變電站和移動(dòng)基站共建時(shí)接地網(wǎng)的可靠性研究

張建臣，刁首人，高志新，張志新，李曉龍

(1．國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 信息通信分公司，河北 石家莊 050021;2．華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003;3．國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，河北 石家莊 050021)

0 引言

近年來隨著電壓等級(jí)越來越高，變電站內(nèi)采用的弱電設(shè)備及系統(tǒng)越來越多，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制和繼電保護(hù)系統(tǒng)等。在變電站復(fù)雜而惡劣的電磁環(huán)境中，這些弱電設(shè)備可能會(huì)收到工頻電流、電壓和雷電、系統(tǒng)短路故障操作沖擊以及多種放電現(xiàn)象引起的電磁干擾。在此背景下，越來越多的研究人員開始研究變電站的電磁環(huán)境問題。同時(shí)根據(jù)變電站的二次設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，提出一些有效的電磁防護(hù)措施［1～3］。目前文獻(xiàn)［4，5］已經(jīng)研究了移動(dòng)基站遭受雷擊時(shí)，雷電流對(duì)基站的影響，并給出了響應(yīng)的防護(hù)措施;文獻(xiàn)［6，7］也研究了雷擊變電站接地網(wǎng)時(shí)的暫態(tài)響應(yīng);文獻(xiàn)［8］研究了雷擊變電站時(shí)不同接地網(wǎng)、不同雷電流、不同土壤電阻率對(duì)暫態(tài)地電位升的影響。移動(dòng)基站和變電站共建時(shí)主要考慮雷擊基站鐵塔，因?yàn)橐苿?dòng)基站的鐵塔一般高于變電站的所有設(shè)備和建筑物，雷電會(huì)先擊中基站鐵塔。雷電流通過移動(dòng)基站鐵塔入地，會(huì)在變電站接地網(wǎng)上產(chǎn)生不均勻的地電位升，這種地電位升將在屏蔽層雙端接地的二次電纜屏蔽層上產(chǎn)生對(duì)地電位分布，并在屏蔽層上產(chǎn)生電流，該電流經(jīng)屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗將在二次電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電壓，從而影響保護(hù)和控制設(shè)備的正常運(yùn)行。

本文通過國(guó)內(nèi)外通用軟件包CDEGS(Current Distribution，Electromagnetic Interference，Grounding and Soil Structure Analysis)中HIFREQ 模塊建立變電站接地網(wǎng)、移動(dòng)基站接地網(wǎng)、基站鐵塔、二次電纜屏蔽層的計(jì)算模型，在雷擊基站鐵塔頂部時(shí)，移動(dòng)基站和變電站接地網(wǎng)不同的連接方式，在變電站二次電纜產(chǎn)生的電磁騷擾影響;分析接地網(wǎng)之間不同間距、不同電阻率的情況下變電站二次電纜末端的騷擾電壓和電流以及地電位升和地表電位分布。

1 計(jì)算模型

本文計(jì)算河北某地區(qū)的110 kV 變電站的接地網(wǎng)，其規(guī)格是72 ×64．2 m，接地網(wǎng)埋深為0．8 m，接地網(wǎng)的水平接地導(dǎo)體采用的是50 ×6 mm 的扁鋼，垂直接地體采用的是50 ×5 ×2 500 mm 的角鋼，接地網(wǎng)外緣垂直接地體間距是6 m，均壓帶上垂直接地體間距是6 m，接地導(dǎo)體的電阻率是1．75 ×10-8Ωm，磁導(dǎo)率是4π ×10-7H/m，土壤采用的是單層土壤，土壤電阻率是100 Ωm，目標(biāo)電纜型號(hào)是KYJCE/B3-14 × 1．5，電纜長(zhǎng)40 m，電纜兩端接地，沿著屏蔽電纜所在廊道敷設(shè)有一根在兩端與主接地網(wǎng)相連的銅帶，銅帶的材料和參數(shù)與接地網(wǎng)的導(dǎo)體相同，屏蔽電纜屏蔽層在兩端通過銅帶接地。基站鐵塔的高45 m，鐵塔建模用等效半徑為0．083 m。變電站和移動(dòng)基站接地網(wǎng)連接的模型如圖1 所示，移動(dòng)基站和變電站接地網(wǎng)不連接方式是圖1 中兩個(gè)接地網(wǎng)之間沒有電連接，基站鐵塔的模型如圖2 所示。

圖1 變電站和移動(dòng)基站接地網(wǎng)連接模型

圖2 基站鐵塔模型

雷電流采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-1，10/350 μs，200 kA 的雙指數(shù)型雷電流，為了確保雷電流能夠衰減至零，雷電流的持續(xù)時(shí)間T=2 500 μs，F(xiàn)FT 變換的采樣指數(shù)n=15，采樣時(shí)間Δt=2 500/215=0．076 3 μs，奈奎斯特頻率f=215/(2 × 2 500)×106=6．554 MHz，雷電流波形如圖3 所示，雷電流的表達(dá)式如下:

式 中:I=204 885．8， α=2 049．38， β=563 758．3。

圖3 雙指數(shù)雷電流波形

根據(jù)文獻(xiàn)［9，10］，二次電纜轉(zhuǎn)移阻抗表達(dá)式:

式中:散射阻抗Zd;小孔電感Mh;編織電感Mb計(jì)算公式如下:

其中:b=4πcosα/C-nd，h=2bd/(b +d)，B=n(d2-πd2/4)，，v=C2sinα/(4πacosα)，絕緣層的直徑D0=3．1 mm，每根編織線的直徑d=0．2 mm，編織層的編束數(shù)C=24，編織束內(nèi)的導(dǎo)線數(shù)n=6，編織層的平均半徑a=7．8 mm，編織角度 α=38．1°。

