變電站接地極電阻建模計(jì)算及特征分析

齊曉朋+馬俊貴

摘 要： 在變電站中，為有效預(yù)防發(fā)生變電站接地故障，利用PSCAD軟件搭建某變電站35 kV電網(wǎng)的電阻仿真模型，通過(guò)建模計(jì)算變電站接地極的電阻大小，并分析其特征，改善變電站接地極電阻設(shè)置方案以確保規(guī)避變電站接地風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，在變電站中，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地更適用于變電站中性點(diǎn)電阻接地方式，在變電站中，經(jīng)建模計(jì)算其接地電阻理論值是1.28 ，但在實(shí)際中為提升變電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，降低造價(jià)成本，可以將電阻設(shè)計(jì)值定為0. 687 ，同時(shí)可以為變電站設(shè)置高阻地面以滿足實(shí)際中變電站安全運(yùn)行的要求，不僅有利于變電站安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，也可使變電站運(yùn)行的安全性提升42.0%。結(jié)論證實(shí)，通過(guò)建模計(jì)算變電站接地極電阻，并分析接地極電阻的特征，有助于設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，預(yù)防變電站接地發(fā)生，產(chǎn)生積極影響。

關(guān)鍵詞： 變電站接地； 特征分析； 建模計(jì)算； 接地極電阻

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）01?0149?03

Abstract： In order to prevent the substation grounding fault， the PSCAD software is used to establish the resistance simulation model of a certain substation 35 kV power grid. The grounding electrode resistance is obtained by means of the modeling calculation， and its features are analyzed. The setting scheme of the substation grounding resistance was improved to avoid the substation grounding risk. The results show that the neutral point grounding through the resistance is suitable for the neutral point resistance grounding mode in substation. The theoretical value of the substation grounding resistance obtained by modeling calculation is 1.28 Ω， and the resistance design value is 0.687 Ω to improve the substation safety operation and reduce the cost. The high resistance ground can be set for the substation to satisfy the requirement of practical substation safety operation， facilitate the substation safe and stable running， and the substation running safety is increased by 42%. The conclusion verifies that the modeling calculation of the substation grounding electrode resistance and the analysis of the grounding electrode resistance features are conducive to the design of the optimization scheme and prevention of the substation grounding situation， and have a positive impact.

Keywords： substation grounding； feature analysis； modeling calculation； grounding electrode resistance

針對(duì)變電站接地極電阻建模及特征分析的相關(guān)問(wèn)題，基于PSCAD軟件，建模計(jì)算變電站接地極電阻大小，并分析接地極電阻特征，優(yōu)化計(jì)算變電站接地電阻值，確保變電站可以正常運(yùn)行。

1 對(duì)變電站接地極電阻進(jìn)行建模分析的意義

目前變電站的接地工程中，如何將接地電阻降至安全限值以下依然是主要的技術(shù)難題之一[1]。近年來(lái)人們開始采用接地模塊作為接地體解決接地降阻難題， 但對(duì)于變電站中由于接地極模塊方面，還缺乏科學(xué)的依據(jù)，在構(gòu)建中存在盲目性，無(wú)形中提升了變電站接地的風(fēng)險(xiǎn)。并且，若是在城市城區(qū)內(nèi)建設(shè)變電站，由于用地面積因素，使得變電站的面積大為縮減，這樣會(huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)不能向四周進(jìn)行伸展，從而在接地極電阻設(shè)置中也將面臨挑戰(zhàn)[2?6]。另外，若是要將變電站建立在多山的區(qū)域，或是在丘陵地帶中，由于當(dāng)?shù)赝寥赖碾娮杪时容^大，若是按常規(guī)的接地電阻設(shè)計(jì)，則不能達(dá)到變電網(wǎng)運(yùn)行中對(duì)接地電阻的要求[7]。為此， 只有強(qiáng)化變電站接地極電阻建模及特征分析工作，通過(guò)對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真模型計(jì)算，對(duì)變電站接地極電阻進(jìn)行建模計(jì)算[8?12]，設(shè)置出合理的變電站接地極電阻值，發(fā)揮積極的實(shí)用意義。

2 變電站項(xiàng)目概況

2.1 基本資料

對(duì)于本次研究中，選擇的變電站位于某山區(qū)境內(nèi)。并且，對(duì)于該變電站項(xiàng)目，其占地面積能夠達(dá)到80 m×70 m，并對(duì)變電站周圍地質(zhì)進(jìn)行勘察，證實(shí)所建變電站區(qū)域的地貌是侵蝕堆積的坡地地貌，并且也存在緩坡地帶。同時(shí)，變電站中場(chǎng)地的覆蓋土層都是由粘土以及含礫粉粘土組成的，根據(jù)場(chǎng)地土壤電阻率測(cè)試報(bào)告顯示，在變電站的整個(gè)場(chǎng)地中，南面電阻率高于北面，因此在建設(shè)變電站的過(guò)程中，應(yīng)該強(qiáng)化接地極電阻的設(shè)計(jì)規(guī)范，以保證變電站運(yùn)行安全。

2.2 分析變電站接地極的短路電流

對(duì)于變電站中，其主要接地極參數(shù)包括接地電阻、接觸電壓、跨步電壓、網(wǎng)孔電壓及接地網(wǎng)上面的地表電位分布等。計(jì)算一般是基于如下原始參數(shù)進(jìn)行的：

