牽引變電所接地網(wǎng)的仿真設計

張 業(yè)

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安,710043）

0 緒論

在鐵路牽引供電系統(tǒng)中，為了工作和安全的需要，常將牽引供電系統(tǒng)的電氣設備等與地中的接地裝置相連接，這就是接地。在牽引變電所中，作為接地裝置的是接地網(wǎng)，其在牽引變電所的安全運行中起著十分重要的作用。如果接地網(wǎng)設計不合理，可能使得接地系統(tǒng)電位分布不均勻，某些部分電壓超過規(guī)定的安全限值，不僅會威脅到運行人員的安全，還可能因電壓反擊造成低壓設備及二次設備的損壞，釀成牽引供電系統(tǒng)運行事故，由此造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

隨著牽引供電系統(tǒng)的電壓等級越來越高，牽引供電系統(tǒng)的故障電流越來越大，對接地網(wǎng)的影響因素也越來越多，特別是西北戈壁灘等地區(qū)土壤電阻率較大，使得接地網(wǎng)的設計也越來越復雜。設計合理的接地網(wǎng)，其接地電阻、接觸電壓和跨步電壓都應符合相關標準要求，特別是接觸電壓。目前國內(nèi)仍然普遍采用傳統(tǒng)的公式近似計算法，只是單一的將接地電阻作為接地網(wǎng)設計合理與否的標準，值得商榷，因為牽引變電所接地網(wǎng)設計的安全與否，實質上完全是由電壓決定的，接地電阻小不一定接觸電壓和跨步電壓分布也合理；另外，在一些土壤電阻率很大的地區(qū)，要想滿足接地電阻是很困難的。針對這種問題，本文通過利用接地網(wǎng)設計軟件CDEGS，介紹通過接地網(wǎng)仿真來合理設計牽引變電所接地網(wǎng)的方法。

1 接地網(wǎng)設計的參數(shù)計算及其設計方法

1.1 計算入地故障電流

根據(jù)國標《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》的要求，牽引變電所內(nèi)、外發(fā)生短路時，接地網(wǎng)的入地故障電流Ig可以按下列二式計算：

式中：Imax—牽引變電所內(nèi)發(fā)生故障時的最大接地故障對稱電流有效值（A）；

In—牽引變電所內(nèi)發(fā)生故障時流經(jīng)其設備中性點的電流（A）；

Sf1、Sf2—分別為牽引變電所內(nèi)、外發(fā)生接地故障時的分流系數(shù)，具體計算方法可參看文獻[6,7]。

接地網(wǎng)的入地故障電流也可以參考《變電站銅質接地網(wǎng)應用導則》的推薦意見。

1.2 接地網(wǎng)導體截面的選擇

目前世界上普遍采用的接地導體材料主要是鋼和銅。由于銅導體具有導電性好、耐腐蝕等優(yōu)點，現(xiàn)在我國新建牽引變電所接地網(wǎng)也普遍采用銅導體。接地網(wǎng)導體的截面積一般是先根據(jù)熱穩(wěn)定性要求來確定最小截面，然后再根據(jù)接地網(wǎng)的運行壽命以及實測得到的土壤對接地網(wǎng)導體的腐蝕速度計算得到導體的截面積，將兩者進行比較取最大值，最后考慮一定的裕度，確定選擇導體的截面積。

接地導體最小截面積應符合下式的要求：

式中：Sg—接地導體的最小截面積（mm2）；

Ig—流過接地導體的最大接地故障電流（A）；

te—接地故障的等效持續(xù)時間（s）；

C—接地導體材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，與材料的種類、性能及最大允許溫度和接地故障前導體的初始溫度有關，可查表獲得。

1.3 接地網(wǎng)接觸電壓和跨步電壓的確定

接地網(wǎng)的作用是保護牽引變電所內(nèi)工作人員和設備的安全，而對工作人員和設備產(chǎn)生威脅的就是接觸電壓和跨步電壓，因此，在接地網(wǎng)設計時，一定要校驗接觸電壓和跨步電壓，使之符合設計規(guī)范的要求。按照國標規(guī)定，接觸電壓和跨步電壓應不超過下列閥值]：

Cs—表層衰減系數(shù)，可通過查表確定；

ts—接地故障的等效持續(xù)時間（s）。

由上述兩式可以看出，跨步電壓的閥值要大于接觸電壓的閥值，而實際的接地網(wǎng)跨步電壓要比接觸電壓小，所以，如果接觸電壓符合國標要求，那么跨步電壓也一定滿足要求，因而，在接地網(wǎng)的設計中往往可以只校驗接觸電壓而不必校驗跨步電壓，在下文的接地網(wǎng)設計中，本文就會使用該方法。

1.4 接地網(wǎng)的設計方法

利用仿真的方法設計接地網(wǎng)，可以通過兩步來完成接地網(wǎng)的設計，即初始設計和進一步優(yōu)化設計。初始設計就是基于經(jīng)驗和牽引變電所接地的相關要求，以牽引變電所的等價土壤模型為基礎，建立一個初始的經(jīng)濟的接地系統(tǒng)構造。對于接地網(wǎng)的初始設計，有幾點需要注意：

