接地网入地短路电流计算分析

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2018.10.078

接地网入地短路电流计算分析

昝晶晶 韩晓罡

(国网天津市电力公司经济技术研究院 天津 300171)

摘 要：变电站入地短路电流是接地设计的重要基础数据，校验接地网跨步电压、接触电压，以及接地引线、导体截面等都与入地短路电流有关，因此，准确计算入地短路电流是确定接地网布置方案，保障电力系统安全的基本条件。本文以某220kV变电站为例，给出了最大接地短路电流和入地短路电流的计算实例，并对变电站接地网均压带的布置和材料进行了优化和比选。关键词：接地网 入地短路电流 变电站

中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)04(a)-0078-04Abstract: The grounding short-circuit current of substation is an important basic data of grounding grid design. Checking the grounding voltage, contact voltage, grounding lead and conductor cross-section are all related to the grounding short-circuit current. The basic conditions to ensure the safety of power system is accurate calculation of short-circuit current ,what’s more, substation grounding arrangement is also affected by it. Taking a 220kV substation as an example, the calculation example of the maximum grounding short circuit current and the ground short circuit current is given.The layout and material of the substation grounding grid are optimized and compared.Key Words: Grounding grid; Grounding short-circuit current; Substation

变电站接地网设计的目的是保证人身和设备的安全，本文以某220kV变电站为例，进行接地网设计方案的优化研究。变电站入地短路电流的计算是接地网设计的基础，其中的主变中性点电流、避雷线分流系数等在规程中也没有明确的计算方法，工程设计时经常采用估算的方法，导致接地设计的计算误差较大，存在安全隐患。针对这一问题，本文给出了接地计算的详细过程，考虑均压问题，确定变电站不等间距布置方案，并对接地网材料进行比选，给出适合本工程的最优接地设计方案。

时，和变电站接地网连接的避雷线的工频分流的系数；Ke2表示的是变电站外发生短路时，和变电站接地网连接的避雷线的工频分流的系数。1.1 最大接地短路电流的计算

接地短路属于不对称短路，包括单相接地短路和两相接地短路，因此要计算系统高压侧和中压侧分别短路时的接地短路电流，选取4种情况中的最大值作为Imax的取值。系统的正序、负序、零序等值阻抗图如2～图5所示。

1 入地短路电流的计算

入地短路电流是指系统发生接地短路故障时通过接

地网向地中散流，这部分电流会引起地网电位升高。当发生接地短路故障时，一部分电流经地网入地，一部分短路电流通过与变电站接地网连接的架空线路避雷线和杆塔接地装置入地。入地短路电流不仅会导致地网电位的升高，还是跨步电压和接触电压的计算基础。

以一个220kV变电站接地网设计为例，系统及设备参数如图1所示。

入地短路电流的计算公式为：

I=(I-I)(1-K) (1)

X1∑=X1‖X2+0.5X3+X6）正序阻抗：（=0.0088;X2∑=X1∑=0.0088;负序阻抗=正序阻抗：零序阻抗：

Xb23=0.165；Xb24=-4.74；星角变换后Xb22=0.0576；

Xb31=Xb2‖Xb27+Xb26=0.077 (3)

X0∑=Xb1‖Xb25‖Xb31=0.0157 (4)当220kV母线短路时，应用对称分量法，计算单相接地短路电流：

Id1=3×（1/(X1∑+X2∑+X0∑)×0.251=22.61kA (5)应用对称分量法，计算两相接地短路电流：

X1-1=X1∑+（X2∑X0∑/X2∑+X0∑）=0.0144 (6)

∑∑Id=√kA (7)31-(××0.251=26.49 kA∑∑) 1-1

(2)I=I(1-K)

将上面公式中两个电流进行对比，数值较大的当做是

I表示的是入地短路电流，变电站入地短路电流。其中，即Imax表示的是变电站的最大的短路经过地网散流的电流；

In表示发生最大接地短路时，电流；流经变电站接地中性

Ke1表示的是变电站内发生短路点的最大接地短路电流；

78

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

当110kV母线短路时，应用对称分量法，同理计算单相接地短路电流为21.45kA，两相接地短路电流为22.15kA，所以Imax取220kV母线发生两相接地短路时的电流，即

