雙層接地網(wǎng)敷設(shè)及其性能仿真研究

蘭正平 鄭全新 鄭健

摘 要：雙層接地網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)改善接地系統(tǒng)的接地性能、節(jié)省土地資源、減小變電站的規(guī)劃面積等均具有十分重要的意義。本文采用CDEGS仿真軟件對(duì)不同條件下的雙層地網(wǎng)的接地性能進(jìn)行了仿真、分析并得出結(jié)論，為雙層接地網(wǎng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雙層接地網(wǎng)；接地性能；比較研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.124

為保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行，滿足安全需要，須將電力系統(tǒng)中電源中性點(diǎn)及某些電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分經(jīng)接引下線連接到接地極，即電氣接地，電氣接地系統(tǒng)成為維持電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，確保人身安全的基本技術(shù)措施。隨著我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高電壓等級(jí)的電力網(wǎng)成為現(xiàn)今電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的方向。大容量、高電壓等級(jí)的電力網(wǎng)一旦發(fā)生接地短路故障，巨大的短路流必將引起地面電位異常升高，進(jìn)而產(chǎn)生跨步電壓，嚴(yán)重威脅人身安全，同時(shí)造成電氣設(shè)備損毀，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失并影響電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

1 雙層接地網(wǎng)的應(yīng)用性與敷設(shè)方法

由于土地資源緊張，變電站盡量選址盡量偏僻，占地面積也受到限制，僅依靠水平接地網(wǎng)很難在選址范圍內(nèi)構(gòu)造符合設(shè)計(jì)要求的接地體。在丘陵地區(qū)的山坡地帶建設(shè)變電站，利用山坡和凹地的有利地形構(gòu)建雙層接地網(wǎng)，或在城市環(huán)網(wǎng)的箱式變電站處采用雙層接地網(wǎng)，能解決由于墊土層形成的雙層土壤的親和問(wèn)題，有效的降低接地電阻。

具體做法是：在原土層敷設(shè)下層接地網(wǎng)，下層土壤電阻率低，基本達(dá)到低接地電阻的目的。同時(shí)，在填土層做施用降阻劑，敷設(shè)上層地網(wǎng)，降低跨步電壓和接觸電勢(shì)。

2 雙層接地網(wǎng)模型構(gòu)建及其仿真分析

本文應(yīng)用常用的分析接地問(wèn)題和電磁場(chǎng)、電磁干擾問(wèn)題的專用CDEGS軟件，采用選取接地體的幾何尺寸、接地體的敷設(shè)深度、接地網(wǎng)格的疏密程度等參數(shù)，構(gòu)建的雙層接地網(wǎng)模型，并進(jìn)行了模擬仿真，分析不同參數(shù)條件下的接地體對(duì)接地性能的影響。本研究中采用雙層土壤結(jié)構(gòu)形式，其中上層土壤電阻率為2000Ω·m，下層土壤電阻率為400Ω·m，網(wǎng)格間距為10m，導(dǎo)體半徑為1cm。

2.1 構(gòu)建不同敷設(shè)深度的接地網(wǎng)模型及其仿真分析

構(gòu)建模型：構(gòu)建下層接地網(wǎng)深度為4米、6m、8m、12m四種不同接地網(wǎng)模型，分析研究在不同土壤厚度時(shí)，接地電阻、跨步電壓、接觸電勢(shì)等接地性能變化的趨勢(shì)。

比較研究：當(dāng)下層地網(wǎng)未達(dá)到土壤低電阻率區(qū)域時(shí)，接地電阻隨敷設(shè)深度的變化曲線平滑而且明顯。因?yàn)楫?dāng)上下層地網(wǎng)距離較近時(shí)，上下層地網(wǎng)的散流區(qū)域相重疊，降阻的效果不明顯；隨著敷設(shè)深度的增加，上下層地網(wǎng)的間距變大，屏蔽效應(yīng)減弱，接地電阻明顯降低，當(dāng)下層地網(wǎng)敷設(shè)在土壤低電阻率區(qū)域時(shí)，接地電阻下降尤為明顯，隨著地網(wǎng)敷設(shè)深度的增加，接地電阻曲線漸趨飽和。原因是，隨著上下層地網(wǎng)距離增加，屏蔽效應(yīng)變?nèi)酰蚁聦拥鼐W(wǎng)已處于土壤低電阻率區(qū)域，下層地網(wǎng)的降阻作用占主導(dǎo)地位。雙層接地網(wǎng)的均壓特性的變化趨勢(shì)與接地電阻的變化趨勢(shì)基本一致。下層地網(wǎng)在上層土壤高電阻率區(qū)域時(shí)，增加下層地網(wǎng)敷設(shè)深度，均壓特性性能可得到一定改善；當(dāng)下層地網(wǎng)剛到達(dá)土壤低電阻率區(qū)域時(shí)，性能得到極大改善，之后便不再隨敷設(shè)深度的增加而變化，即趨于飽和。

