0 引言

当变电站发生短路接地故障时，接地装置将巨大的短路能量释放至大地。因此，变电站设计时，接地装置需要根据变电站设计水平年内的最大短路入地电流值确定变电站接地装置的热稳定容量^[1]。《防止电力生产事故的二十五项重点要求》14.1.4要求：应对前期已投运的接地装置进行热稳定容量校核，不满足要求的必须进行改造；14.1.10指出：对于已投运的接地装置，应每年根据变电站短路容量的变化，校核接地装置（包括设备接地引下线）的热稳定容量，并结合短路容量变化和接地装置的腐蚀程度，有针对性地对接地装置进行改造^[2]。可见，热稳定容量校核计算是接地装置技术改造的关键，是保障电气设备安全稳定运行的必要手段。

相较于站外短路，变电站站内短路对安全运行的危害更大，更容易引起事故^[3-5]。变电站站内发生接地短路故障时，短路电流一般可分为地线分流、变压器中性点回流和入地电流（经接地装置入地）3部分，其分流能力用分流系数表征。短路故障分流系数包括2个方面，即地网分流系数和地线分流系数，分别用来衡量接地装置和地线的分流能力，二者之和为1^[6-7]。对于进出线较多的变电站，地线分流能力高达50%。因此，准确计及地线分流影响的接地装置热稳定容量校核计算才更具有实际指导作用。

现有规程和标准中给出的变电站分流系数的计算模型不够准确、计算过程较复杂，基于工程的实际需求，近年来国内高校和科研院所在分流系数计算、测量其影响因素分析^[3-13]，对接地电阻值的影响^[14-15]，软件开发和装置研发^[16-17]等方面的研究取得了明显进展。其中，广东电力科学研究院、清华大学和上海大帆电气设备有限公司共同研制了基于无线传输相位差比较的变电站接地装置地线分流测试仪^[17]，并在国内部分变电站得到了应用，解决了变电站地线分流系数现场测量的困难，进而为准确测量变电站接地电阻（阻抗）和校核计算接地装置热稳定容量奠定了技术基础。

本文以某110 kV变电站为例，实地测量了变电站站内短路地线分流系数后，根据变电站的主接线形式和保护配置情况，计算了110 kV变电站接地线应当具备的最小截面积。随后开挖接地装置，打磨后测量了接地线的实际截面积，校核当前短路电流水平下接地装置的热稳定容量，以保障电气设备安全稳定运行。

1 校核计算的依据

变电站接地装置热稳定容量校核计算的依据为GB/T 50065—2011，接地装置校核计算公式^[1]：

(1)

式中 S_g—接地线的最小截面积，mm²；

I_g —最大接地故障不对称电流有效值，A；

t_e—接地故障的等效持续时间，s；

C—接地导体（线）材料热稳定系数，由接地装置采用的金属材质决定，钢制接地装置C取值70。

公式（1）中，接地故障的等效持续时间t_e需要根据变电站保护配置情况具体计算，由变电站是否配置双重保护、是否配置断路器失灵保护及其主接线形式来决定。GB/T 50065—2011附录E给出了相应的计算公式，见公式（2）、（3）。对于未配置双重保护的110 kV变电站及其出线，t_e值需要视站内保护装置的具体配置情况逐项判断确定。

（1）配置双重保护和断路器失灵保护时：

(2)

式中 t_m—主保护动作时间，s；

t_f—失灵保护动作时间，s；

t_o—断路器开断时间，s。

（2）配置速动主保护、近或远后备保护和自动重合闸，有或无断路器失灵保护时：

(3)

式中 t_r—后一级后备保护的动作时间，s。

公式（1）中最大接地故障不对称电流有效值I_g按照GB/T 50065—2011附录B“经发电厂和变电站接地网的入地短路电流及地电位升高的计算”规定：设计接地网时应按照接地网最大入地电流I_g进行设计，故障点分别设置于变电站内、变电站外，计算方法见式公（4）、（5）。

故障点设置于变电站站内：

(4)

故障点设置于变电站站外：

(5)

式中 I_max—变电站内发生接地短路时的最大接地短路电流，A；

I_n —变电站内发生接地短路时流经设备中性点的电流，A；

S_f1、S_f2—站内和站外的地网分流系数（该值仅考虑了避雷线、电缆外皮的回流影响，变压器中性点的回流影响则以电流I_n的形式计入）。

分流系数S_f可根据GB/T 50065—2011附录B2 “故障电流分流系数S_f的计算方法”计算，但是，该方法是在假设每个档距内的导线参数和杆塔接地电阻均相同的基础上，依据线路参数计算得到的分流系数，存在计算模型不够准确、计算过程复杂的问题。因此实际工程中常以断路器开断电流代替I_g，由于断路器开断电流大于I_g，所以由公式（1）可知S_g计算结果偏大，从而难以准确校核在运变电站接地装置的热稳定容量。近年来分流系数测试仪成功研制，分流系数可通过实地测量获得^{[11-12, 17]}。

