變電站接地極電阻建模計算及特征分析

齊曉朋+馬俊貴

摘 要： 在變電站中，為有效預防發生變電站接地故障，利用PSCAD軟件搭建某變電站35 kV電網的電阻仿真模型，通過建模計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置方案以確保規避變電站接地風險。結果表明，在變電站中，中性點經電阻接地更適用于變電站中性點電阻接地方式，在變電站中，經建模計算其接地電阻理論值是1.28 ，但在實際中為提升變電站建設的經濟性，降低造價成本，可以將電阻設計值定為0. 687 ，同時可以為變電站設置高阻地面以滿足實際中變電站安全運行的要求，不僅有利于變電站安全、穩定的運行，也可使變電站運行的安全性提升42.0%。結論證實，通過建模計算變電站接地極電阻，并分析接地極電阻的特征，有助于設計優化方案，預防變電站接地發生，產生積極影響。

關鍵詞： 變電站接地； 特征分析； 建模計算； 接地極電阻

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

針對變電站接地極電阻建模及特征分析的相關問題，基于PSCAD軟件，建模計算變電站接地極電阻大小，并分析接地極電阻特征，優化計算變電站接地電阻值，確保變電站可以正常運行。

1 對變電站接地極電阻進行建模分析的意義

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難題之一[1]。近年來人們開始采用接地模塊作為接地體解決接地降阻難題， 但對于變電站中由于接地極模塊方面，還缺乏科學的依據，在構建中存在盲目性，無形中提升了變電站接地的風險。并且，若是在城市城區內建設變電站，由于用地面積因素，使得變電站的面積大為縮減，這樣會導致接地網不能向四周進行伸展，從而在接地極電阻設置中也將面臨挑戰[2?6]。另外，若是要將變電站建立在多山的區域，或是在丘陵地帶中，由于當地土壤的電阻率比較大，若是按常規的接地電阻設計，則不能達到變電網運行中對接地電阻的要求[7]。為此， 只有強化變電站接地極電阻建模及特征分析工作，通過對變電站現場實驗測量與仿真模型計算，對變電站接地極電阻進行建模計算[8?12]，設置出合理的變電站接地極電阻值，發揮積極的實用意義。

2 變電站項目概況

2.1 基本資料

對于本次研究中，選擇的變電站位于某山區境內。并且，對于該變電站項目，其占地面積能夠達到80 m×70 m，并對變電站周圍地質進行勘察，證實所建變電站區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，變電站中場地的覆蓋土層都是由粘土以及含礫粉粘土組成的，根據場地土壤電阻率測試報告顯示，在變電站的整個場地中，南面電阻率高于北面，因此在建設變電站的過程中，應該強化接地極電阻的設計規范，以保證變電站運行安全。

2.2 分析變電站接地極的短路電流

對于變電站中，其主要接地極參數包括接地電阻、接觸電壓、跨步電壓、網孔電壓及接地網上面的地表電位分布等。計算一般是基于如下原始參數進行的：

（1） 接地系統的形狀、尺寸布置圖；

（2） 接地系統所處土壤的特性（土壤電阻率及分層情況）；

（3） 注入接地系統的電源特性，如電源的頻幅值及波形。

3 建模計算變電站接地極電阻

3.1 實驗設置

利用接地計算軟件PSCAD對接地模塊的降阻率進行仿真計算，對變電站接地極電阻進行建模計算。實驗場地建模布置如圖1所示。

以石墨材質得出的電阻值為理論電阻值，接地極電阻材質如表1所示。

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

3.2 實驗結果分析

（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果，如圖2所示。

通過對圖2分析可知，將石墨與扁鋼進行組合作為接地極電阻材料，把它們相連后作為電阻元件，此時變電站中接地極整體的電阻產生較大的幅度變化，主要就是由于將扁鋼埋入到土壤中，由于季節變化因素以及電阻材質接觸因素的影響，從而使變電站接地極的電阻大小產生波動。經證實，運用由石墨組合構成的接地極電阻材料，其電阻較為穩定，可以發揮積極影響。

（2） 建模計算變電站接地極電阻值

在實際變電站接地極電阻設置中，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行；同時，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

在變電站實際運行中，由于其接地極往往連接著高低壓電氣設備、低壓用電等設備的接線，降低電網接地電阻可以確保電網安全運行。若接地極的電阻過大，則容易在變電站發生接地故障，在出現大電流入地時，使得變電站接地的電位發生異常升高，從而導致變電網接地系統的電位不能均勻分布，以至于變電站監測控制設備拒動，影響變電站運行的安全性，給變電站帶來經濟損失。對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揮電阻作用的材料，若采取扁鋼作為電阻，經過長時間的風吹日曬，容易使接地極電阻扁鋼材料與地面土壤連接處產生腐蝕，從而增加變電站的接地風險，使變電站發生接地故障。應用石墨組合材質構建接地極電阻，經過建模分析，在長時間運行中，較少會受到季節、接觸狀況等因素的影響，會在表層出現一些淺表腐蝕情況，不會造成鋼結構腐蝕，依然可以發揮降阻作用，發揮變電站接地極電阻的質量，有效維護變電站的安全可靠運行。

4.2 實現接地極降阻的方案

隨著當前我國電力變電站事業的不斷發展，變電站接地極的電阻越來越大，難以降低變電站接地電阻，極易增加變電站接地風險，為此，應該根據接地極電阻特征，采用合理的降阻措施，保證變電站接地電阻滿足實際運行要求。對于實際變電站的接地控制方案需要考慮到周邊環境的影響，利用打斜井的方式解決接地電阻的問題。具體方法是在變電站四個角上向外打四口斜井，每口斜井長度不小于80 m，斜井站位深度不小于5 m，斜井方向及位置可以根據現場情況進行適當調整。斜井內采用與主網接地相同的材料作為接地極，并與主網聯接起來，最后在斜井內采用接地增強劑進行回填，以保證接地極與周圍土壤間的良好接觸。

同時，也可以在變電站的接地極周圍敷設一些降阻劑，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接觸過程中局部土壤的電阻率，降低變電站接地極與土壤產生的接觸電阻，從而降低接地極電阻，確保變電站安全運行。

5 結 論

綜上所述，通過建模計算變電站接地極電阻，并分析接地極電阻特征，對于變電站的接地極電阻建模分析中，經建模計算出理論上變電站的接地極電阻是1.28然后經進一步建模計算，優化設計電阻值，使其接地極電阻控制在0.687，不僅可以降低變電站建設過程中的經濟投入，同時根據電站的電阻特征，做好局部的高阻地面，也可以避免變電站安全事故的發生，有效滿足實際中變電站的運行要求，有助于設計優化方案，預防變電站接地發生，產生積極影響。

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