2.2 構(gòu)建不同土壤電阻率的接地網(wǎng)模型及其仿真分析

構(gòu)建模型：選取下層接地網(wǎng)土壤電阻率分別為200Ω·m、400Ω·m、600Ω·m、1 000Ω·m時(shí)的影響。

比較研究：當(dāng)上層土壤電阻率高于下層土壤電阻率時(shí)，滿足下層接地網(wǎng)剛到達(dá)下層土壤低電阻率區(qū)域時(shí)的理想狀態(tài)，之便趨于飽和。與不同上層土壤厚度時(shí)的接地網(wǎng)均壓性能特性曲線和降阻性能特性曲線變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于一般接地體，增加其埋設(shè)深度，都能在一定程度上降低接地電阻。由于增加接接地網(wǎng)敷設(shè)深度使接地體距離增加，擴(kuò)大了接地體的散流截面積，達(dá)到降阻的效果；當(dāng)敷設(shè)深度達(dá)到一定值時(shí)，接地體的散流面積已足夠大，再增加散流面積，其增加影響就不會(huì)太大，降阻性能也趨于飽和。由于上下層接地網(wǎng)的屏蔽效應(yīng)和下層土壤低電阻率區(qū)域的影響，增大下層接地網(wǎng)埋設(shè)深度對(duì)改善接地網(wǎng)接性能十分明顯，當(dāng)下層接地網(wǎng)剛到達(dá)下層低電阻率土壤區(qū)域時(shí)，接地性能的出現(xiàn)突變，之后隨著上下層接地網(wǎng)間距的增大，繼續(xù)增大上下層接地網(wǎng)間距時(shí)屏蔽效應(yīng)的減弱并不明顯。從經(jīng)濟(jì)性及施工難度角度考慮，下層接接地網(wǎng)只須敷設(shè)在下層土壤低電阻率區(qū)域即可，為改善接地性能而繼續(xù)增加敷設(shè)深度的效果并不明顯。

2.3 不同敷設(shè)面積的接地網(wǎng)模型及其仿真分析

構(gòu)建模型：選取上述四種下層土壤電阻率，在不同下層接地網(wǎng)面積的條件下，分析接地電阻、跨步電壓、接觸電勢(shì)等接地性能隨接地網(wǎng)面積（選取60×60、100×100、120×120、140×140（m2）四種下層接地網(wǎng)面積）的變化規(guī)律。

比較研究：通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)接地電阻大小與下層接地網(wǎng)的邊長(zhǎng)成反比，增加下層接地網(wǎng)的面積能降低接地電阻。當(dāng)下層接地網(wǎng)面積小于上層接地網(wǎng)面積時(shí)，增大接地網(wǎng)面積具有一定的均壓效果。初始時(shí)增大接地網(wǎng)面積，均壓效果比較明顯，隨后均壓效果逐漸趨于平緩；下層接地網(wǎng)面積與上層接地網(wǎng)面積差不多時(shí)，增大接地網(wǎng)面積的均壓效果最好；下層接地網(wǎng)面積遠(yuǎn)大于上層接地網(wǎng)面積時(shí)，增加下層接地網(wǎng)的面積，均壓效果會(huì)趨于飽和。從降阻的效果方面研究，增加下層接地網(wǎng)面積具有較好的降阻效果。通過(guò)比較研究可得出結(jié)論：降阻的效果是由上下兩層接地網(wǎng)共同決定的，上下層土壤電阻率差異較大時(shí)，下層接地網(wǎng)的降阻的效果將占據(jù)主導(dǎo)地位。如果接地網(wǎng)接地電阻不能到達(dá)要求，在條件允許情況下，采用增加下層接地網(wǎng)面積達(dá)到降低接地電阻值的目的不失為一種比較好的辦法。但為提高均壓效果而增加下層接地網(wǎng)面積時(shí)，須注意下層接地網(wǎng)不得超過(guò)上層接地網(wǎng)面積太多。

