變電站分層土壤模型構(gòu)建對(duì)土壤電阻率測(cè)量深度的要求

鐘 山，周煒明，周德才

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

地網(wǎng)接地電阻的計(jì)算是變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，早期設(shè)計(jì)人員根據(jù)地網(wǎng)面積和土壤電阻率進(jìn)行估算，對(duì)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的變電站，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值往往有較大出入。為提高變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，有必要基于土壤電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)建立分層土壤模型，以提高地網(wǎng)接地電阻計(jì)算的準(zhǔn)確性[1]。

無論是采用哪種方法建模，其模型與實(shí)際土壤結(jié)構(gòu)的吻合程度均取決于土壤電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的要求不僅僅是準(zhǔn)確，更重要的是“深度”，即測(cè)量的數(shù)據(jù)能否滿足準(zhǔn)確建模的需要，這點(diǎn)往往未得到充分重視，有必要進(jìn)行相應(yīng)的研究。

1 分層土壤模型應(yīng)用簡(jiǎn)介

為提高變電站接地電阻計(jì)算的準(zhǔn)確性，研究人員對(duì)于復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行了大量的研究，提出了雙層、多層、復(fù)合等土壤模型的建模方法，并開發(fā)出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。近年來，這些方法和工具正逐步應(yīng)用到變電站(換流站)接地設(shè)計(jì)中，對(duì)確保變電站安全性能發(fā)揮了重要作用[2-5]。

CDEGS軟件包是當(dāng)前接地設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，國(guó)內(nèi)已有不少科研單位、高校、設(shè)計(jì)院及電力公司等引入了該軟件，用于接地相關(guān)領(lǐng)域的研究及設(shè)計(jì)。該軟件是由加拿大SES公司開發(fā)，可以用于仿真計(jì)算分層土壤和任意形狀地網(wǎng)的參數(shù)。

2 接地電阻計(jì)算誤差分析

由于較單層土壤模型更接近于實(shí)際的復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)，采用分層土壤模型計(jì)算接地網(wǎng)的接地電阻，其結(jié)果更接近于實(shí)測(cè)值。對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來說，其關(guān)鍵工作就是如何根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析得到合理的土壤模型。

測(cè)量數(shù)據(jù)是土壤建模的基礎(chǔ)，不管采用哪種建模方法或計(jì)算算法，如果測(cè)量數(shù)據(jù)不能滿足建模需要，將對(duì)接地電阻的計(jì)算造成較大的誤差。下面根據(jù)工程實(shí)例仿真計(jì)算說明這個(gè)問題。

1)計(jì)算模型

某500 kV變電站地網(wǎng)大小為200×150 m2，采用間隔10 m的均勻網(wǎng)格，接地體為480 mm2鍍鋅扁鋼。變電站土壤結(jié)構(gòu)根據(jù)勘測(cè)資料可分為5層：第一層土壤深度0～20 m，土壤平均電阻率為500 Ω·m；第二層土壤深度20～80m，土壤平均電阻率為1000 Ω·m；第三層土壤深度80～200 m，土壤平均電阻率為1500 Ω·m；第四層土壤深度200～500 m，土壤平均電阻率為2000 Ω·m；第五層土壤深度大于500 m，土壤平均電阻率為3000 Ω·m。土壤結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 土壤結(jié)構(gòu)模型

2)接地電阻計(jì)算。

采用CDEGS對(duì)以下5種情況進(jìn)行仿真計(jì)算。

仿真計(jì)算1：工程測(cè)量深度為h≤20 m，得到的土壤模型為均勻土壤模型，土壤電阻率為500 Ω·m，計(jì)算接地電阻為2.26 Ω。

仿真計(jì)算2：工程測(cè)量深度為20 m

仿真計(jì)算3：工程測(cè)量深度為80 m

仿真計(jì)算4：工程測(cè)量深度為200 m

仿真計(jì)算5：測(cè)量深度h>500 m，得到的土壤模型即為土壤結(jié)構(gòu)的真實(shí)模型，計(jì)算接地電阻為3.31 Ω。

3)誤差分析

以仿真計(jì)算5的結(jié)果為接地網(wǎng)接地電阻的真值，定義接地電阻計(jì)算誤差系數(shù)為

(1)

式中：R′為 接地電阻計(jì)算值，Ω；R為 接地電阻真值，Ω。

各計(jì)算案例結(jié)果及誤差如表1所示。

表1 不同土壤模型計(jì)算接地電阻誤差

由表1計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)計(jì)算地網(wǎng)接地電阻所采用的土壤模型不能真實(shí)反映土壤的實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，其計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差。土壤模型是建立在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)地網(wǎng)所在區(qū)域的測(cè)量廣度及深度很大程度決定了土壤模型與真實(shí)土壤結(jié)構(gòu)的接近程度。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未對(duì)此有明確的規(guī)定，理論上對(duì)測(cè)量范圍及深度的要求越高，在其基礎(chǔ)上建立的土壤模型越趨于真實(shí)，接地電阻計(jì)算越準(zhǔn)確；但是其經(jīng)濟(jì)代價(jià)及測(cè)試技術(shù)難度也增大，存在一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的權(quán)衡問題。

