不同土壤結構的牽引變電所接地系統設計

丁 峰

0 前言

牽引變電所接地是維護牽引供電系統正常運行，保障設備及人身安全，防止雷電及靜電危害等必不可少的措施。根據（TB10009-2005）中相關規定，牽引變電所接地電阻值不應大于0.5 Ω（當流經接地裝置的入地短路電流≥4 000 A 時），在特殊條件下，接地電阻值可提高到5 Ω[1]。然而，在處于高土壤電阻率地區且地網面積受限的牽引變電所，盡管采取了相關措施，也很難達到要求；即使采取措施使接地電阻滿足了要求，也不能完全排除接觸電勢及跨步電勢的危險，甚至處于技術經濟均不合理的境地[2，3]。為保障供電系統的安全可靠運行、保障操作人員的人身安全及變配電設備的安全，需要針對不同的地區、不同的土壤結構進行科學分析，合理設計，從而設計出滿足安全運行要求的地網[4～6]。

由加拿大SES 公司開發的CDEGS 軟件具有對土壤結構及接地系統進行分析計算的功能。本文利用CDEGS 軟件，通過對不同實測土壤電阻率的分析，模擬得出不同的土壤結構模型，并根據該模型制定相應的地網結構及進行仿真計算，以更準確地評估地網性能，從而滿足牽引供電系統的安全運行要求。該方法及思路可為牽引供電系統的接地設計提供借鑒。

1 接地系統設計

對于牽引變電所接地網，在以往的設計中常存在一種誤區，即過渡強調接地電阻值應不大于0.5 Ω，片面地認為變電所接地電阻只要做到小于0.5 Ω即可滿足接地設計要求；為了達到小接地電阻，甚至耗費極大的物力、財力。隨著國內高速鐵路的快速發展及與之配套的220 kV、330 kV 外電系統的接入，入地故障電流也隨之不斷增大，為確保人身及設備安全，維護供電系統的可靠運行，僅靠降低接地電阻來保障安全已變得越來越困難，尤其是高土壤電阻率地區。

對牽引變電所而言，其接地的主要目的是為了在正常和事故狀態以及在所內遭受雷擊的情況下，利用大地作為導流回路，將所內設備接地處的電位鉗制在允許的安全范圍之內。若所內地網設計不合理，在某些情況下，變電所接地電阻即使很低，在發生接地故障時，仍可能出現很高的電位梯度，給運行人員和設備帶來危險[3]。因此，牽引變電所的接地設計，除滿足小接地電阻的要求外，還應綜合考慮接觸電勢和跨步電勢的要求，即接地系統的設計應整體考慮，根據不同的土壤結構制定出不同的接地方式，以達到均衡接地[2]的目的。

接地設計的先決條件是應知道決定地中電流分布規律的牽引變電所所址所在地的土壤電阻率。由于土壤電阻率是由大地的地質結構所決定，隨著地質結構的變化其常常表現出不均勻性，即變化范圍很大。從現場測得的數據來看，在同一區域，隨著地層的不同，土壤電阻率的變化范圍在幾十到上千Ω·m，因此，在工程設計中應對各實測的土壤電阻率數據進行系統的分析、處理，以確定牽引變電所所址處的大地結構等效土壤模型，并針對該結構模型進行相應的地網計算、設計，從而達到經濟、合理的接地設計目的。

2 工程應用分析

2.1 工程實例1

某新建電氣化鐵路擬建牽引變電所，根據現場實測土壤電阻率數據，運用CDEGS 軟件對牽引變電所土壤結構進行分析，結果如圖1 所示。

圖1 實例1 變電所土壤結構分析曲線圖

由分析結果可見，該所土壤結構可大致分為4層；擬合曲線顯示，其土壤電阻率值根據地層由淺入深依次呈遞增趨勢。據此土壤結構分別作地網導體等距分布及不等距分布2 種方案。

（1）等距分布方案。地網水平接地體采用等距離布置，邊緣處設置垂直接地體。對該結構地網作仿真計算，得變電所接地電阻值2.270 9 Ω（＞0.5 Ω），另所內接觸電勢、跨步電勢計算結果見圖2和圖3。