（1） 接地系統(tǒng)的形狀、尺寸布置圖；

（2） 接地系統(tǒng)所處土壤的特性（土壤電阻率及分層情況）；

（3） 注入接地系統(tǒng)的電源特性，如電源的頻幅值及波形。

3 建模計(jì)算變電站接地極電阻

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

利用接地計(jì)算軟件PSCAD對(duì)接地模塊的降阻率進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)變電站接地極電阻進(jìn)行建模計(jì)算。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地建模布置如圖1所示。

以石墨材質(zhì)得出的電阻值為理論電阻值，接地極電阻材質(zhì)如表1所示。

同時(shí)，以有限元工具ANSYS和接地分析軟件PSCAD為工具，計(jì)算不同接地極電阻特征下變電站接地極的電阻大小。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1） 分析接地極電阻特征

變電站接地極電阻建模特征分析結(jié)果，如圖2所示。

通過(guò)對(duì)圖2分析可知，將石墨與扁鋼進(jìn)行組合作為接地極電阻材料，把它們相連后作為電阻元件，此時(shí)變電站中接地極整體的電阻產(chǎn)生較大的幅度變化，主要就是由于將扁鋼埋入到土壤中，由于季節(jié)變化因素以及電阻材質(zhì)接觸因素的影響，從而使變電站接地極的電阻大小產(chǎn)生波動(dòng)。經(jīng)證實(shí)，運(yùn)用由石墨組合構(gòu)成的接地極電阻材料，其電阻較為穩(wěn)定，可以發(fā)揮積極影響。

（2） 建模計(jì)算變電站接地極電阻值

在實(shí)際變電站接地極電阻設(shè)置中，可以采取提高接地極地面電阻率的措施確保變電站安全運(yùn)行；同時(shí)，保證變電站接地極的電阻小于1.28這樣可以提升變電站的運(yùn)行安全性。

4 分析變電站接地極電阻特征

4.1 特征分析

在變電站實(shí)際運(yùn)行中，由于其接地極往往連接著高低壓電氣設(shè)備、低壓用電等設(shè)備的接線，降低電網(wǎng)接地電阻可以確保電網(wǎng)安全運(yùn)行。若接地極的電阻過(guò)大，則容易在變電站發(fā)生接地故障，在出現(xiàn)大電流入地時(shí)，使得變電站接地的電位發(fā)生異常升高，從而導(dǎo)致變電網(wǎng)接地系統(tǒng)的電位不能均勻分布，以至于變電站監(jiān)測(cè)控制設(shè)備拒動(dòng)，影響變電站運(yùn)行的安全性，給變電站帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于分析變電站接地極電阻特征方面，由于電阻元件是一種發(fā)揮電阻作用的材料，若采取扁鋼作為電阻，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹日曬，容易使接地極電阻扁鋼材料與地面土壤連接處產(chǎn)生腐蝕，從而增加變電站的接地風(fēng)險(xiǎn)，使變電站發(fā)生接地故障。應(yīng)用石墨組合材質(zhì)構(gòu)建接地極電阻，經(jīng)過(guò)建模分析，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，較少會(huì)受到季節(jié)、接觸狀況等因素的影響，會(huì)在表層出現(xiàn)一些淺表腐蝕情況，不會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，依然可以發(fā)揮降阻作用，發(fā)揮變電站接地極電阻的質(zhì)量，有效維護(hù)變電站的安全可靠運(yùn)行。

4.2 實(shí)現(xiàn)接地極降阻的方案

隨著當(dāng)前我國(guó)電力變電站事業(yè)的不斷發(fā)展，變電站接地極的電阻越來(lái)越大，難以降低變電站接地電阻，極易增加變電站接地風(fēng)險(xiǎn)，為此，應(yīng)該根據(jù)接地極電阻特征，采用合理的降阻措施，保證變電站接地電阻滿足實(shí)際運(yùn)行要求。對(duì)于實(shí)際變電站的接地控制方案需要考慮到周邊環(huán)境的影響，利用打斜井的方式解決接地電阻的問(wèn)題。具體方法是在變電站四個(gè)角上向外打四口斜井，每口斜井長(zhǎng)度不小于80 m，斜井站位深度不小于5 m，斜井方向及位置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。斜井內(nèi)采用與主網(wǎng)接地相同的材料作為接地極，并與主網(wǎng)聯(lián)接起來(lái)，最后在斜井內(nèi)采用接地增強(qiáng)劑進(jìn)行回填，以保證接地極與周圍土壤間的良好接觸。

同時(shí)，也可以在變電站的接地極周圍敷設(shè)一些降阻劑，這樣能夠增大接地極電阻的外形尺寸，從而降低變電站與接地網(wǎng)接觸過(guò)程中局部土壤的電阻率，降低變電站接地極與土壤產(chǎn)生的接觸電阻，從而降低接地極電阻，確保變電站安全運(yùn)行。

5 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)建模計(jì)算變電站接地極電阻，并分析接地極電阻特征，對(duì)于變電站的接地極電阻建模分析中，經(jīng)建模計(jì)算出理論上變電站的接地極電阻是1.28然后經(jīng)進(jìn)一步建模計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)電阻值，使其接地極電阻控制在0.687，不僅可以降低變電站建設(shè)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)投入，同時(shí)根據(jù)電站的電阻特征，做好局部的高阻地面，也可以避免變電站安全事故的發(fā)生，有效滿足實(shí)際中變電站的運(yùn)行要求，有助于設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，預(yù)防變電站接地發(fā)生，產(chǎn)生積極影響。

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