接地网工频短路时最大允许地电位升的确定

1、接地网工频短路时最大允许地电位升的确定The Ascertainment of Limited GPR of Grounding Net During Frequency Short-CircuitCUI Shao-qing（Huainan Power Supply Company ， Huainan Anhui 232001, China）:In order to make the substation system safety operation ，the potential difference between the core wire and shielding lay is ca

2、lculated by the use of the method in the equivalent circuit. The intrinsic relevance between the potential difference and GPRis discovered by studying the potential difference， the current and proportionalrelationship. The ratio of the potential difference and ground potential rise is lower than for

3、ty percent The conclusion is that the limited ground potential rise can be increased to 5 000 V.接地系统的安全性包括两方面内容，一是确保地电位升 （ 注 入接地系统的短路电流及雷电等暂态电流在接地系统上产生的 相对于无穷远的零电位点的电压 ） 小于允许值，以确保发变电站 设备（主要指二次电缆和二次设备 ）的安全 1-3 ；二是确保接 触电压和跨步电压满足人身安全的要求。 另外，由于设备外壳都 与地网相联，高的地电位升加在设备外壳上，会产生反击事故， 危及设备安全。还有可能因反击使得二次设备的绝缘遭到

4、破坏， 高压窜入控制室， 轻则导致监测或控制设备发生误动或拒动， 重 则破坏监测设备而扩大事故，带来巨大的经济损失和社会影响。因此，对接地系统的安全性，包括安全性指标及其限值、改 善接地系统安全性的措施等， 开展系统的研究， 对确保发变电站 安全稳定运行具有重要的意义 4。1 芯皮电位差的求解1.1 分布参数方程的建立单项单芯二次电缆是由芯线 （R） 、金属管状屏蔽层 （D） 、金属 管状护层（M）、外界媒质（E）以及各同心圆柱导体之间F D D-M M-E的绝缘介质层组成。为了便于和同轴电缆的电磁场分析建 立联系，将这一系统看成三个回路 （ 见图 1） 。回路一由导芯和屏 蔽层组成； 回路二

5、由屏蔽层和护层组成； 回路三由护层与大地组 成，并且分别具有回路电流 i1，i2 和 i3 。图 1 中 u，i 是指各局部回路中的压降和电流，将其改成以 大地为参考点的回路压降和各导体层中实际通过的电流， 才适合 线路方程的需要。设uR、uD uM各表示电缆导芯、屏蔽层、护 层的对地电压，iR、iD、iM?U鞅硎驹诘夹尽帘尾恪11.厅、阒型 u ?的电流。沿电缆轴向回路压降在频域中的方程为？才？1.2 初值求解在计算接有电缆的接地网参数时， 通过戴维南等效原理 5， 先求无电缆连接时接地网的参数， 再由此求得有电缆的接地网参 数和电缆中的电压、电流。对于两端接地的电缆， 如果不考虑流经地网导

6、体的电流通过 电磁藕合对电缆的影响， 则电流注入地网时， 对于电缆来说接地 系统相当于含有内阻的电压源 （见图 2） ，因而得到该电压源的电 压和内阻之后， 就可以将该电压源的电压和内阻加在电缆的屏蔽 层上进一步分析电缆的响应。图2 接地系统在电缆两端的等效电路 首先计算没有电缆时电缆的两个接地点之间的电位差， 也即 求得图2的V。然后，设接地系统没有故障或雷电流流入，在电 缆的一个接地点向接地网注入单位电流， 同时在电缆的另一个接 地点从接地网抽出单位电流， 计算电缆的两个接地点之间的电位 差，由该电位差除以单位电流便可得到图 2中的接地网等效阻 抗。在得到接地系统的等效电压源及其内阻后，

7、就可以计算出初 值。1.3 电位差解值将初值代入式（6），求出UR UD UM ?6屹耍？芯皮电位差 为？才？2 芯皮电位差与地电位升的关系 在求解初值时需要求解接地系统的等效电压源及其内阻， 而 它们要受到土壤电阻率，地网边长，地网导体间距，短路电流大 小，电流注入点的影响，故这些因素也影响芯皮电位差；二次电 缆的长度，埋深对二次电缆的分布参数造成影响故也影响着芯皮 电位差。地网及变电站二次电缆的布置方式如图 3 所示。图3 二次电缆及接地网布置图2.1 各种因素对电位差的影响1) 土壤电阻率的影响。当改变故障电流注入点与电缆的距 离时，电缆芯皮电位差与土壤电阻率的关系如图 4 所示。 在相