首先建立基站和變電站模型，然后建立雷電流和二次電纜模型，最后通過MATLAB 編程和CDEGS 進(jìn)行計(jì)算電纜末端口的騷擾電流和騷擾電壓，具體的計(jì)算流程圖如圖4 所示。

圖4 計(jì)算流程圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 接地網(wǎng)不同連接方式

通過CDEGS 建模計(jì)算，分析變電站接地網(wǎng)和移動(dòng)基站接地網(wǎng)連接和不連接兩種情況下，雷擊移動(dòng)基站鐵塔頂端時(shí)，在變電站二次電纜產(chǎn)生的騷擾電流和騷擾電壓的大小，可以得出連接時(shí)的騷擾電流和騷擾電壓遠(yuǎn)大于不連接時(shí)的騷擾電流和電壓，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 二次電纜騷擾電流波形

圖6 二次電纜騷擾電壓波形

2.2 接地網(wǎng)不同間距

通過分析兩接地網(wǎng)間距為10 m，20 m，30 m，40 m，50 m 不同情況下對(duì)變電站二次電纜的影響，可以得出二次電纜騷擾電壓隨著間距變大而變大，計(jì)算波形如圖7。

圖7 二次電纜騷擾電壓波形

2.3 地電位升和最大地表電位分布

為了研究接地網(wǎng)的連接方式和土壤電阻率對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)A 的地電位升和整個(gè)地表電位分布的影響，計(jì)算了連接與不連接，土壤電阻率是100 Ωm和500 Ωm 的情況。由圖8 可得觀測(cè)點(diǎn)A 處的GPR 初始時(shí)刻快速上升，然后逐漸衰減至零;土壤電阻率相同時(shí)，接地網(wǎng)連接時(shí)的情況GPR 高于不連接的情況;接地網(wǎng)連接形式相同時(shí)，土壤電阻率高的情況GPR 高于土壤電阻率低的情況。

由圖9 可以得出，接地網(wǎng)不連接時(shí)的地表電位大于接地網(wǎng)連接，且不連接時(shí)兩接地網(wǎng)之間的電位變化劇烈，為了保護(hù)人畜安全，應(yīng)該設(shè)置保護(hù)區(qū)。

圖8 A 點(diǎn)的地電位升

圖9 接地網(wǎng)地表電位分布

3 結(jié)論

本文利用CDEGS 建立了變電站接地網(wǎng)、移動(dòng)基站接地網(wǎng)、基站鐵塔、二次電纜屏蔽層的計(jì)算模型，計(jì)算了接地網(wǎng)不同連接方式下，雷擊基站鐵塔頂部時(shí)在變電站二次電纜產(chǎn)生的電磁騷擾，分析接地網(wǎng)不同連接方式、不同間距、不同土壤電阻率對(duì)二次電纜的影響。從計(jì)算結(jié)果可以得出，兩個(gè)接地網(wǎng)采用不連接、最大間距的電連接方式時(shí)二次電纜的騷擾電流和電壓最小;接地網(wǎng)不連接、土壤電阻率低時(shí)觀測(cè)點(diǎn)地電位升最小和地表電位分布均勻。因此，建議移動(dòng)基站和變電站共建時(shí)兩接地網(wǎng)應(yīng)采用不連接方式，間距盡可能大，且需要降低土壤電阻率，同時(shí)變電站和移動(dòng)基站之間應(yīng)設(shè)立安全區(qū)。

［1］陳健，楊文斌，胡暢，等．雷擊變電站地網(wǎng)對(duì)電纜感應(yīng)過電壓的理論計(jì)算［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2008，24(9):20-23．

［2］齊磊，崔翔．變電站開關(guān)操作對(duì)屏蔽電纜電磁干擾的預(yù)測(cè)［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，(9):46-51．

［3］齊磊，李泓志，崔翔，等．雷擊特高壓變電站時(shí)電磁騷擾特性的預(yù)測(cè)［J］．高電壓技術(shù)，2009，(8):1796-1801．

［4］李鵬，呂英華，李子偉，等．移動(dòng)通信鐵塔直擊雷電流分布的研究［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(1):66-72，101．

［5］Farid P D，Ruan W，F(xiàn)ortin S．Lightning transient response of communication towers and associated grounding networks［C］．Kuala Lumpur，Malaysia:Proceedings of International Conference on Electromagnetic Compatibility，1995．95-102．

［6］Dawalibi F P，F(xiàn)ortin S，Li Y．Transient response of shielded substations hit directly by a lightning strike［C］．Taiwan:The 18th Conference of the Electric Power Supply Industry(CEPSI)，2010．85-90．

［7］吳茂林，崔翔，張重遠(yuǎn)．雷直擊500kV 變電站時(shí)保護(hù)小間內(nèi)暫態(tài)地電位分布的分析［J］．電工技術(shù)雜志，2002，(12):16-18．

［8］Ruan W，F(xiàn)ortin S，Dawalibi F P．Transient ground potential rises at a nuclear fusion experimental power plant hit directly by a lightning strike［C］．Chengdu，China:Asia-Pacific International Conference，2011．192-197．

［9］李慧奇，張艷麗，尹宏，等．核電廠母線接地短路對(duì)二次電纜影響的研究［J］．電力科學(xué)與工程，2012，28(10):12-15．

［10］楊佩銘．電力系統(tǒng)屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的計(jì)算與測(cè)量方法研究［D］．保定:華北電力大學(xué)，2006．