一种高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法与流程

本发明专利涉及电力技术领域，尤其涉及一种高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法。

背景技术：

智慧能源站包括变电站、数据中心站、综合能源站三部分，集成变电站、数据中心站、综合能源站(包含储能站、电动汽车充电站、分布式光伏)等功能于一体。综合能源站配置储能设备，可一定程度上“削峰填谷”，优化负荷曲线，缓解该区域峰谷差过大带来的运行压力。数据中心需消耗大量的电能，与变电站共站建设，可满足数据中心的供电需求，充分利用变电站资源构建数据中心，支撑信息化发展。推行“统一规划、功能整合、模块建设、共享共赢”的智慧能源站建设模式，降低建设及运维成本、减少占地，提供综合能源服务及数据共享服务是未来的发展方向。

智慧能源站的接地网是确保智慧能源站工作接地、保护接地、防雷保护接地和防静电接地的必要设施，也是保障人身和设备安全、保证智慧能源站安全可靠运行的重要手段。

然而，一些智慧能源站站址范围内整体土壤电阻率高达到1500ω·m，且地质勘察未揭露地下水层，常规的复合接地网无法满足接地电阻的要求；其次，综合能源站采用数据中心和变电站联合建设，长期以来高压输变电系统和信息通信系统难以共存，变电站发生接地故障时产生的电位升会通过通信设备的接地或与大地接触的部分耦合到设备上，使通信设备受到一个外来电位的影响，可能会破坏通信设备的正常工作以及造成人员伤害。数据中心与高压变电站共站建设时，高压变电站侧接地短路故障引起的地电位升会危及通信数据中心的设备及人员的安全是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明专利是为了克服现有技术中常规的复合接地网无法满足高土壤电阻率地区的接地电阻的要求，不够经济有效可靠，且高压变电站侧接地短路故障会破坏通信设备的正常工作以及造成人员伤害的技术问题，提供一种高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法，采用水平接地网+电离子接地极的接地方案，达到更好的均压及散流效果，有效地降低接地电阻，优化了技术经济指标、降低了施工难度和施工周期，满足了智慧能源站安全可靠的运行。

为了实现上述目的，本发明专利采用以下技术方案：

一种高土壤电阻率地区的能源站接地网，包括复合接地网，所述复合接地网包括水平接地网和布置在水平接地网外边缘的垂直接地网，所述水平接地网包括水平接地导体，所述水平接地导体采用不等间距布置，所述垂直接地网包括垂直接地导体，所述垂直接地导体包括电极和极管，所述电极周围填充有回填料，所述极管上端和下端分别设置了水分吸水孔和用于离子交换的离子释放孔。水平接地网采用不等间距布置，垂直接地极布置在接地网外边缘，可以达到更好的均压及散流效果，有效地降低接地电阻，优化了技术经济指标、降低了施工难度和施工周期。

作为优选，所述的能源站包括数据中心和变电站，所述变电站主接地网和数据中心主接地网采用互联敷设的方式。通过采用数据中心和变电站接地网联合敷设的设计方案，能有效的均衡地电位差，最大程度的减小高压变电站接地短路故障对数据中心的设备及人员的危害，满足了智慧能源站安全可靠的运行。

本发明的一种高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法，包括以下步骤：

步骤一、对能源站站址区进行勘测，获取站址气候条件、土壤电阻率实测值和地质勘察情况，确定水平接地网接地导体的选择模型，并根据不同接地导体的导电性能、热稳定性和截面选择，计算接地导体是否满足要求；

步骤二、根据能源站站址区内的土壤电阻率，确定能源站的土壤电阻率模型；

步骤三、根据能源站站址的降阻效果和经济技术指标，分别计算不同降阻方案下的垂直接地导体的接地电阻，确定接地网的降阻方案，

步骤四、根据确定的降阻方案，敷设接地网，并确定接地网的布置参数和结构参数；

步骤五、根据变电站的入地电流水平，分别计算不同敷设情况下的跨步电压和接触电势，检查跨步电位差和接触电势是否满足要求；如不满足要求，调整接地网布置参数和结构参数，最终至满足要求。

作为优选，一种高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法，所述的步骤一中水平接地网接地导体的选择模型如表达式(1)所示：

式中：sg代表接地导体(线)的最小截面，ig代表流过接地导体(线)的最大接地故障不对称电流有效值，按工程设计水平年系统最大运行方式确定，te代表接地故障的短路电流的等效持续时间，c—接地导体(线)材料的热稳定系数，tm代表主保护动作时间，tf代表断路器失灵保护动作时间，to代表开关固有动作时间。根据接地导体的导电性能、热稳定性和截面选择的比较，考虑腐蚀因素，并留有充分的裕度后综合可知，接地导体若采用热镀锌扁钢，整体导体截面较大，尤其是主接地网，当导体截面过大时，施工存在一定的难度，其次站址地质存在一定的腐蚀性，对扁钢的腐蚀较为严重；接地导体若全部采用铜导体，则不满足经济技术指标。