⑴ 雖然增大接地網(wǎng)的面積可以有效地降低接地電阻，但是盲目的擴大其面積會增大設計成本；另外，在某些山區(qū)牽引變電所，由于環(huán)境問題，隨意擴大接地網(wǎng)的面積也是不現(xiàn)實的。所以，一般接地網(wǎng)的設計面積以延伸至牽引變電所圍墻外1米為宜。

⑵ 接地網(wǎng)的均壓導體排列不宜過密。由于接地體之間的屏蔽效應，過分增加均壓導體的數(shù)量并不能有效地降低接地電阻，甚至會增大接地電阻，一般以5m、10m、15m為宜，可根據(jù)實際情況適當調整。

⑶ 接地網(wǎng)的埋深達到一定值后，接地電阻減小很慢，所以不能無限制的增加接地網(wǎng)的埋設深度，一般取0.6 m~1 m。

實際的設計經(jīng)驗表明：初始的設計遠遠不能提供安全的接地網(wǎng)。在牽引變電所的絕大部分區(qū)域，接觸電壓超過安全值，而且最大值出現(xiàn)在接地網(wǎng)的角落。針對這種情況，可以考慮在接地系統(tǒng)的邊緣區(qū)域放置更多的導體，對于如如何最優(yōu)地在接地網(wǎng)的邊緣增加導體，可以依據(jù)下述的基本指導原則：

⑴ 當表層土壤電阻率比深層土壤電阻率小時，應在接地網(wǎng)的邊緣區(qū)放置較多的導體。導體在接地網(wǎng)外邊緣區(qū)域的密集程度應該隨著表層和深層土壤電阻率比的增加而增加。

⑵ 當表層土壤電阻率比深層土壤電阻率大時，降低壓縮比，使導體均勻布置。條件是此時表面土壤電阻率與深層土壤電阻率比率足夠大（5或者更大），并且表層土壤的厚度比接地系統(tǒng)的尺寸小（1/5或者更小）。

⑶ 當表層土壤電阻率比深層土壤電阻率大的多，且厚度足夠小時，使用深入較深土壤層的垂直接地體可以有效地降低接地電阻、接觸電壓和跨步電壓，并且當垂直接地體的長度接近接地網(wǎng)等值半徑時效果最好。

2 工程實踐

330Kv**牽引變電所接地網(wǎng)的占地面積約為120×120m2，經(jīng)測量分析接地網(wǎng)周圍的土壤使用雙層土壤模型表示比較合理：上層土壤電阻率為1000Ω·m，厚度為5m，下層土壤電阻率為200Ω·m。接地網(wǎng)的入地故障電流根據(jù)《變電站銅質接地網(wǎng)應用導則》取為40kA。由于該地區(qū)腐蝕比較嚴重，接地網(wǎng)材料選取為圓銅，其半徑為0.005m。

根據(jù)前面的分析可知，首先進行接地網(wǎng)的初始設計，由于土壤電阻率比較大，選取較小的接地網(wǎng)導體間距比較合適，這里選為5m，接地網(wǎng)埋深為0.6m,則根據(jù)上述條件，建立接地網(wǎng)模型進行仿真，可以得到的接地電阻為1.12Ω，繪制的接地網(wǎng)接觸電壓示意圖如圖3-1所示，其中彩色部分表示接觸電壓超出國標規(guī)定的閥1469 v的位置。

圖3-1 初始設計時接觸電壓超出閥值位置示意圖

由仿真結果可知，該接地網(wǎng)的接地電阻和接觸電壓都超出規(guī)定的閥值，應當對接地網(wǎng)進行優(yōu)化。根據(jù)接地網(wǎng)的優(yōu)化原則可知，當當表層土壤電阻率比深層土壤電阻率大的多，且厚度足夠小時，可以使用深入較深土壤層的垂直接地體來降低接地電阻。根據(jù)該原則，在接地網(wǎng)的外邊緣，每隔10m裝設長度為80m的垂直接地體，再次進行仿真得到的接地電阻為0.45Ω，接觸電壓超出閥值的部分的圖形如圖3-2所示。

圖3-2 優(yōu)化設計后接觸電壓超出閥值位置示意圖

對優(yōu)化后的接地網(wǎng)進行仿真可以看出，該接地網(wǎng)的接地電阻和接觸電壓都滿足國標要求，而且該接地網(wǎng)設計比較規(guī)范，易于施工。

從上述的接地網(wǎng)設計可以看出，該方法不僅能計算接地電阻，而且能繪制接觸電壓等的分布圖，這既能直觀的觀察電壓的分布，又便于分析接觸電壓過大的部位，有利于合理的修改接地網(wǎng)的設計。

3 結論

總之，經(jīng)過上面的分析可以看出，對于接地網(wǎng)的設計，采用仿真的方法來設計接地網(wǎng)具有依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式來設計接地網(wǎng)所不能比擬的巨大優(yōu)勢：利用仿真的方法設計接地網(wǎng)，不僅能提供接地網(wǎng)電壓的具體分布圖，而且便于尋找電壓過大的位置，這使得在對接地網(wǎng)進行優(yōu)化時更加具有針對性，消除了傳統(tǒng)的接地網(wǎng)設計只關注接地電阻而忽略電壓分布的缺點。