变电站站内短路情况下避雷线分流系数计算

常阿飞 王 鹏 韩英杰 刘泽辉

变电站站内短路情况下避雷线分流系数计算

常阿飞1王 鹏1韩英杰2刘泽辉3

（1.国家电投集团河南电力有限公司技术信息中心，河南 郑州 450001；2.国家电投集团河南电力有限公司，河南 郑州 450000；3.国网河南电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052）

在对发电厂和变电站的接地网进行设计时，需要对入地故障电流进行校验，而避雷线分流系数是确定接地网目标电流的基础数据。目前，接地设计规程仅给出了每个档距内导线参数和杆塔接地电阻相同的情况下分流系数的计算方法，当出线各级杆塔接地电阻不同时，无法准确计算避雷线分流系数。本文以变电站站内短路情况为例，给出基于图论的回路电流法计算避雷线分流系数的模型和方法。通过与实测数据比较表明本文计算方法计算精度较高，且采用矩阵形式，易于编程实现和推广应用于更复杂的多电源供电变电站。

分流系数；地电位升；变电站内短路；图论；回路电流法

发电厂和变电站发生短路故障时，其故障电流Imax分为3个部分：经过接地网直接入地短路电流IG，流经发电厂、变电站接地中性点的最大短路电流In和经过避雷线和杆塔系统分流的电流Ik。

直接接地系统中，发电厂和变电站的接地网在设计时需要保证接地网的目标值RG≤2 000/IG［1］，其中R为考虑季节变化的最大接地电阻（Ω），IG为经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值（A）。目前，避雷线和杆塔系统分流的电流Ik根据经验选定［2］，不能准确计算经接地网入地的最大接地故障不对称电流。GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》给出了每个档距内导线参数和杆塔接地电阻相同的情况下，站内短路和站外短路情况下故障分流系数的计算方法。虽然此种方法模拟了杆塔接地对零序电流的分流情况，但实际每个档距内杆塔接地电阻不同，仍无法准确计算最大入地故障电流。

图1 站内短路时分流电流模型

图2 站内短路时等效树图

在实际的电力系统中，短路故障分为站内短路和站外短路，站内短路对于站外短路来说对变电站的运行具有更大的危害，更容易引起事故。本文以站内短路为例，基于图论的回路电流法，对变电站内发生故障时的避雷线分流系数进行计算，给出矩阵形式的接地网计算公式，并进行计算精度验证。

1 变电站分流系数的定义

电力系统接地故障可以分为站内接地和站外接地，由于站内接地对整个变电站的运行具有更大的危害，本文以站内接地故障为例进行分析。

变电站内发生故障接地时，最大短路电流Imax由3部分组成：

分流系数包含避雷线分流系数和接地网分流系数两个概念，IEEE和国内相关标准中定义的为避雷线的分流系数［1］如下：

2 基于图论的接地网分流系数计算方法

在变电站内发生接地短路故障时，最大短路电流Imax除了一部分由变压器中性点（In）流走外，其余电流通过架空线-杆塔系统入地（Ik）及变电站接地网入地（IG）。因此，可以认为站内接地故障时，为架空地线-杆塔系统提供了Imax-In的电流源。假设共有n基杆塔参与分流，且各档架空地线-杆塔系统中的电流方向如图1所示。

图1中，Imax-In为短路故障电流经变压器中性点分流后的等效电流源；RG为变电站接地网的接地电阻，R1-Rn为各基杆塔的接地电阻；Zd1-Zdn为架空接电线的等效阻抗。

根据戴维宁等效定理，等效树如图2所示：

其关联矩阵Bf、支路阻抗矩阵Zj、电压源矩阵Us和回路电流矩阵Is分别可以表示为：

其中，Bf为n×（2n+1）阶矩阵；Zj为（2n+1）×（2n+1）阶对角阵；Us、Is为（2n+1）×1阶矩阵。

由式（6）可以看出Is中第一个元素I0=Imax-In可作为已知量，由于本文所关注的为变电站接网的分流系数，该分流系数和Imax-In的大小无关，故令I0=1，于是有：

由回路电流法可得：

于是有：

可得避雷线分流系数为：

3 数据算例

李德超［3］和万欣［4］给出了江西塘周、妙周110kV两条线路参数和实测数据。塘周线、妙周线所采用的避雷线型号均为GJ-50，其内阻为3.5Ω/km，内感抗为1.5Ω/km。土壤电阻率取为400Ω·m，避雷线之间的距离4.5m，避雷线和相导线的几何均距取5m，变电站接地电阻取0.4Ω。靠近终端塔档距取70m。

实测数据和本文计算结果对比如表1所示：

表1 接地网分流系数对比

通过表1可以看出，本文所计算结果和现场实测结果比较吻合，塘周线误差为0.3%，妙周线误差为4.4%。

4 结论

①本文以变电站站内短路为例，给出了基于图论的回路电流法的接地网分流系数计算模型。该计算模型采用矩阵形式，易于编程实现和推广应用于更复杂的多电源供电变电站。②基于两条实际线路，本文计算方法和实测数据计算结果进行了对比，该方法计算结果和实测数据的误差分别为0.3%和4.4%，表明该方法计算精度较高。

［1］中国电力企业联合会.GB 50065-2011交流电气装置接地设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［2］水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气一次部分）［S］.北京：中国电力出版社，2005.

［3］李德超.变电站内接地短路时避雷线分流系数研究［D］.长沙：长沙理工大学，2009.

［4］万欣.避雷线分流系数现场实测研究［D］.长沙：长沙理工大学，2007.

Computation of Shunt Coefficient of Grounding Grid under Short-Circuit Fault Occurred within Substation

Chang Afei1Wang Peng1Han Yingjie2Liu Zehui3
（1.SPIC Henan Electric Co.,Ltd.Technology&Information Center，Zhengzhou Henan 450001；2.SPIC Henan Electric Company Limited，Zhengzhou Henan 450000；3.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052）

In designing of the grounding grid of power station and substation,the earth diffusing short-circuit fault current need to be checked,and the shunt coefficient of grounding grid is a fundamental data.Considering the shortcircuit fault occurred within substation,a computing method based graph theory and loop current method of shunt has been given in this paper.By comparing with the date from actual test and order component method show that the method used in this paper could obtain high precision.The relationship between ground potential rise and substation grounding resistance has been studied,which could provide a reference for designing of the power station and substation.

shunt coefficient；ground potential rise；short-circuit fault；graph theory；loop current method

TM751

A

103-5168（2017）09-0138-03

2017-08-03

常阿飞（1986-），女，工程师，研究方向：高压电气设备故障诊断。

王鹏（1965-），男，高级工程师，研究方向：高压电气设备故障诊断；韩英杰（1975-），男，高级工程师，研究方向：新能源、电力市场、数字信号处理、故障分析、测控技术；刘泽辉（1987-），男，工程师，研究方向：输变电设备外绝缘。