综上所述，要准确计算I_g，需要先计算I_max及I_n，并测量分流系数S_f。再根据参数I_g、t_e和C，由公式（1）计算得到满足变电站运行的接地线最小截面积S_g。最后比较开挖测量得到的接地线实际截面积S和计算的最小截面积S_g的大小，便可判定接地装置的热稳定容量能否满足运行需求。

2 某110 kV变电站接分流系数S_f测试 2.1 变电站概况

某110 kV变电站于1990年3月投入运行，110 kV侧采用单母线分段接线方式，配置2台110 kV/ 10 kV主变压器。110 kV侧进线2回、出线1回，10 kV出线7回。变电站投运时，接地极和接地线均采用直径10 mm的圆钢，2008年将接地引下线及地面部分改为截面积为120 mm²的镀锌扁钢。

2.2 分流系数测试

该变电站分流系数采用文献[17]所述的无线传输相位差比较的变电站接地网地线分流测试技术测量。测量时向变电站接地装置注入53 Hz、5.069 A ∠0°的异频电流，并将该电流信号实时采样后作为基准波形信号，通过无线传输方式向变电站场区内发射。与此同时，在进出线构架处利用精度选频万用表测量经柔性Rogowski耦合后的各地线回流电流向量值。注入的电流向量值依次减去各地线回流的电流向量值，便可得到经接地装置流入大地的电流向量值及其分流系数。分流系数测试结果见表 1。

由表 1可知，在53 Hz测试频率下，大地注入的测试电流为5.069 A∠0°，各地线分流电流矢量和为1.521 A∠-164.91°，地线分流系数为30.01%。注入电流向量与各地线分流电流矢量和相减，得到入地电流值3.622 A∠-6.28°，站内发生短路故障时，变电站接地装置的分流系数S_f1=1-30.01%，即69.99%。

3 接地装置热稳定容量校核计算

最大运行方式下，变电站内发生接地短路时的最大接地短路电流I_max及流经变压器中性点的电流I_n之差为5.74 kA。根据公式（4），该变电站最大入地电流I_g为4.02 kA。

110 kV变电站为负荷站，采用单母线分段的主接线形式。以最严苛短路形式计算变电站接地故障等效持续时间：当变电站母线发生接地短路，且110 kV线路断路器拒动时，若要切除故障，需断开110 kV侧线路对侧断路器，即由电源侧线路的距离Ⅱ段保护越级动作跳开线路断路器。后一级保护装置的动作时间t_r为该站两回线路距离Ⅱ段保护动作时间中的较大值。根据公式（3），变电站接地故障的等效持续时间t_e为：

将I_g=4.02 kA、t_e=1.04 s和C=70代入公式（1），得到：S_g≥58.58 mm²，即满足当下热稳定容量的接地线最小截面积约为59 mm²。若不考虑分流系数，则接地线的最小截面积为84 mm²。可见，准确测量和计入分流系数在接地装置热稳定容量校核计算中的重要性。

4 接地装置有效截面积的测量

敷设于地下的接地线和接地极受敷设地区土壤酸碱度、水分含量的影响，其表面形成的氧化物不具备良好导流能力，相应的有效通流面积变小。因此，有必要开挖接地网，打磨接地线或接地极表面的金属氧化物，准确测量接地线和接地极的实际截面积。1990年变电站投运初期，接地极和接地线均采用直径10 mm、截面积78.5 mm²的圆钢（如图 1所示），经打磨后测量的该规格接地线的有效截面积约为50 mm²，不满足当前热稳定容量需求59 mm²的最小截面积要求。后改为截面积120 mm²的镀锌扁钢接地线，远大于59 mm²的最小截面积要求，其腐蚀程度较轻。

此外，《防止电力生产事故的二十五项重点要求》14.1.13中指出：接地装置接地体的截面面积不小于连接至该接地装置接地引下线截面面积的75%，并提出接地装置热稳定容量计算报告。据此可知，变电站接地极的最小截面积应不小于44 mm²。考虑变电站接地极的腐蚀情况后，其有效截面积约为50 mm²，所以直径10 mm的圆钢接地体尚且满足当前热稳定容量的要求。

5 结语

结合变电站接地装置分流系数测试及其热稳定容量校核计算分析，提出以下建议。

（1）进出线路较多的变电站，不能忽略分流系数对接地装置热稳定容量校核计算的影响；对于运行中的变电站，实地测量其分流系数是保障热稳定容量校核计算的有效手段。

（2）不能以设计截面积作为判断依据，忽略接地装置自身的动态腐蚀过程，应当以去除表面氧化物后的接地线、接地极的有效通流截面积作为热稳定容量的判定依据。

（3）1990年前后投运的变电站，多存在设计短路电流值偏小和接地装置腐蚀严重的情况，为准确校核接地装置热稳定容量，计算前应开展分流系数实地测量和接地装置开挖检查测量工作，以免发生技术误判。