變電站地網參數的仿真計算與分析

摘 要：地網參數的計算直接關系到變電站的安全穩定運行與運檢人員的人身安全。文章運用實驗室基于恒定電流場理論、表面電荷法等理論編制的計算地網參數的FORTRAN編程，根據某220kV變電站地網結構圖，計算了其地網參數。將計算結果導入ORIGIN軟件繪制出地網的地面電位色階圖、地面電位三維圖、電位梯度三維圖，使得計算結果更加的直觀。計算結果可用于評估該變電站設計的合理性以及可靠性，為該站故障分析、地網改造、防護優化提供參考意見，為后續變電站的地網設計提供指導。

關鍵詞：地網參數；FORTRAN；ORIGIN；地面電位

引言

變電站、換流站是整個電力系統的心臟，其安全、穩定、高效運行與國民經濟和人民生活息息相關[1]。地網是變電站（換流站）安全穩定可靠運行的守護神，它直接關系到變電站巡檢人員的人身安全。地網的接地參數（地面電位分布、電位梯度分布等）的計算對地網設計、電站絕緣驗證、變電站的連續運行和巡檢人員人身安全具有十分關鍵的意義。

文章根據實驗室基于恒定電流場理論、表面電荷法編制的可用于計算任意復雜變電站、換流站地網參數的FORTRAN程序[2～4]，對某220kV變電站實際工程進行計算，得出了地面參數，并導入ORIGIN程序得出接地網電位和梯度分布的三維圖，可以更加直觀的評估地網設計的合理性與安全性，對地網的設計、建設、改造、維護具有重要的工程實用價值。

1 交流變電站地網參數計算

1.1 接地電阻的計算

220kV某變電站地網結構如圖1。圖中圓圈以及×分別代表3.5m、2.5m垂直接地體，其他代表水平接地體。地網埋深0.8m，變電站右上角帽檐式均壓帶埋深由內及外依次為0.8m、1.6m、2.4m，土壤電阻率450？贅？鄢m，恒定電流為10kA。將地網導體半徑、導體長度等數據導入已編制的程序進行計算，計算結果如表1。

實驗室試驗受到儀器精確度、儀器布置準確度等一系列不確定性因素影響，與實際值有細小誤差。由表1可知，實驗室比例模型測量和程序計算之間的誤差在0.9%左右，計算結果與試驗結果的高度吻合可以驗證程序計算接地電阻的可行性與正確性。

1.2 地面電位計算

運用已經編制的程序計算該220kV交流變電站地面電位情況。計算結果如圖2、3、4。X、Y、Z軸分別表示地網橫坐標、縱坐標、相應坐標點電位。計算步長選擇0.25米，計算步長越小計算結果精度越高，但是步長過小會使得程序死循環，引起死循環的本質原因是過小的計算步長會引起恒定電流場相關數學方程無解。圖2中不同的顏色代表不同的電位，單位是伏特。由圖可知，電位分布與地網分布相似，呈現出矩形網格狀，網格中心點電位比網格線上電位低，這是屏蔽效應的結果；變電站右上角大門處，地面電位變化比較平緩，且圖3顯示此處電位較低，圖4顯示此處電位梯度不大，這是設置了帽檐式均壓帶的結果。

從圖3可以看出除右上角外地面電位總體變化均勻；X=200，Y=350處，地面電位最大，最大值為16000V，是因為此處垂直接地體布置較多，地網結構較復雜的原因，另外也可以說明地網并不是接地體越多，梯度電壓越低。

從圖4可以看出整個變電站的地面電位梯度變化總體均勻、較低，但是在地網四周有突出毛刺（表示電位梯度較高），是因為此處位于變電站地網的邊界，地網與非地網結構連接處引起的電位升使得此處電位梯度較大。

2 結束語

（1）對比實驗室試驗計算電阻和程序計算接地電阻驗證了程序的合理性和正確性；（2）文章程序可以計算規則矩形地網、不規則地網、圓形地網（如帽檐式均壓帶），實用性較強；（3）圖1中變電站計算得到的接地電取降低電阻的措施，可以考慮和相鄰地網并聯或者增加地網面積等措施；為防止轉移電位引起的危害，對可能將接地網的高電位引向站外或將低電位引向站內設施，進一步采取隔離措施；（4）地網分界點處電位梯度較高，可以借鑒圓形均壓帶降壓的措施進行地網改進，也可以在分界點鋪設電阻率較高的礫石、碎石等介質。

參考文獻

[1]周浩.特高壓交直流輸電技術[M].杭州：浙江大學出版社，2014.

[2]王士鑫，任小花，繆志農.220kV變電站接地網的安全性分析[J].電測與儀表，2014，51（4）：96-101.

[3]羅曉雪，周文樂，邱宏烈.變電站接地網地面電位分布計算[J].現代電力，2010，27（5）：30-34.

[4]任小花.沖擊電流作用下電力接地網的安全性研究[D].西華大學，2010.

作者簡介：李雍（1990-），男，西華大學碩士研究生，主要從事電力系統防雷與接地技術方面的研究。