作为优选，所述的步骤二中土壤电阻率模型如表达式(2)所示：

式中：r表示接地电阻，ρ表示土壤电阻率，s表示接地网面积。当接地网面积一定时，土壤电阻率决定了接地电阻的大小。

作为优选，所述的步骤四中接地网结构参数及布置参数模型如表达式(3)所示：

式中：ns表示垂直接电极的数量，dl表示水平接地网的接地导体之间的距离即d1、d2、d3……dn-3、dn-2、dn-1、dn的数值。水平接地网的接地导体之间的距离根据能源站地面的设备的分布进行设计，由于同一站址的不同区域、不同深度土壤电阻率是不相同，垂直接电极的分布根据水平接地网的分布进行设计。

作为优选，所述的步骤五中具体包括以下步骤：

步骤5.1、建立接触电位差和跨步电位差的数学模型，计算正常情况下和敷设碎石后的接触电位差和跨步电位差的允许值，所述接触电位差和跨步电位差的数学模型如表达式(4)和表达式(5)所示：

式中：t表示短路等效持续时间，ut表示接触电位差，us表示跨步电位差，ρf表示表层电阻率；

步骤5.2、建立最大接触电位差和跨步电位差的数学模型，计算最大接触电位差和跨步电位差，最大接触电位差和最大跨步电位差如表达式(6)和表达式(7)所示：

式中:um表示最大接触电位差，usmax表示最大跨步电位差，ρ表示土壤电阻率，km表示网孔电压几何校正系数；ki表示接地网不规则校正系数，ig表示接地网的最大入地电流；ig表示接地网的最大入地电流，ls表示埋入地中的接地系统导体有效长度。由上述计算可知，当故障时，跨步电位差满足要求，接触电势在敷设碎石后仍不满足要求，为解决接触电势问题，拟在能源站的隔离开关操作机构、设备本体、支架机构四周0.6m处敷设局部闭合接地线、并与设备支构架的接地引下线相连。

本发明专利的有益效果是：1.采用水平接地网+电离子接地极的接地方案，达到更好的均压及散流效果，有效地降低接地电阻，优化了技术经济指标、降低了施工难度和施工周期；2.通过采用数据中心和变电站接地网联合敷设的设计方案，能有效的均衡地电位差，最大程度的减小高压变电站接地短路故障对数据中心的设备及人员的危害，满足了智慧能源站安全可靠的运行。

附图说明

图1是本发明专利的一种结构示意图。

图中：1.水平接地网，2.垂直接地导体，3.电极，4.极管，5.水分吸水孔，6.离子释放孔。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明专利的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的一种高土壤电阻率地区的能源站接地网，如图1所示，包括复合接地网，复合接地网包括水平接地网1和布置在水平接地网外边缘的垂直接地网，水平接地网包括水平接地导体，水平接地导体采用不等间距布置，垂直接地网包括垂直接地导体2，垂直接地导体包括电极3和极管4，电极3周围填充有回填料，极管4上端和下端分别设置了水分吸水孔5和用于离子交换的离子释放孔6。水平接地网的接地导体之间的距离根据能源站地面的设备的分布进行设计，由于同一站址的不同区域、不同深度土壤电阻率是不相同，垂直接电极的分布根据水平接地网的分布进行设计，采用水平接地网+电离子接地极的接地方案，达到更好的均压及散流效果，有效地降低接地电阻，优化了技术经济指标、降低了施工难度和施工周期。

能源站包括数据中心和变电站，还包括综合能源站，集成变电站、数据中心站、综合能源站(包含储能站、电动汽车充电站、分布式光伏)等功能于一体。变电站主接地网和数据中心主接地网采用互联敷设的方式，由于长期以来高压输变电系统和信息通信系统难以共存，变电站发生接地故障时产生的电位升会通过通信设备的接地或与大地接触的部分耦合到设备上，使通信设备受到一个外来电位的影响，可能会破坏通信设备的正常工作以及造成人员伤害，采用数据中心和变电站主接地网联合敷设的方式可以均衡电位升的影响，同时从数据中心侧和变电站侧两方面采取主动防护策略，最大程度的减小高压变电站工频接地短路故障对通信数据中心的设备及人员的危害。

上述一种高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法，包括下列步骤：

步骤一、对能源站站址区进行勘测，获取站址气候条件、土壤电阻率实测值和地质勘察情况，确定水平接地网接地导体的选择模型，并根据不同接地导体的导电性能、热稳定性和截面选择，计算接地导体是否满足要求。

经过勘测得知能源站站址区站址范围内整体土壤电阻率高达到1500ω·m，且地质勘察未揭露地下水层，常规的复合接地网无法满足接地电阻的要求；同时，数据中心与高压变电站共站建设时，高压变电站侧接地短路故障引起的地电位升会危及通信数据中心的设备及人员的安全。

步骤一中水平接地网接地导体的选择模型如表达式(1)所示：

式中：sg代表接地导体(线)的最小截面，ig代表流过接地导体(线)的最大接地故障不对称电流有效值，按工程设计水平年系统最大运行方式确定，te代表接地故障的短路电流的等效持续时间，c—接地导体(线)材料的热稳定系数，tm代表主保护动作时间，tf代表断路器失灵保护动作时间，to代表开关固有动作时间。

