民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器接地系统优化设计
经CDEGS软件仿真分析，接地电阻、接触电势和跨步电压均能满足校验要求。同时针对民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器在分流系数、站外安全性等方面的特殊问题进行了分析。
合理的接地系统设计是[prov_or_city]干式变压器安全可靠运行的重要保障。接地不良有可能导致或造成事故扩大，从而危及系统运行安全[1-4]。随着经济社会的发展，越来越多[prov_or_city]干式变压器深入到城市负荷中心，并与民用建筑合并建设。
民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器不仅需要考虑[prov_or_city]干式变压器接地网的安全性与经济性，也要考虑民用建筑内人员与设施的安全。由于民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器通常建设面积较为狭小，接地电阻、接触电势和跨步电压难以满足要求，如何优化设计接地系统，成为需要重点研究的课题。
本文以某民用建筑合建220kV[prov_or_city]干式变压器为例进行优化设计研究，利用CDEGS仿真精细化设计，提出同时满足安全性和经济性要求的接地网设计方案，同时针对民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器接地设计中需要注意的问题作出简要分析。
1 工程概况
1.1 工程概述
该220kV[prov_or_city]干式变压器位于商业中心，采用全户内布置。地上部分[prov_or_city]干式变压器与购物中心为独立建筑形式，地下部分为合建停车库，如图1所示。[prov_or_city]干式变压器与购物中心、停车库均为一体化设计、建设。
该220kV[prov_or_city]干式变压器的建设规模见表1。
1.2 设计输入条件
1）短路电流
220kV母线最大单相短路电流按47.8kA考虑。
2）土壤模型
按均匀土壤模型考虑，土壤电阻率80??m，土壤具有弱腐蚀性。
3）分流系数
站外分流系数按0.75考虑。
4）接地网设计
水平主接地网敷设范围为90m×50m，水平接地体埋深为1m、平均间距约10m。
2 接地材料选择
2.1 性能比较
选择合适的接地材料，是[prov_or_city]干式变压器安全可靠运行的关键。工程中常用的接地材料有纯铜、热镀锌钢、铜覆钢等。本文从导电性能、耐腐蚀性能、热稳定性能和经济性等角度[5]，对接地材料选择进行分析。
表1 建设规模及设备选型
1）导电性能
考虑接地材料在20℃时的电阻率，纯铜、热镀锌钢和铜覆钢分别为17.24×10?6??mm、138×10?6??mm、71.66×10?6??mm。铜的电阻率是上述材料中最低的，在接地网型式、土壤环境等相同的情况下，铜接地网的接地电阻和网格压差均相对较小。
2）耐腐蚀性能
铜材的耐腐蚀性能较热镀锌钢强。当产生腐蚀时，铜材表面能够产生附着性极强的氧化物，并阻止进一步腐蚀。具体工程中，还应根据土壤酸碱性和腐蚀性情况，选择适用的材质。
3）热稳定性能
钢的熔点为1510℃，钢接地网连接处最高允许温度为400℃；铜的熔点为1083℃，采用放热焊接时其接头的最高允许温度达到900℃；铜覆钢的熔点为1115℃，其连接接头最高允许温度也可达到450℃。接地体截面相同时，铜材料热稳定性最好。
4）经济性
考虑接地材料经济性时，一般结合不同材质接地网的使用年限，进行全寿命周期比较分析。钢接地网初期投资较低，但因腐蚀速度较快，后期更新维护成本较高。铜和铜覆钢接地网，基本满足全寿命周期免维护的要求，总体经济性与钢接地网相当。
本工程220kV[prov_or_city]干式变压器与民用建筑合建，坐落于地下停车库上方，其接地网敷设于停车库下方土壤层中，后期维护困难。综合上述性能与经济性比较分析，建议优先选择铜接地网。
2.2 截面选择
经计算，接地引下线最小截面为Sg=121mm2。按规程要求，水平接地体截面按接地引下线截面75%选取，即91mm2。适当考虑腐蚀因素，接地网选用120mm2铜绞线。
3 接地网布置设计方案
3.1 不等间距接地网布置