由圖2 及圖3 見，變電所接觸電勢及跨步電勢峰值均出現在地網邊緣處；根據二維等高線圖，所內跨步電勢滿足要求，但接觸電勢無法滿足安全運行需要。

圖2 接地體等距分布接觸電勢二維等高線圖

圖3 接地體等距分布跨步電勢二維等高線圖

（2）不等距分布方案。地網水平接地體采用邊緣密集、中部稀松布置方式，且仍在地網邊緣處設置垂直接地體。根據仿真結果，變電所接地電阻值2.265 0 Ω（＞0.5 Ω），其接觸電勢、跨步電勢見圖4 和圖5。

由圖4 和圖5 可見，采用導體不等距分布方案后，變電所接地電阻值雖變化不大，但地網接觸電勢性能明顯優于等距分布地網，已基本能滿足安全運行要求。

圖4 接地體不等距分布接觸電勢二維等高線圖

圖5 接地體不等距分布跨步電勢二維等高線圖

2.2 工程實例2

另新建電氣化鐵路牽引變電所，根據實測土壤電阻率得牽引變電所土壤結構如圖6。

圖6 實例2 變電所土壤結構分析曲線圖

圖6 顯示，本所土壤電阻率值由淺入深依次遞減。作等距分布及不等距分布地網仿真，分析如下。

（1）等距分布方案。根據仿真計算，變電所接地電阻值0.432 58 Ω（＜0.5 Ω）。所內接觸電勢、跨步電勢結果如圖7 及圖8。由各仿真結果可知，采用等距分布方案設置地網，接地系統各項指標可滿足安全運行要求。

圖7 接地體等距分布接觸電勢三維視圖

圖8 接地體等距分布跨步電勢三維視圖

（2）不等距分布方案。對不等距分布方案進行仿真計算，得變電所接地電阻值為0.436 15 Ω（＜0.5 Ω）。所內接觸電勢、跨步電勢結果見圖9和圖10。

圖9 接地體不等距分布接觸電勢三維視圖

圖10 接地體不等距分布跨步電勢三維視圖

由上述各圖可見，采用導體不等距分布方案亦可滿足安全運行要求，但與等距分布方案相比，不等距分布方案地網接觸電勢及跨步電勢值較高。

2.3 仿真結果分析

根據上述仿真結果可見，牽引變電所接地，在無其他降阻措施時，其地網面積一經確定，則接地電阻值就已基本確定，地網結構及導體數量的變化對減小接地電阻值作用極小（實例1 中地電阻值由2.270 9 Ω降至2.265 0 Ω僅變化了0.26%），故對于高土壤電阻率地區接地系統的設計，應從均衡電位入手，統一考慮接地電阻、接觸電勢及跨步電勢，進行整體設計，以使接地設計經濟、合理，并滿足安全運行要求。

另對變電所內接觸電勢及跨步電勢而言，由于最大跨步電勢安全門檻值常高于接觸電勢，因此滿足了所區內接觸電勢的安全要求，也即可滿足跨步電勢的安全要求；仿真結果亦顯示，與接觸電勢相比，跨步電勢的安全要求通常較易滿足。

此外，根據仿真結果，對于不同土壤結構、不同電阻率分布地區的接地設計，應考慮以下2 個方面：

（1）當表層土壤電阻率小于深層土壤電阻率時，應在接地網邊緣區放置較多的導體，以減小接觸電勢及跨步電勢，達到均衡接地。

（2）當表層土壤電阻率大于深層土壤電阻率時，接地網內導體應均勻布置，以使地網達到最佳效果。

3 結束語

牽引變電所接地系統是否能夠滿足安全運行要求，技術經濟指標是否合理，取決于地網設計方法的正確性。對接地系統的設計，應結合工程具體情況整體考慮，既應避免僅從理論出發，脫離實際，也應避免只簡單注重低接地電阻，而忽視對地電位分布的分析；系統設計應從實際出發，根據工程實施地區的土壤結構狀況，具體分析，具體設計，做到安全可靠，技術先進，經濟合理，從而達到均衡電位接地，滿足安全運營的需要。

[1] TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 鄒建明.大型地網接地技術的研究[D].浙江大學，2003.

[3] 陳先祿，劉渝根，黃勇.接地[M].重慶大學出版社，2002.

[4] 黃玲珍.高速鐵路牽引變電所接地系統影響因素的研究[J].電氣化鐵道，2009，（4）.

[5] 徐華，文習山，黃玲.大型變電站接地網的優化設計[J].高電壓技術，2005，（12）.

[6] 劉榮洲，劉力，陶相普.多層土壤接地系統設計的簡化和綜合[J].廣西電力，2006，（5）.