经过导电性能比较，可知铜接地体导电性能较钢接地体好；经过热稳定性比较，可知接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。

计算用故障电流原则上应按变电所远景最大运行方式、站内发生接地故障时的故障电流，经计算220kv单相接地短路电流按36.7ka，110kv单相接地短路电流按40.7ka，10kv侧两相接地短路电流按21.3ka。

目前220kv系统线路保护配置基本配置高频保护和差动保护作为主保护，配置距离保护和零序电流保护等后备保护，配置断路器失灵保护作为辅助保护。根据系统保护整定时间及断路器开断时间，220kv、110kv系统接地故障等效时间te取0.65秒。

综上可知，接地导体若采用热镀锌扁钢，整体导体截面较大，尤其是主接地网，当导体截面过大时，施工存在一定的难度，其次站址地质存在一定的腐蚀性，对扁钢的腐蚀较为严重；接地导体若全部采用铜导体，则不满足经济技术指标。

因此综合考虑施工难度、施工周期、现场地质情况及经济技术指标，能源站主接地网选用φ16铜绞线，户外设备接地体采用-50×4铜排，户内220kv、110kv、10kv配电装置接地体选用60×8热镀锌扁钢。

步骤二、根据能源站站址区内的土壤电阻率，确定能源站的土壤电阻率模型，步骤二中土壤电阻率模型如表达式(2)所示：

式中：r表示接地电阻，ρ表示土壤电阻率，s表示接地网面积。接地电阻值是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合规程要求的重要指标，当接地网面积一定时，土壤电阻率决定了接地电阻的大小。

步骤三、根据能源站站址的降阻效果和经济技术指标，分别计算不同降阻方案下的垂直接地导体的接地电阻，确定接地网的降阻方案。

根据能源站的实际情况，提出局部换土、深井接地降阻技术以及电离子接地极技术三个降阻方案，从降阻效果、施工难度、施工周期、技术经济指标等方面进行综合比较，通过计算可知最优的接地方案为电离子接地技术，电离子接地极系统的接地电阻为0.96ω，由计算结果可知，垂直接地体采用100组3m的电离子接地极布置在接地网的外边缘2圈，同时电离子接地极周围采用低电阻率的离子缓释填料以辅助降阻，该方案能达到较好的降阻效果，接地电阻降为了0.96ω。电离子接地极占地面积少，施工开挖量小，节约材料成本。且所有材料均为无毒无污染材质，不会对环境产生影响，采用电离子接地极方案施工周期最小，电气性能较好，投资费用低。

步骤四、根据确定的降阻方案，敷设接地网，并确定接地网的布置参数和结构参数，步骤四中接地网结构参数及布置参数模型如表达式(3)所示：

式中：ns表示垂直接电极的数量，dl表示水平接地网的接地导体之间的距离即d1、d2、d3……dn-3、dn-2、dn-1、dn的数值。水平接地网的接地导体之间的距离根据能源站地面的设备的分布进行设计，由于同一站址的不同区域、不同深度土壤电阻率是不相同，垂直接电极的分布根据水平接地网的分布进行设计。

步骤五、根据变电站的入地电流水平，分别计算不同敷设情况下的跨步电压和接触电势，检查跨步电位差和接触电势是否满足要求；如不满足要求，调整接地网布置参数和结构参数，最终至满足要求。

步骤五中具体包括以下步骤：

步骤5.1、建立接触电位差和跨步电位差的数学模型，计算正常情况下和敷设碎石后的接触电位差和跨步电位差的允许值，接触电位差和跨步电位差的数学模型如表达式(4)和表达式(5)所示：

式中：t表示短路等效持续时间，ut表示接触电位差，us表示跨步电位差，ρf表示表层电阻率；

步骤5.2、建立最大接触电位差和跨步电位差的数学模型，计算最大接触电位差和跨步电位差，最大接触电位差和最大跨步电位差如表达式(6)和表达式(7)所示：

式中:um表示最大接触电位差，usmax表示最大跨步电位差，ρ表示土壤电阻率，km表示网孔电压几何校正系数；ki表示接地网不规则校正系数，ig表示接地网的最大入地电流；ig表示接地网的最大入地电流，ls表示埋入地中的接地系统导体有效长度。

由上述计算可知，当故障时，跨步电位差满足要求，接触电势在敷设碎石后仍不满足要求，为解决接触电势问题，拟在能源站的隔离开关操作机构、设备本体、支架机构四周0.6m处敷设局部闭合接地线、并与设备支构架的接地引下线相连。

本发明高土壤电阻率地区的能源站接地网及其降阻优化方法，采用水平接地网+电离子接地极的接地方案，达到更好的均压及散流效果，有效地降低接地电阻，优化了技术经济指标、降低了施工难度和施工周期；通过采用数据中心和变电站接地网联合敷设的设计方案，能有效的均衡地电位差，最大程度的减小高压变电站接地短路故障对数据中心的设备及人员的危害，满足了智慧能源站安全可靠的运行。