基于變電站接地網雷電沖擊暫態特性的研究

梁湛原

摘 要：接地網對變電站的安全運行起著重要的作用，其接地性能一直是設計和生產運行部門關注的重要點。采用接地分析軟件CDEGS搭建了接地網雷電沖擊暫態響應計算模型，分析了雷電流注入點、接地網參數和土壤結構對雷電沖擊下接地網暫態電位的影響規律。研究發現，減小網格間距有利于減小地網沖擊特性參數，當網格間距從20 m縮短到10 m時，地網沖擊特性參數下降比較明顯。

關鍵詞：CDEGS軟件；變電站；接地網；雷擊沖擊；

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.105

隨著我國電網的發展，變電站越來越多地采用了HGIS、戶內或戶外GIS等緊湊型配電裝置，變電站的面積越來越小，使變電站接地設計的多種問題越來越明顯。本文介紹了一種先進的CDEGS軟件，可監測電流分布、電磁場、接地、土壤結構等，用于精確分析接地、電磁場、電磁干擾（包括降低交流/直流干擾、陰極保護和陽極床分析）等問題。在CDEGS軟件中，變電站地網雷擊暫態計算的過程分為雷電波頻域分解、地網電磁場頻域響應計算、地網電磁場頻域響應計算。為了反映雷擊暫態對人身地網的威脅，必須在CDEGS中對地網沖擊接地電阻、最大電位升、接地網地表電位和接觸電壓數值進行分析。

1 變電站地網雷擊暫態的計算方法

1.1 網格間距的影響

運用CDEGS軟件建立200 m×200 m的地網模型，分別在接地網中心（A點）、角點（B點）、邊緣中點（C點）注入雷電流，計算不同間距條件下地網沖擊特性參數，分析網格間距對地網雷電沖擊特性的影響。

利用CDEGS軟件計算網格間距為3 m、5 m、8 m、10 m、12 m、15 m、20 m時的接地網雷擊特性參數，隨著網格間距的增大，地網沖擊特性參數均增大。從地網中心注入雷電流時，其沖擊特性參數最小，從地網角點注入雷電流時，沖擊特性參數最大。當網格間距從3 m增大到8 m時，雖然減小了雷電流的散流通道，但地網電感效應減弱，地網沖擊特性參數變化幅值較小；當網格間距增大到10 m之后，繼續增大網格間距，接地網散流導體減少，沖擊接地電阻、地網最大電位升、跨步電壓、接觸電壓等沖擊特性參數均明顯增大。

1.2 地網雷擊的有效面積

在雷電流沖擊電流的作用下，由于變電站接地網呈現出明顯的電感效應，地網接地性能在工頻電流的作用下產生了不同。雷電流注入接地網時，只能在一定的范圍內散流，即存在地網雷擊有效面積，以（10～100 m）×（10～100 m）地網為例，網格為10 m×10 m時角點注入雷電流，網格為5 m×5 m時中點注入雷電流，并設地網注流點為坐標原點，水平方向為x軸，垂直方向為y軸，具體如圖1所示。仿真計算參數如表1所示。

隨著地網面積的增加，沖擊接地電阻和地網最大電位升逐漸降低，并趨于飽和。對于邊長為5 m的網格，當地網邊長為10 m時，沖擊接地電阻為7.69 Ω，地網最大電位升為384.31 kV。當地網邊長為30 m時，沖擊接地電阻降為3.76 Ω，地網最大電位升下降為188.12 kV，下降幅度為51.1%；繼續增大地網面積，沖擊接地電阻和地網最大電位升下降幅度很小，變化幅度小于5%.

對于邊長為10 m的網格，當地網邊長為10 m時，沖擊接地電阻為10.02 Ω，地網最大電位升為500.9 kV；當地網邊長為30 m時，沖擊接地電阻降為9.56 Ω，地網最大電位升下降為472.5 kV，下降了10.6%；繼續增大地網面積，沖擊接地電阻和地網最大電位升下降幅度小于5%.因此，地網雷擊有效面積為30 m×30 m。

1.3 垂直接地體的影響

通過對地網雷擊有效面積的分析可知，雷電流主要在注流點附近30 m×30 m 的范圍內散流，增大地網面積對改善接地網的雷擊沖擊特性的意義不大。在此情況下，可以考慮在注流點附近增設短垂直接地極來增加雷電流散流通道，從而改善接地網的雷擊沖擊特性。以200 m×200 m接地網為例，網格間距為10 m，在注流點周圍15 m的范圍內增設2.5 m長的垂直接地體，a點即為注流點位置，b點與注流點空間、電氣的距離為10 m，c 點距注流點空間的距離為14.41 m，距電氣的距離為20 m，分別在a點、b點、c點以及多點位置組合安裝垂直接地體，運用CDEGS軟件建立地網模型，仿真分析垂直接地體對地網雷擊特性的影響。

仿真計算安裝垂直接地體前、后變電站地網沖擊接地電阻、地網最大電位升以及地表最大電位升如表2所示。加裝垂直接地體對地網沖擊接地電阻和地網電位升影響非常小。加裝垂直接地體前地網的沖擊接地電阻和地網最大電位升分別為4.974 Ω 和248.7 kV，加裝3根2.5 m長的垂直接地極后，地網沖擊接地電阻和地網最大電位升分別為4.952 Ω 和247.6 kV，下降了0.4%.在注流點周圍加裝垂直接地體可降低地表電位，加裝垂直接地體前地表最大電位為189.8 kV，注流點周圍加裝2根垂直接地體后，地表最大電位為175.57 kV，下降了7.3%.

加裝垂直接地體前后，變電站內跨步電壓和接觸電壓變化情況如表3所示。

加裝垂直接地體前、后對接觸電壓的影響很明顯。在不裝垂直接地體的情況下，最大接觸電壓為118.49 kV，在a點與b點之間加裝2根垂直接地體后，最大接觸電壓下降幅度最大，降至88.798 kV，下降了25.06%.

2 結束語

綜上所述，CDEGS是國際領先的接地設計軟件，完全秉承IEEE設計規范，設計成果易于被國際同行理解和采納，有著廣泛的應用前景。通過上述仿真結果可得，雷電流從地網中心注入時地網沖擊特性參數最小，地網角點注流時雷電沖擊特性參數最大。減小網格間距有利于降低地網沖擊特性參數，當網格間距從20 m縮短到10 m時，地網沖擊特性參數下降比較明顯；繼續縮短網格間距，雖然增加了雷電流散流通道，但地網電感效應增強，地網沖擊特性參數下降幅度變小；加裝垂直接地體，對接觸電壓影響明顯。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