大型變電站接地網改造

摘要: 接地網在電力系統安全運行中起著極為重要的作用，不僅為系統內各種高壓電氣設備提供一個公共的參考地，還可以在系統發生故障時排泄故障電流并降低變電站的地電位升，從而確保系統工作人員的人身安全及各種電氣設備的正常運行。作為變電站安全運行的重要保證，其接地性能一直受到設計和生產運行部門的重視。大型變電站接地網面積大，接地網不再是等電位的。等間距的大型變電站接地網的地表電位梯度大，散流不均勻，有必要在不等電位模型下研究不等間距的大型變電站接地網。

關鍵詞: 接地網;安全運行;等電位;不等 電位模型

變電站的接地網是工作接地、防雷接地和保護接地三者的統一，其地網結構主要取決于工頻對地短路電流。進行接地網設計時，過去總是力求控制地網電位。據文獻[2]要求:IR<2000V，式中I為工頻對地短路電流;R為地網接地電阻。當I>4000A時，執行上式有困難，可取R≤0.5Ω，要做到這些，在實際中仍有困難。故文獻[2]固定，在土壤電阻率太高時，在技術經濟極不合理時，允許將R提高到R≤5Ω(此時要驗證人身、設備的安全)。即使遇到土壤電阻率很高時，也是采用打深井或引外接地的方法降低R。通過降R達到控制地網電位IR的目的，也的確是保證人身和設備安全的重要途徑。

1接地計算的基本方法

1.1 均勻土壤的接地電阻計算

在實際的計算中常常采用簡化公式

其中 S:接地網面積L:接地體總長度

L’:接地網外緣長度 h:水泡接地體所埋深度 d:等效半徑r:接地電阻

1.2 雙層土壤經典鏡像法

對于半無限大均勻媒質，即將大地視為單層模型時，格林函數為點電流源和它的一個鏡像所產生的電位;對于兩層模型，格林函數時由點電流源和無限多個鏡像所產生的電位[1]。如果源點和場點均在上表層，分別位于r’(或x’，y’，z’)和r(或x，y，z)，直角坐標系的原點位于大地表面上，則格林函數可表示為[4]:

分別為上層和下層的電導率;

其中，對于:對于;對于其他情況有h為上層厚度。很顯然，要得到較高的計算精度，計算需要較長的計算時間。

2 均勻土壤下大型接地網改造方法

要確保人身和設備的安全、維護系統的可靠運行，需要改變僅僅強調降低接地阻抗的傳統觀念，樹立主要考慮地面電位梯度所帶來的危險這一新概念。因為實際上整個接地系統的接地阻抗與人體或設備不同部位可能遭受的最高電壓之間不存在簡單的對應關系。在土壤電阻率比較低且接地網面積較大的情況下，雖然其接地阻抗可以達到較低的值，但如果接地系統設計不合理，在發生接地故障時，地面上仍可能出現很高的電位梯度，給運行人員和設備代來危險。

2.1 接地網優化設計的基本原理

接地網的優化設計就是在已有的接地網范圍的情況下，通過調整水平接地網的接地導體的布置確保電氣設備和人身的安全。接地網的安全參數包括接地阻抗Z、地表電位分布、最大接觸電壓和最大跨步電壓。因此接地網的優化就是讓接地網地表電位分布均勻，接地網的接地阻抗、最大跨步和接觸電壓最小。所以均勻土壤下接地網優化的原理就是尋找一種合理的接地網水平接地導體的排列方式，在這種接地布置方式下，接地網上方的地表電位分布更均勻，接地網的接地阻抗、地表的最大接觸電壓和最大跨步電壓達到最小值。

2.2 均勻土壤下接地網的優化設計軟件

根據上述分析，得到的均勻土壤下接地網的優化設計軟件的流程圖如下圖1所示。接地網的優化設計過程為:

3 不均勻土壤下大型接地網的改造方法

3.1雙層土壤下接地網的優化設計

與均勻土壤下類似，采取從中心網孔到邊角網孔按照指數遞減規律的方式布置。還是對接地網土壤取兩層，100和500，上層土壤厚度是10m，其它條件相同。電流在接地網中心注入(11， 11)，注入電流大小1A。算得接地網水平導體在不同壓縮比的接地阻抗Z、最大跨步電壓Es、最大接觸電壓和最小接觸電壓值之差隨壓縮比的變化曲線如圖2、圖3、圖4所示[3]。

3.2 多層土壤中接地網的優化設計分析

當土壤結構為三層以上時，土壤結構參數很多，要分析總結出各種因素的影響規律是非常困難的，即使能總結出規律，但由于很難找到結構完全相同的變電站站址，因此本節只對一些普遍的情況進行分析。對于任何實際的工程，都可以采用接地網優化設計軟件分析最優布置。

以三層土壤為例進行分析，三層土壤參數:低阻層、中阻層和高阻層的電阻率分別是100， 500和1000，上層土壤的厚度是l0m，中層土壤的厚度是50m。接地網參數:面積150 x 150，網孔數15x15，接地網的其它參數不變，在中心(8，8)注入1A的電流。對六種電阻率組合情況下的最優壓縮比及接地網最優布置時的最大接觸電壓和最小接觸電壓之差以及接地阻抗進行了分析，結果如上表1所示。1， 2， 3，4， 5和6分別代表三種土壤的組合情況，依次是上層高中間低下層中(即上層1000 、中間層100下層500 )、上層高中間中下層低、上層中中間高下層低、上層中中間低下層高、上層低中間高下層中、上層低中間中下層高。

從表1的計算結果可以看出，當接地網達到最優設計時，在各種情況下接地阻抗略有減小，降阻效果不超過1%。因此，接地網優化設計的主要目的不是降阻，而是改善接地系統的安全性能，均衡接地網上方的地表電位，降低接觸電壓和跨步電壓。

參考文獻:

[[1] 齊磊.變電站接地網的頻域有限元方法[J].中國電機工程學報，2007，27(6):62-66

[2] 顏懷梁，陳先祿，李定中.接地計算方法及應用不均勻網孔改善地網電位分布的計算研究[J].重慶大學學報，1985(4):95-103

[3] 文習山.三峽電站允許電位升高試驗研究[J].電網技術，2003，27(2):9-12

17(3):81-89

[4] 李中新，袁建生，張麗萍.變電站接地網模擬計算[J].中國電機工程學報1999，20(5):76-79