高壓試驗室接地系統的設計

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)

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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。

圖1　接地系統在CDEGS軟件中的建模

(2)降低地網的接地阻值

計算得到的接地電阻的阻值(1.103 7 Ω)大于1 Ω，為了降低地網的接地阻值，在原地網設計中再增加17根離子棒接地極，可以有效降低地網接地電阻至0.6 Ω左右。另外，為了減小雜散電容對測量系統的影響，建議在試驗設備的底部使用鐵板鋪墊，測量線路從鐵板上的開口進入地下電纜溝再引入控制室。

4結論

(1)通過建立雙層土壤模型來對高壓試驗室接地網的布局及使用接地材料數量進行準確計算，既能滿足接地阻值的要求，又能對試驗室的最大接觸電壓和最大跨步電壓進行估算，對接地網的施工具有指導意義。

(2)利用實測的土壤電阻率數據，通過CDEGS軟件RESAP模塊計算，估算出設計地網的最大接觸電壓和最大跨步電壓的方法，可以在高壓試驗室等高壓場所的防雷安全設計做模擬計算，準確指導工程施工。

李崇福,蘇靜.Rotronic Hygrolab多路溫濕度數據采集器本地化應用開發[J].陜西氣象，2015(6)：43-44.

(3)利用此法，在雷電防護設計中計算雷擊點附近的最大接觸電壓和最大跨步電壓，量化風險參數，從而有針對性的采取防護措施。

參考文獻：

[1]潘溪淵,曾嶸,何金良,等.變電站站址土壤結構分析[J].清華大學學報:自然科學版,2002,42(3):288-290.

[2]許虎，韓果，徐凱川.利用CDEGS軟件分析埋地金屬對土壤視在電阻率的影響[J]. 湖南電力,2012,36(2):62-64.

作者簡介：李崇福(1963—)，男，河南鞏義人，學士，高級工程師，從事氣象裝備技術保障工作。

收稿日期：2015-04-22

文章編號：1006-4354(2015)06-0043-03

中圖分類號：P429

文獻標識碼：A