8、同 电缆布置和电流注入情况下， 芯皮电位差随土壤电阻率的增加而 微微增大。 这是由于当土壤电阻率增大时， 泄漏电流减小轴向电 流略微增加的缘故。土壤电阻率/Q m1. C 点注入； 2. E 点注入； 3. D 点注入图 4 土壤电阻率与芯皮电位差的关系曲线2) 地网边长影响。地网的大小对芯皮电位差有着十分重要 的影响。在相同电缆布置和电流注入情况下，地网边长增大，芯 皮电位差呈非线性增大的趋势 (见图 5) 。地网边长越大，在相同 布置的情况下，二次电缆接与电网上两点的开路电位的增长速 度，要远远的高于电缆的内阻抗的增长速度， 此时屏蔽层电流随 地网规模的增大而增加， 屏蔽层电流越大对二次电

9、缆的电磁干扰 也就越大。故芯皮电位差也就越大。地网边长 /m1. D 点注入； 2. C 点注入； 3. E 点注入图 5 地网边长与芯皮电位差的关系3）地网导体间距影响。 在相同电缆布置 （ 电缆长度与接地 网边长相等 ） 和电流注入情况下， 导体间距增大， 芯皮电位差 几乎呈线性增大 （见图 6） 。地网导体的间距越大造成泄漏电流越 小轴向电流越大， 屏蔽层电流也就越大， 因此芯皮电位差也越大。地网间距 /m1- 0 m ； 2- 5 m ； 3- 10 m图 6 地网间距与芯皮电位差的关系4）电缆埋设深度的影响。在相同电缆布置和电流注入情况 下，改变电缆的埋设深度，芯皮电位差几乎没有变化

10、。改变电缆 埋深时， 对双端接地的二次电缆的皮电流影响很小， 而电缆芯线 的感应电位主要是由电缆皮电流确定的， 而附近与二次电缆平行 的导体流过的电流对电缆芯线电位影响很小。 另外改变二次电缆 的埋设深度，对接地网导体流过的电流影响也很小。因此，尽管 由于地网导体与电缆相对位置改变了， 但总体上电缆芯皮电位差 变化很小。5）短路电流大小的影响。 在相同电缆布置和电流注入点 情况下，注入电流大小与芯皮电位差近似成正比例关系 （见图 7） 由于导体中的电流分布基本与注入电流成正比， 因此电缆芯皮电 位也近似与注入电流大小成正比。I/kA1. D 点注入； 2. C 点注入； 3. E 点注入图7

11、注入点电流与芯皮电位差的关系6）电流注入点的影响。在相同电缆布置和地网条件下，随 电流注入点远离电缆， 电缆芯皮电位差逐渐减小， 即当电流注入 点为相邻的接地导体时，电位差达到最大值（见图 8） 。注入点与电缆的距离 /m1- 100 Q m 2- 500 Q m图8 注入点和电缆的间距与芯皮电位差的关系7）在相同电缆布置和电流注入情况下，电缆长度增大，芯 皮电位差增大。当电流注入点距电缆接地点较远时（ 与电缆长度相比 ），芯皮电位差与电缆长度近似成线性关系；当电流注入点 距电缆接地点较近时， 芯皮电位差与电缆长度成非线性关系。 由 于边界效应的存在，芯皮电位差增大并不与电缆长度成正比 （ 见

12、 图 9） 。电缆长度 /m1. C 点注入； 2. D 点注入图9 电缆长度与芯皮电位差的关系2.2 芯皮电位差与地电位升的关系通过分析可以发现， 电缆埋深对电缆芯皮电位差和地电位升 都没有影响， 注入电流大小虽然对两者有影响， 但两者与注入电 流大小都是成正比例关系， 因此注入电流大小对两者之间的关系 也没有影响。 二次电缆的长度和电流注入点的选取只对电缆芯皮 电位差有影响，而对地电位升的影响是可忽略的。地网导体间距的情况与电缆长度和电流注入点的情况有些 类似，尽管地网导体间距对电缆芯皮电位差和地电位升都有影 响，地网导体间距对电缆芯皮电位差的影响要远大于对地电位升 的影响。因此地网边长和土壤电阻率两个因素则同时对电缆芯皮 电位差和地电位升产生较大的影响。当土壤电阻率和地网边长发生变化时， 通过程序计算所得芯 皮电位差与地电位升的比例关系如表 1 所示。表1 电缆芯皮电位差占地电位升的比例 %3 结语按照传统思维二次电缆和二次设备只有 2 kV 的绝缘耐压， 即芯皮电位差是 2 kV 时，当芯皮电位比例与地电位的比例为 40 时，得出最大允许地电位升为 2 000 （40 ）=5 000 V