2.4 不同疏密程度的接地網(wǎng)模型及其仿真分析

構(gòu)建模型：選取60×60、100×100、120×120、140×140（m2）四種下層接地網(wǎng)面積，研究不同接地網(wǎng)面積時(shí)，接地性能隨網(wǎng)格密度的變化。

比較研究：通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)增大網(wǎng)格密度對(duì)降阻的意義并不大。相同下層接地網(wǎng)面積的接地電阻隨網(wǎng)格疏密的變化趨勢(shì)沒(méi)有影響。同樣，增加下層接地網(wǎng)的網(wǎng)格密度，降低接地電阻的效果也不明顯。開(kāi)始增加網(wǎng)格密度時(shí)的降阻的效果最明顯，隨著網(wǎng)格密度的持續(xù)增大，降阻的效果減小。當(dāng)下層接地網(wǎng)面積較大時(shí)，增加接地網(wǎng)的網(wǎng)格密度時(shí)降阻的效果較好，但材料和工時(shí)耗費(fèi)變大。增加下層接地網(wǎng)網(wǎng)格密度的均壓特性具有較大的影響，下層接地網(wǎng)面積越大，增大網(wǎng)格密度所產(chǎn)生的均壓性能的改善越明顯。當(dāng)下層接地網(wǎng)面積小于或接近上層接地網(wǎng)面積時(shí)，增大網(wǎng)格密度對(duì)均壓性能的改善不明顯。當(dāng)下層接地網(wǎng)面積比上層接地網(wǎng)面積大時(shí)，增大網(wǎng)格密度的均壓效果比較明顯，單邊網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到10時(shí)，均壓效果趨于飽和。

3 結(jié)論

下層接地網(wǎng)的敷設(shè)深度。從經(jīng)濟(jì)性的角度，雙層接地網(wǎng)的下層只

需埋設(shè)在低電阻率的土壤區(qū)域即可，繼續(xù)增加敷設(shè)深度對(duì)降低接地電阻的效果不明顯。

下層接地網(wǎng)的面積。接地網(wǎng)面積的設(shè)定的主要依據(jù)是達(dá)到預(yù)定的降阻效果，當(dāng)下層接地網(wǎng)面積與上層接地網(wǎng)面積差不多時(shí)，接地網(wǎng)的均壓性能最佳；當(dāng)下層接地網(wǎng)面積遠(yuǎn)小于上層接地網(wǎng)敷設(shè)面積時(shí)，增加上層接地網(wǎng)面積均壓效果不明顯；當(dāng)下層接地網(wǎng)面積遠(yuǎn)大于上層接地網(wǎng)敷設(shè)面積時(shí)，增大下層接地網(wǎng)敷設(shè)面積的均壓效果具有飽和效應(yīng)。

下層接地網(wǎng)的網(wǎng)格疏密程度。從降阻的效果來(lái)看，下層接地網(wǎng)網(wǎng)格的疏密程度對(duì)接地網(wǎng)的電阻影響不大。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，下層接地網(wǎng)只須敷設(shè)外框；因考慮到接地體會(huì)腐蝕，從可靠性來(lái)講，適當(dāng)增大網(wǎng)格密度可靠性更高；下層接地網(wǎng)敷設(shè)面積小于或接近上層接地網(wǎng)敷設(shè)面積情況下，網(wǎng)格疏密對(duì)接地網(wǎng)的均壓效果影響較小；下層接地網(wǎng)敷設(shè)面積大于上層接地網(wǎng)敷設(shè)面積時(shí)，網(wǎng)格疏密對(duì)均壓性能影響明顯。

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作者簡(jiǎn)介：蘭正平（1994-），男，湖北松滋人，本科，主要從事建筑電氣工程研究。