Imax=26.49kA。

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.工程技术

2018 NO.10Science and Technology Innovation Herald科技创新导报图1 系统图图2 正序阻抗图

图4 零序阻抗图（角型）

Ixb22=IL 图3 零序阻抗图（星型）

(9)=5.39 流过Xb23的电流为：

1.2 流过主变中性点短路电流的计算In

通过网络变换后，

Xb25==-2.37；Xb26==0.0288；Xb27==0.0825；

Ixb23=IL (10)=3.16 以1号主变为例，则1号主变的高压侧零序电流,

I*1H=Ixb22-Ixb24=5.565；I1H=1.397kA。标幺值：有名值：一号主变的中压侧零序电流，

Xb32= X31‖Xb1=0.0156

当220kV母线发生单相接地短路的情况下，Imax的标幺

值为IL=26.49/0.502=52.77。

对于单台主变，流过Xb24的电流为：

I*1M=Ixb22+Ixb23=8.55；I1M=4.292kA;标幺值：有名值：则流过1号主变中性点的电流为：I1=3(I1M

-

I1H)=8.685kA。

对于2号主变，可以算出流过中性点的电流I2与1号主变流过中性点电流I1相同，当高压侧母线发生两相接地短路故障时，流经中性线的电流为I1+I2=17.37kA。

Ixb24=IL 流过Xb22的电流为：

=-0.175 (8)

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.79

科技创新导报2018 NO.10Science and Technology Innovation Herald工程技术

图5 网络变换图

图6 不等间距接地网布置表1 3种接地材料截面积比较

材料热稳定系数截面积(mm²)水平接地体

热镀锌钢钢材70283-80×6

铜覆钢128155φ18铜覆钢

铜21094-40×5

1.3 入地短路电流的计算

最大接地短路电流Imax=26.49kA;

流经变压器中性点的最大接地短路电流In=17.37kA；站内短路时避雷线的工频分流系数Ke1=0.5；站外短路时避雷线的工频分流系数Ke2=0.1；站内入地电流Ik内:Ik内=(Imax-Ik1)(1-Ke1)=4.56kA；站外入地电流Ik外:Ik外=In(1-Ke2)=15.633kA；取较大值，则计算用入地短路电流Ik:Ik=15.633kA。需要说明的是：入地电流计算根据DL/T 621-1997附录B，其中分流系数按照《电力工程电气设计手册一次部分》第16-4节估取：接地网内短路分流系数取0.5，接地网外短路分流系数取0.1。该值对入地电流的大小影响较大，因此在施工图阶段应采用专用软件予以精确计算。

按不等间距布置。受端部效应和邻近效应的影响，边角网孔的散流作用要强于中间网孔，导致接地网的边角网孔电势远远高于中心网孔电势。若采用等间距布置，则会造成电位分布不均，从而威胁人身和设备的安全。因此，优化接地网水平均压带的布置方式是接地网设计的关键。

以此220kV变电站接地网为例，地网面积96×60m2，土壤电阻率为35Ω·m左右，水平接地极采用-80×6扁钢，采用等间距布置时不能满足跨步电压和接触电压的要求，从节约材料投资的方面考虑，不等间距接地网方案也具有较大优势。

均压带不等间距布置方式如图6所示，采用对称布置的方式布置。

3 接地材料的选择

目前变电站接地设计使用的接地材料主要有3种：热镀锌扁钢、铜覆钢以及铜材。

(下转82页)

2 主接地网优化设计

主接地网一般由水平接地极和垂直接地极构成，水平

接地极有两种布置方式，一是按等间距布置接地网，二是

80

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.科技创新导报2018 NO.10Science and Technology Innovation Herald工程技术

掘进效率。但是还应当注意以下问题：

（1）如果煤矿工作面存在高应力区域，应当尽量避开应力比较集中的位置，或者选择多个位置进行分别爆破，尽量减少冲击矿压发生的可能性，避免灾害事故的发生。

（2）在岩巷掘进时如果出现震动，可能会让高应力的区域变为低应力情况，这种时候非常可能发生岩石的碎裂，甚至产生更大的震动，容易发生事故，应当十分注意。

（3）根据煤矿地质情况，应当选择合适的卸压技术，比如煤体爆破卸压、顶板深孔爆破卸压、底板深孔爆破卸压、迎头深孔爆破卸压等卸压技术，企业应当制定专项爆破卸压方案，达到良好卸压效果，按照《掘进工作面矿压安全管理“十禁令”管理办法》，最终实现高应力巷道的安全掘进。

