIS变电站。但是，过去，在新的GIS变电站的采购和建设准备阶段，没有考虑小型AIS变电站与现有变电站之间的地面电网连按，实际上，其影响可能导致任何设备和人员损坏。因此，建议找到解决方案以避免这种影响。
2.安全标准
在设计地面电网系统的过程中，首先计算安全标准以指定安全等级，然后计算最大接触电压和步进电压，以与安全标准进行比较以定义在变电站区域内工作是否安全。此部分将显示安全标准，触摸和步进电压的计算。
触摸电压标准：
GPR和人站立时同时与接地结构接触的表面电位之间的电位差。以伏特为单位的容许触摸电压定义为[2]：
（1）
这里为人体可承受的触摸电压（V）；为人体阻值；为表层降额系数；为表面层电阻率（Omega;·m）。
（2）
这里为通过人体的电流(A)；k =0.116（当体重为50kg），k=0.157（当体重为70kg）；为电流持续暴露时间(s)。
人员的安全取决于防止在清除故障和使系统断电之前吸收临界量的冲击能量。为了确保安全，流经人体的电流的大小和持续时间应小于可引起心脏心室纤颠的值。颠动电流是个体体重的函数。体重50公斤和70公斤的可容许人体电流极限在文献[2],[3]中可查阅。
步进电压标准：
人与脚桥接1m的距离而没有接触任何其他接地物体时所经历的表面电势差。以伏特为单位的容许阶跃电压定义为[2]：
（3）
这里为人体可承受的阶跃电压(V)。
3.最大网格和步进电压
接地网格[4]的网格内的最大触摸电压由下式计算：
（4）
这里为网格电压(V)；为土壤视在电阻率(Omega;·m)；为n条平行导体定义的网格系数；电流不规则性的校正因子；为接地网与大地之间流过的最大均方根电流（A）；为对于网格电压的与之和的有效长度（m）。
对于带有或不带有接地棒的电网，有效的埋入导体长度为：
（5）
这里为对于阶跃电压的与之和的有效长度（m）；为电网导体的总长度（m）；为接地棒的总长度（m）。
步进电压由下式决定：
（6）
这里为阶跃电压（V）；为n个平行导体定义的网格系数。
为了计算最大触摸电压和阶跃电压，需要视在电阻率因子，并且可以通过应用温纳排列法获得。
图1 两层地球模型
可以通过温纳方法确定具有图1所示的两层特征的土壤电阻率。在这种方法中，视在电阻率是使用等式（7）计算的，在文献[2],[4-6]可查阅：
（7）
（8）
这里为土壤视在电阻率（Omega;·m）；为第一层高度（m）；为反射系数；为第一层电阻率 （Omega;·m）；为深层电阻率（Omega;·m）。
为了计算表7所示的视电阻率，使用了温纳布置法对变电站区内土壤的视电阻率进行了测量。获得表观电阻率后，即可确定最大接触电压和阶跃电压。以下是获得表观电阻率的温纳排列方法的说明。
图2中所示的四点法是实践中最准确的方法，用于测量大体积原状土的平均电阻率。在该图中，四个电极埋在点，，和的等距小孔中。土壤电阳R的单位为欧姆，V/I的比值计算，其中I为两个外部电极之间的注入电流，V为两个内部电极之间的测量电压，在文献[2]，[4-5]可查阅。
图2 温纳布置
通过这种布置，电阻率表达为长度单位的术语是：
（9）
这里为测得的电阻（Omega;）；为相邻电极之间的距离（m）；为电极深度（m），当与相比较小时，（9）式成为：
（10）
4.安全分析过程
安全性分析是在CDEGS程序上进行的。安全分析过程可以通过以下步骤进行描述。
步骤1:使用温纳排列法测量位于目标变电站区域内的土壤的屯阻(Omega;)。
步骤2:使用最陡峭的方法将步骤1中获得的电阻值输入到农村电气安全认证计划模块(RESAP)中，以获取土壤特性，例如土壤电阳率(Omega;·m)和土壤层的原度。
步骤3:使用MALT模块将从步骤1获得的电阻值输入CDEG程序，以达到安全标准。
步骤4:设计每个变电站的地面网格系统，与每个地面网格研究相对应。
步骤5:将最大触摸和步进电压的电势与安全标准进行比较，以从每个设计的接地网格配置模拟得出，以检查它们是否超过安全标准水平。如果是，则需要修改设计的接地栅格配置，直到最大接触电压和阶跃电压在安全标准之内。
5.个案研究