本工程220kV[prov_or_city]干式变压器与民用建筑合建，其主接地网敷设于[prov_or_city]干式变压器建筑投影下方土壤层中。由于接地网敷设可利用面积较小，需通过对接地导体优化布置，使得接地电阻、地表电位分布、接触电势和跨步电压等安全参数满足要求[7-8]。
研究表明，按指数规律布置水平接地导体不仅可以降低地表电位梯度，从而很大程度上降低接触电势和跨步电压，同时也是一种安全、经济的设计方法[9]。
指数规律布置设计方法如下。
3.2 斜长接地极降阻设计
当接地电阻仍不满足要求时，可考虑采用降阻措施，主要有物理降阻和化学降阻两类[10-11]。
1）物理降阻措施主要有：敷设外引接地体以扩大水平接地体面积、采用深井接地极、充分利用自然接地体接地等。
2）化学降阻措施主要有：利用化学降阻剂来改善接地体周围土壤的电阻率、采用高导活性离子接地单元加强散流能力等。
本工程220kV[prov_or_city]干式变压器与民用建筑合建，位于城市中心，不具备外引接地体的条件，同时化学降阻方式易对城市环境造成污染。
本文提出采用不等间距水平接地网结合斜长接地极的设计方案。斜长接地极一方面能够起到深井接地极的作用，满足纵深散流要求；另一方面亦能在不另征地的条件下等效扩大接地网面积；斜长接地极之间的相互屏蔽影响，较同等的垂直接地极小，故降阻效果更佳[1]。
文献[12]研究了斜长接地极的降阻效果，利用CDEGS软件仿真分析了斜长接地极布置位置、角度、长度、根数等对不同面积接地网的降阻效果和特征，进而确定了斜长接地极的布置型式。
本文引用该文献的研究成果，在不等间距水平主接地网的基础上，最终形成如下设计方案：
1）水平主接地网敷设范围为90m×50m，水平接地体埋深为1m、平均间距约10m，按照C=0.7的压缩比不等间距布置。
2）在水平接地网外缘，增设16根斜长接地极。
3）斜长接地极单根长度25m，与水平面成20°角。
图2 水平接地网结合斜长接地极设计方案示意图
3.3 接地电阻、接触电势、跨步电压校验
经CDEGS软件仿真计算，采用不等间距水平接地网结合斜长接地极的设计方案，其接地电阻R=0.43?，较水平接地网方案减小24%；接触电势Ut=699V（不满足296V限值要求），跨步电压Us= 127V（满足363V限值要求）。在可触及的设备周围1m范围设置绝缘地坪后，提高接触电势允许限值，亦能满足要求。
4 民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器接地设计其他问题
1）短路电流分流系数
民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器一般均为全电缆出线，220kV及110kV单芯电缆通常为护套双端接地，因此短路故障时，大部分故障电流将通过电缆金属护套回流。与架空出线[prov_or_city]干式变压器相比，短路电流分流系数将大大提高。常规接地设计中，为简化计算，分流系数通常按0.5估算。在民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器中，可考虑适当增大分流系数，以简化接地网设计。
2）站外安全性
根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》定义，最大跨步电位差为接地网外的地面上水平距离1m处对接地网边缘接地极的最大电位差。民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器位于中心城区，一般毗邻马路，往来人员密集，因此必须将可能存在危险的最大跨步电压差限制在[prov_or_city]干式变压器内部。在不影响接地电阻的情况下，宜考虑将接地网边缘（仅考虑水平主接地网）设置在[prov_or_city]干式变压器内侧1m左右。
结论
本文针对民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器受占地面积小等因素的限制，使用常规接地网设计方案难以满足接地系统的安全性与经济性要求，提出不等间距接地网结合斜长接地极的接地设计方案。经CDEGS软件仿真分析，接地电阻、接触电势和跨步电压均能满足校验要求。同时针对民用建筑合建[prov_or_city]干式变压器在分流系数、站外安全性等方面的特殊问题进行了分析。
