牽引變電所接地網阻抗的計算與仿真

摘要：研究目的：本文以某條電氣化快速鐵路的一座牽引變電所為研究對象，對其接地網阻抗進行計算和仿真，并與接地測試結果對比，驗證阻抗計算與仿真的準確性。研究結論：計算結果與測量情況相差較大，原因在于公式沒有準確體現接地網所在土壤的電阻率分布情況;仿真結果與實際測量情況比較接近實際，可以作為估算接地網阻抗的有效工具。

關鍵詞：變電所;接地阻抗;CDEGS

中圖標識碼：TM930? ? 文獻標志碼： A

0 引言

接地阻抗值是發電廠、變電站接地系統的重要技術指標，是衡量接地系統的有效性、安全性以及鑒定接地系統是否符合設計要求的重要參數[1]。接地網的接地阻抗若是過高，在發生接地故障時可能造成中性點電壓偏移增大，損壞設備;在遭受雷電波時也會產生很高的殘壓，使附近設備受到反擊的威脅，并降低地網所保護設備帶電導體的耐雷水平。因此在設計接地系統時，需要通過計算或仿真對接地阻抗進行估算，保證接地網實際參數能夠滿足相關要求。

CDEGS是以電磁理論為基礎寫成的分析軟件，不受頻率限制，所以分析結果十分精確，具有接地系統設計分析、電磁干擾研究等一系列功能[2]。本文主要以牽引變電所為研究對象，通過對其接地網進行理論計算和CDEGS仿真，并與接地測試結果對比，驗證理論計算與CDEGS仿真的準確性。

1 牽引變電所基本信息

該牽引變電所接地網長76m，寬65.5m，埋深0.8m，總面積4864m2。水平接地體為150mm2銅絞線，全長1790m。垂直接地極為Φ20mm長2.5m的純銅棒。電纜支架接地線采用-50×5扁鋼，并與牽引變電所接地網相連。室外架構、室外地上設備、集中接地箱、端子箱外殼采用Φ16圓鋼作接地引下線，連接牽引變電所接地網。獨立避雷針的接地裝置與變電所牽引變電所接地網地中距離不宜小于3m。室內引至室外接地線采用Φ16的圓鋼，并與牽引變電所接地網相連。

該變電所的土壤結構分布如表1所示。

2 接地電阻理論計算

根據《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB T50065-2011），可參照其附錄A（土壤中人工接地極工頻接地電阻的計算），對變電所接地網的接地電阻進行計算。

2.1 水平接地極為主邊緣閉合的復合接地極的簡化計算

水平接地極為主邊緣閉合的復合接地極接地電阻。其中S為大于100m2的閉合接地網的面積[3]。

代入牽引變電所接地網的基本數據，即ρ=16.19Ω·m，S=4864m2，計算可得R=0.116Ω。

2.2 水平接地極為主邊緣閉合的復合接地極的精確計算

相比上式，更為精確、誤差更小的公式如下：

式中，Rn是任意形狀邊緣閉合接地網的接地電阻（Ω）;Re是等效方形接地網的接地電阻（Ω）;S是接地網的總面積（m2）;d是水平接地極的直徑或等效直徑（m）;h是水平接地極的埋設深度（m）;L0是接地網的外緣邊線總長度（m）;L是水平接地極的總長度（m）。

代入接地網數據可得Rn=0.1091Ω。

以上兩式，即水平接地極為主邊緣閉合的復合接地極的簡化計算和精確計算，適用范圍均為處于均勻土壤條件下的接地網，而由表1可知，變電所的土壤結構分布比較復雜，由淺至深土壤電阻率逐漸增大，以上計算中使用的是最表層土壤的土壤電阻率，可以預見計算所得結果必然偏小。

2.3 兩層土壤的接地電阻的計算

土壤在豎直方向具有兩個剖面結構，則水平電網接地電阻值，其中ρ1、ρ2為上下層土壤電阻率，S為接地網總面積，K為系數。其中K可由接地面積、網孔個數、接地體半徑、接地體長寬比與系數K的關系圖表查得。[4]

根據數據及圖表，只考慮變電所土壤中的表面兩層，可算得，≈0.3Ω。由于考慮到電阻率更高的第二層土壤，該數值比前兩節的計算結果更大。同樣，由于未考慮第三層電阻率更高的土壤，可以預見本計算結果依然偏小。

3 接地阻抗仿真計算

接地網所在土壤的電阻率分布不均勻，使得簡單的公式無法對阻抗進行準確計算。這里可以考慮利用CDEGS進行仿真。

利用CDEGS中的SESCAD工具建立牽引所接地網模型與鐵路綜合接地系統模型，再使用MALZ（接地網分析）模塊，結合表1的土壤結構分析結果對接地阻抗進行仿真計算。其中仿真計算時入地短路電流取7000A，在回流箱處注入牽引所地網。當牽引所接地網與綜合地線不連接時，不同電流注入點的接地阻抗仿真計算值分別為0.744∠170.17°、0.744∠170.21°、0.744∠170.09°。

4 接地阻抗測量與分析

進行接地阻抗測量時，采用8000型接地裝置特性參數測量系統，如圖4所示。當牽引變電所接地網未與綜合接地系統、110kV進線避雷線連接時，采用夾角法布線測量其接地阻抗，如圖5所示。

變電站接地網接地阻抗測試一般要求采用電流-電壓線夾角布置的方式[5]。

當牽引變電所接地網與綜合接地系統或者110kV進線避雷線連接之后，應采用反向遠離法布線測量其接地阻抗，如圖6所示[6]。為反映電流注入點不同對測量的影響，選取3個不同注入點，如圖7所示。

當牽引所接地網與綜合接地系統不連時，測得3個不同電流注入點處的接地阻抗分別為0.738Ω、0.746Ω、0.754Ω，測量結果如表2所示。

可將測量結果與計算仿真結果粗略對比：測量接地電阻大小約為0.75Ω;理論公式計算接地電阻大小分別為0.11Ω（單層）和0.3Ω（雙層），誤差高達85%和60%;仿真結果約等于0.746Ω，誤差約為0.5%。計算結果與實測結果相差較大，而仿真結果與實測結果非常相近，如表3所示。

5 結論

變電所的土壤結構比較復雜，常規的接地阻抗計算公式無法反映實際情況，計算結果往往誤差很大，不能作為參考;CDEGS的接地阻抗仿真計算誤差很小，基本與實測值保持一致，可以有效預測變電所接地阻抗的大小，對變電所設計起到一定輔助作用。

參考文獻：

[1]? 曾嶸.垂直分層土壤中測試電極布置對變電站接地電阻測量值的影響[J].電網技術，2000，24（10）：36-39.

[2]? 王小鳳. CDEGS軟件在電力系統中的應用[D]. 杭州：浙江大學，2007.

[3]? 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 50065—2011，交流電氣裝置的接地設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2011：47-50.

[4]? 叢遠新等.接地設計與工程實踐[M]. 北京：機械工業出版社，2014：26-34.

[5]? 國家能源局. DL/T 475—2017，接地裝置特性參數測試導則[S]. 北京：中國電力出版社，2017：1-50.

[6]? 中華人民共和國鐵道部. TBT3233-2010，鐵路綜合接地系統測量方法標準[S]. 北京：中國鐵道出版社，2010：1-7.

通信作者簡介：

李晨琨（1991），男，助理工程師，工學碩士，主要從事鐵路牽引供電系統設計工作

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