Optimal Design of Substation Grounding Grid

The grounding grid is arranged with equal spacing, which has the problem of uneven ground potential distribution. The 220 kV Xintang substation under construction adopts an unequal spacing arrangement, that is, the spacing between the voltage-equalizing conductors increases according to the negative exponential law from the edge to the center of the grounding grid. The two methods are analyzed and calculated using the GPC grounding parameter calculation program. The results show that the optimized design of the grounding grid can significantly improve the leakage current density distribution of the conductor, make the potential distribution on the soil surface uniform, improve the safety level, and save steel and construction costs. With the continuous increase in the capacity of the power system, the ground short-circuit current flowing through the grounding grid is also increasing. Therefore, in order to ensure the safety of people and equipment and maintain the reliable operation of the system, it is necessary not only to emphasize the reduction of grounding resistance, but also to consider the potential distribution on the surface of the grounding grid. In the previous grounding design, the voltage-equalizing conductors of the grounding grid were arranged at equal spacings of 3 m, 5 m, 7 m, and 10 m. Due to the end and proximity effects, the leakage current at the corners of the grounding grid is much greater than that at the center, making the ground potential distribution very uneven. The potential of the corner mesh is much higher than that of the center mesh, and this difference increases with the increase of the grounding grid area and the number of meshes. In this paper, combined with the grounding grid design of the 220 kV Xintang substation under construction, the method and rationality of unequal spacing arrangement of the grounding grid are explained. 1 Rationality of grounding grid optimization design 1.1 Improvement of conductor leakage current density distribution Figure 1 is the grounding grid of Xintang substation with an area of ​​190 m×170 m. When the number of conductors is the same, they are arranged at an equal spacing of 10 m and an average unequal spacing of 10 m. The leakage current density distribution curves along parallel conductors ①, ②, ③, ④, and ⑤ are shown in Figure 2. It can be seen from the figure that for the grounding grid arranged at unequal spacing, the leakage current density of the edge conductor ① is about 15% lower than that of the grounding grid arranged at equal spacing on average; for the leakage current density of conductor ②, the two grounding grids are almost equal (only 0.3% different); for the middle conductors ③, ④, and ⑤, the leakage current of the grounding grid arranged at unequal spacing is increased by 9%, 14%, and 15% respectively compared with the grounding grid arranged at equal spacing. It can be seen that the unequal spacing arrangement can increase the leakage current density distribution of the middle conductor and correspondingly reduce the leakage current density of the edge conductor, so that the middle conductor can be more fully utilized. 1.2 Potential distribution on the uniform soil surface From the calculation results in Table 1, it can be seen that the grounding grid arranged with unequal spacing can greatly improve the surface potential distribution. The relative difference between the maximum and minimum mesh potential does not exceed 0.7%, making the potential of each mesh roughly equal. For the equally spaced grounding grid, the relative difference between the maximum and minimum mesh potential is above 12.2%. At the same time, the maximum contact potential of the unequally spaced grounding grid is reduced by 60.1% compared with the maximum contact potential of the equally spaced grounding grid, which greatly improves the safety level of the grounding grid. Table 1 Comparison of calculation results Maximum mesh potential Vmax／kV Minimum mesh potential Vmin／kV Maximum contact potential Vjmax／kV Grounding resistance R／Ω δ／% Equal spacing 5.709 5.081 0.799 0.523 12.2 Unequal spacing 5.544 5.506 0.315 0.519 0.7 Note: 1) δ = (Vmax-Vmin) / Vmin; 2) The grounding grid area is 190 m × 170 m; 3) The number of conductors in the long direction n1 = 18, and the number of conductors in the wide direction n2 = 20. 1.3 Saving a lot of steel and construction costs If the Xintang substation grounding grid is arranged at an equal spacing of 10 m, the maximum contact potential is at the corner mesh, and its value is 0.799 kV, but when unequal spacing is used, the maximum contact potential is kept close to this value, and 31.2% of steel can be saved at this time, as shown in Table 2. 2 Methods for optimizing the design of grounding grids During the design, the total number and total length of equalizing conductors are determined by trial and error, that is, the number of conductors n1 and n2 in the length and width directions of the grounding grid are first calculated. For large grounding grids, the spacing of equalizing conductors can generally be calculated as about 10 m. If the contact potential meets the requirements, the number of conductors can be increased or decreased after technical and economic comparison. As shown in Figure 3, after n1 and n2 are determined, the number of segments in the length and width directions of the grounding grid is determined: the conductor segment in the length direction is k1=n2-1, and the conductor segment in the width direction is k2=n1-1, and then the length of each segment conductor is obtained according to the following formula. Table 2 Comparison of the amount of steel used Arrangement n1 n2 Vjmax／kV Steel length L／m Equal spacing 18 20 0.799 6 860 Unequal spacing 12 14 0.756 4 700 Lik=L.Sik, where L is the side length of the grounding grid (L=L1 in the long direction, L=L2 in the wide direction), m; Lik is the length of the conductor in the i-th section, m; Sik is the percentage of Lik in the side length L. The relationship between Sik and i is like a negative exponential curve, that is, Sik=b1×e-b2i+b3, where b1, b2, b3 are all constants, and the determination method is as follows: When 7≤k≤14, when k＞14, for any rectangular grounding grid, as long as the number of conductors in the length and width directions is determined, the spacing of the conductors can be arranged according to the different segments k of the conductors in the length and width directions according to the above-derived formulas. 3 Conclusions a) The use of unequal spacing to optimize the design of the grounding grid can make the potential of each grid hole of the grounding grid tend to be consistent, thereby improving the safety level of the substation. b) Under the same safety level, the optimized grounding grid can generally save more than 38% of steel compared with the conventionally arranged grounding grid, and at the same time reduce the corresponding grounding project investment, which is technically and economically reasonable. c) The new method of increasing the spacing of the equalizing conductors from the edge to the center is used to arrange the grounding grid according to the negative exponential law. The coefficient b of the exponential formula is only related to the number of parallel conductors (or the number of parallel conductor segments k). References 1. Xie Guangrun. Grounding Technology of Power System [M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 19852. Yan Huailiang, Chen Xianlu, Li Dingzhong. Grounding Calculation Method and Calculation Research on Improving Grounding Grid Potential Distribution Using Uneven Grid Holes [J]. Journal of Chongqing University, 1985(4)