考虑岩石的岩性，尽量将岩石破损。2.3 光面爆破

岩巷掘进效率受到光面爆破效果的影响，因为光面爆破对巷道的成型以及周围岩破坏的情况都有重要的影响。

（1）炮眼密集系数。在爆破参数选取时，炮眼密集系数尽量选取在0.8~1.0之间。然后通过试验，分析断裂面的平整程度、炮眼利用率、爆破漏斗体积等指标，选取较大的炮眼密集系数，但是也不应该超过1.2。如果超过一定，可能造成生产事故。

（2）装药结构和装药集中度。一般在装药时选择轴向软垫层不偶合装药和径向空气间隙不偶合装药这两种方式，可以通过装药集中度对巷道周边的炮眼装药量进行控制，装药集中度要以爆破后不产生严重性破坏为标准，而且要确保在岩壁上能留下眼痕。如果遇到岩层比较软的情况，由于岩石强度比较低，很容易进行爆破，爆炸后很容易发生岩石塌落，所以选择光面爆破这种方式比较安全。2.4 定向断裂控制爆破

定向断裂控制爆破是指首先使炮眼眼壁某个部位通过应力集中发生径向裂缝，同时要确保眼壁其他处产生微裂缝，接着利用爆炸应力波和爆生气体继续扩大径向裂缝，直到形成理想的断裂面。这种爆破方式与普通光面爆破比较，定向断裂控制爆破的周边成型质量比较高，对围岩破坏比较小。目前煤炭企业一般使用的断裂控制爆破方法是切缝药包定向断裂控制爆破法，就是将炸药装进特定的外壳中，利用外壳在切缝时产生的压力来控制裂缝的形成。

参考文献

[1] 胡绍星.提高巷道掘进爆破效率的因素分析及试验[J].

江西冶金,2010,30(3):16-18.

[2] 赵志炜.浅谈影响岩巷快速掘进的因素[J].科技信息,2010(27):398.

[3] 戴俊.爆破工程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4] 衡肖飞,苏生,吴义泉.依托精细化管理实现快速掘进[J].煤炭技术,2010,29(2):33-35.

3 结语

煤矿生产中岩巷掘进效率是一个煤矿企业的生命线，也是一个需要长期研究的命题。本文结合经验，分析了影响岩巷掘进速度的影响，并提出了一系列技术措施来提高

(上接80页)

根据热稳定计算公式，经计算，在不考虑腐蚀的情况下，3种材料的最小截面如表1。

通过计算，考虑腐蚀因素，3种接地材料均考虑了一定裕度，根据全寿命周期理论，进一步分析3种材料的经济性后，铜覆钢既继承了铜材的耐腐蚀性，又大量节约了铜材，它的主要技术指标介于铜材和镀锌钢材之间，比镀锌钢材有较大优势。铜覆钢作为接地材料在初期的投资虽然比镀锌钢材要高，但是从全寿命周期看，其经济性优于镀锌扁钢。

北京：中国计划出版社,2011．

[2] DL/T 621-1997,交流电气装置的接地[S].北京：中国电力出版社,1998．

[3] 弋东方.电力工程电气设计手册：一次部分[M].北京:中国电力出版社,19.[4] 李景禄,郑瑞臣,杨廷方.关于接地工程中相关参数取值的探讨[J].高压电器,2004,40(4):2-266.

4 结语

接地网入地短路电流是进行接地网设计的基础，跨步电压、接触电压以及接地网热稳定等的计算都与入地短路电流有关，从而影响着接地材料的选择和接地网的布置方式。短路电流是变电站接地设计最重要的设计输入数据，只有保证了基础设计输入数据的准确性，才能设计出合理、安全、可靠的变电站接地方案，从而保证电力系统的安全稳定运行。

参考文献

[1] GB/T 50065-2011,交流电气装置的接地设计规范[S].

82

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.