高壓試驗室接地系統的設計

2016-01-19 00:30:40楊碧軒來文娟張彥濤

陜西氣象 2015年6期

楊碧軒，來文娟，張彥濤

(1.陜西省防雷中心，西安　710014；2.陜西華安防雷工程技術有限責任公司，西安　710014)

高壓試驗室接地系統的設計

楊碧軒1，來文娟2，張彥濤2

(1.陜西省防雷中心，西安710014；2.陜西華安防雷工程技術有限責任公司，西安710014)

摘要：以高壓實驗室為例介紹了一種高壓場所地網設計的方法。通過建立雙層土壤模型結構，利用四級法測量多組視在土壤電阻率，構建最優化目標函數，求解確定土壤參數；再根據土壤參數，利用CDEGS軟件中的建模，來估算接地系統的組織及最大接觸電壓、最大跨步電壓來指導工程施工。

關鍵詞：接地系統；最大接觸電壓；最大跨步電壓

接地系統是保障電力系統正常運行，防止人身電擊事故，預防電氣火災，防止雷擊和靜電損害人民生命與財產安全的基本措施。但實際上理想的接地裝置(阻值為零)是不存在的，在通信站、軍事設施、變電站建設中，對接地系統設計不僅僅有接地電阻值的要求，常常還有最大接觸電壓和最大跨步電壓的要求，如何在接地系統的建設中滿足這些要求，結合實際工作的一些做法和經驗進行分析探討。

1高壓試驗室接地要求分析

根據DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》規定，在確定發電廠、變電站的接地系統的形式和布置時，應降低接觸電壓和跨步電位并達到安全值以下。對于有效接地和低電阻接地系統的電氣裝置保護接地電阻要求滿足R<2 000/I(R為參考了季節變化的最大接地電阻，I為流經接地裝置的入地短路電流)。可以看出，接地電阻的數值不是一個具體的規定值，而是由最大入地電流的大小所決定的。確定接地系統的安全阻值，主要需要考慮兩個問題：① 如果出現高壓閃絡，最大的入地電流會造成多高的地電位抬升；②在試驗期間工作區的人員安全問題。

2土壤雙層模型

2.1四級法和視在土壤電阻率

對于均勻土壤，四級法測出的土壤電阻率

(1)

其中，R是電壓級電壓V與電流級間流過的電流I之比,a是測量電極之間的間距。R的值可以用接地電阻儀直接測出。對于雙層土壤模型，利用四級法測出的土壤電阻率為視在電阻率[2]。根據四級法測量的土壤視在電阻率與上層土壤電阻率、土壤的折射系數以及上層土壤的厚度存在關系式

(2)

其中，n為鏡像的次數。在實際計算中，n取10～20即可。

2.2雙層土壤參數的計算方法

2.2.1RESIST法為了確定雙層土壤模型參數，運用最優化原理定義最優化目標函數

(3)

ρa(aj)為有限表達式決定的視在電阻理論值。當fφ(ρ1，k,h)極小時，所求得的ρ1、k和h值就是該土壤模型的最優解。對于這樣一個無約束的極小化問題，可以采用快速下降法進行求解。

2.2.2SPET法對公式(3)進行適當修正后，土壤視在電阻率還可以改變表達形式。

當ρ2>ρ1時，

(4)

其中，vb=ρ1[-k-ln(1-k)]/(2πh),

c=16.413 3(ln(ρ2/ρ1))0.393468，

β=2.0-0.136 074ln(ρ2/ρ1)。

當ρ2<ρ1時，

ρa=ρ2+(ρ1-ρ2)[2e-b(a)a-e-b(a)2a]，

其中，b(a)=[bm-(bm-0.673 191)e-0.479 512a/h]/h，

bm=1.333 35-0.882 645(ρ2/ρ1)0.697 106。

(5)

根據優化目標函數，可以使用相同的方法或者遺傳算法等優化算法對上式進行最小化，從而得出所對應土壤的各個參數。

3高壓試驗室接地網的設計

以西安某高壓試驗室為例介紹高壓試驗室接地網的設計。該試驗室是進行高壓測試和模擬的試驗室，試驗室配備有500 kV工頻試驗變壓器、1 200 kV沖擊電壓發生器和±600 kV直流高壓發生器各一臺。由于試驗室一側靠近山邊，一側靠近公路，土壤結構復雜，土壤下層為巖石。為了防止低電位反擊和使用設備產生靜電感應，必須給該試驗室設計獨立的接地網。

3.1土壤電阻率的測量

采用四級法分別測量試驗室所在地兩側的土壤電阻率，測量儀器采用ZC29B-2型接地電阻測試儀,測量時已連續3 d晴天，測試結果見表1和表2。

表1　公路側土壤電阻率測試結果

表2　靠山側土壤電阻率測試結果

根據測量結果，在靠公路一側土壤宜分為兩層考慮，0～4 m范圍土壤電阻率變化較快，可取45 Ω/m，4 m以下取8 Ω/m；靠山一側土壤電阻率明顯大于公路側，其原因可能是地下構成為巖石。若也分為兩層考慮，則0～3 m范圍土壤電阻率可取150 Ω/m,3 m以下取120 Ω/m。

3.2地網接地電阻等的計算

(1)接地電阻值、最大接觸電壓和最大跨步電壓的計算

利用靠山一側實測的土壤電阻率數據，通過CDEGS軟件(CDEGS軟件是由加拿大SES公司開發，解決電力系統接地、電磁場和電磁干擾等工程問題的強大工具軟件，并可以解決陰極保護等問題。)的RESAP模塊計算得到所需地網模型(見圖1)。考慮季節因素，上層土壤電阻率取152.7 Ω/m，上層土壤厚度取2.8 m，下層土壤電阻率取24.7 Ω/m。入地電流為10 A，計算得到的接地電阻為1.103 7 Ω，最大接觸電壓和最大跨步電壓分別8.247 V和3.435 V。