图3显示了PM接地变电站系统的接地系统的典型安装及其电网尺寸。现有变电站的接地栅导体横截面为240mm2，按地棒长为2.4m,直径为15.875mm。该变电站中的所有接地棒均通过放热焊接方法直接连接至主接地网。接地网埋在地面以下0.5m处。小型AIS变电站的接地网导体横截面为95mm2,接地棒长为3.0m,直径为15.875mm，接地网的深度为0.5m。
图3 接地系统的典型安装
地面网格模拟模型：
使用CDEGS程序对PM变电站的地面网格系统进行建模，如图4所示。
图4 PM变电站的地面网格顶视图模型
土壤电阻率结果：
通过CDEGS程序中的内置模块(称为农村电力安全认证程序模块(RESAP))分析了PM变电站的土壤层特性，对数表示在图5中。
对于图5中的模型，表1中显示了PM变电站的电阻率。顶层和底层的电阻率分别为22.2588和1.019092Omega;·m。由于许多因索，例如土壤的水分含量，化学成分，溶解在所含水中的盐分的浓度以及粒度，顶层比底层(深层)具有更高的电阻率[7]。
图5 土壤电阻率模型
表1 土壤电阻率总结
表2 50公斤体重的安全标准
用户定义的额外脚部阻值：500Omega;。
身体阻值：1000Omega;。
通过MALT分析PM变电站的安全标准，表2所示为50kg体重。以1000的表层电阻率为安全标准，对于50公斤体重，触摸电压和阶跃电压分别为804.90伏和2352伏。
尽管可能有多种接地网格配置，但表3中给出了五种常见配置。
表3 现有网格的差异配置
现有电网：现有室外变电站的现有地面网。
临时电网：小型AIS变电站的地面网（临时地面网）。
表4 GPR，触摸和步进电压五种情况
安全标准:触摸=804.9伏，阶跃=2,352伏。
radic;:在表2中1000Omega;·m安全标准的范围内。
times;:在表中1000Omega;·m安全标准的范围外。
表4列出了三个电压性能指标。表4中的数据以图形方式显示在图6至20中。
根据表4中的仿真结果，变电站能够通过配置接地网结构来支持25kA短路电流。个案分标如下。
情况1:接地格栅导体的横截面为240mm2,接地棒的长度为2.4m，白径为15.875mm。地面网格的深度为0.5m。所有的网格导体都理在顶层。触摸电压(1.082伏)和步进电压(313伏)标准的现有值不满足。尽管触摸电压超出安全标准(804.9伏)25.61%，但步进电压仍在安全极限之内。对于现有的接地网格设计，图6中显示了3维GPR，从中我们可以看到，当波形的高度接近现有变电站的中心时，波形的高度就很明显。这表明现有变电站的顶部与地面之间存在很大的电压差。图上有许多峰值。这些峰值分别代表电压的强度。即，该点越高，电压越高。图上的峰值点所在的区域表示现有变电站的面积，并且与峰值点相距较远的是包括边界的临时变电站的面积，这是现有变电站与临时变电站之间的面积。图7显示了二维GPR图的侧视图，其最大值位于距原点约16m处。图8足二维点触摸的图形，该图说明了该图形的俯视图，以帮助确定安全轮廓区域。总之，不安全区域的x和y轴距原点的距离为45至55m。
情况2:接地棚格导体的横截面为95mm2，接地棒的长度为3.0m,直径15.875mm。地面网格的深度为0.5m。所有的网格导体都埋在顶层。情况2的条件为室内GIS变电站的建设有1到2年的时间间隔。因此，系统规划人员必须在施工开始之前考虑安全标准。在这种情况下，最大GPR降低了33.58%(1166.6伏至774.9伏)，最大触摸电压35.86%(1082伏至694伏)，最大步进电压降低了67%(313伏至171.5伏)，因此接地棒从2.4m更改3m。主电极的总埋入长度为302.8m。对于接地网格设计的情况2,图9中显示了3维GPR。该图说明，当它是小型AIS变电站的边界时，波形图的高度相当高，表明小型AIS变电站的顶部和地面之间存在适度的大电压差。然而，该电压差在安全标准范围内，因此可以接受。图上许多峰值点所在的区域代表小型AIS变电站的面积。图10显示了二维GPR透视图的侧视图，最大值距原始图约33m。图11是2维点触摸的俯视图。区城轮廓显示两个变电站内的所有区域都是安全的。
情况3:此情况是情况1和情况2的接地网格系统相互连接，间距为4.40m。在这种情况下，出于总电阻降低，最大GPR
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