3 地網(wǎng)散流特性仿真分析

1)接地網(wǎng)的散流特性

當(dāng)直流或交流電源的兩端通過接地體與大地相連接，將會(huì)在地下建立電流場(chǎng)，其分布規(guī)律取決于巖石和土壤的分布規(guī)律，其研究方法通常是采用電磁場(chǎng)理論。在土壤電阻率一定的情況下，電流密度越大，電場(chǎng)強(qiáng)度隨之增大，也就是說，電場(chǎng)強(qiáng)度間接反映了地中電流的分布規(guī)律。

圖2 地網(wǎng)散流時(shí)地中電場(chǎng)強(qiáng)度

假如在地網(wǎng)中注入電流，如圖2所示，從三維空間看，散流范圍是一個(gè)類橢球體，入地電流的絕大部分集中在這個(gè)區(qū)域內(nèi)成發(fā)散狀，該區(qū)域的土壤的電阻率則對(duì)接地網(wǎng)接地電阻起決定作用。

2)仿真計(jì)算

對(duì)于變電站接地網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生接地故障，地網(wǎng)中將注入一定大小的故障電流，其散流區(qū)域主要由地網(wǎng)的大小及其所在區(qū)域土壤電阻率決定。下面通過案例仿真計(jì)算來說明該問題。

仍采用前面所述模型：地網(wǎng)大小為200×150 m2，采用間隔10m的均勻網(wǎng)格，接地體為480 mm2鍍鋅扁鋼；在地網(wǎng)中心注入20 kA電流。改變地網(wǎng)所在區(qū)域的土壤電阻率，計(jì)算地中電勢(shì)的分布對(duì)電流在土壤中的散流情況。

土壤電阻率分別為100 Ω·m、500 Ω·m、100 Ω·m、2000 Ω·m、5000 Ω·m時(shí)，地中電勢(shì)分布如圖3至圖7所示。

圖3 土壤中的電勢(shì)分布(ρ=100 Ω·m)

圖4 土壤中的電勢(shì)分布(ρ=500 Ω·m)

圖5 土壤中的電勢(shì)分布(ρ=1000 Ω·m)

圖6 土壤中的電勢(shì)分布(ρ=2000 Ω·m)

圖7 土壤中的電勢(shì)分布(ρ=5000 Ω·m)

3) 結(jié)果分析

對(duì)于給定大小的接地網(wǎng)，理論上其散流范圍及深度為整個(gè)大地，從仿真計(jì)算結(jié)果可知，隨著土壤電阻率越低，地中電勢(shì)衰減得越快，大部分電流在較淺層的土壤中散去；而隨著土壤電阻率的不斷增加，其電勢(shì)衰減得越慢，其散流深度相應(yīng)增大。如按電勢(shì)衰減80%考慮，其散流深度隨土壤電阻率變化情況如圖8所示。

圖8 散流深度與土壤電阻率的關(guān)系(80%電勢(shì)降)

從該曲線可知，對(duì)于200×150 m2的接地網(wǎng)，在其所在區(qū)域土壤電阻率較小時(shí)(100～1000 Ω·m)，其散流深度隨土壤電阻率增大而迅速增大；在土壤電阻率較大時(shí)(1000～5000 Ω·m)，其散流深度增加較為緩慢，并逐步趨于穩(wěn)定。

4 測(cè)量范圍及深度的探討

接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地網(wǎng)所在區(qū)域的土壤電阻率測(cè)量范圍及深度未有明確規(guī)定，而在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員卻須面臨這個(gè)問題。根據(jù)對(duì)以往工程資料的收集及整理，測(cè)量范圍及深度根據(jù)工程特點(diǎn)通常為站內(nèi)圍墻以內(nèi)，深度大多要求在20～100 m。

近年來國(guó)內(nèi)部分換流站工程已經(jīng)開始參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，將地網(wǎng)的對(duì)角線長(zhǎng)度作為散流半徑來確定測(cè)量的范圍及深度。與上面所提供的案例計(jì)算結(jié)果比較，在站區(qū)土壤電阻率較低情況下(ρ≤1000 Ω·m)，采用地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度確定測(cè)量范圍及深度是合理的(案例地網(wǎng)對(duì)角線為250 m，地電勢(shì)衰減大于80%)；而在土壤電阻率較高情況下(ρ>1000 Ω·m)，則建議在地網(wǎng)對(duì)角線的長(zhǎng)度基礎(chǔ)上適當(dāng)增大(案例中ρ=5000 Ω·m，最大散流深度達(dá)到約310 m)，具體可根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件確定。

如將地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度作為散流半徑確定工程測(cè)量范圍及深度，對(duì)于第2章提供的計(jì)算案例，其散流半徑為250 m，對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型為案例4，接地電阻計(jì)算結(jié)果為3.21 Ω，誤差為2.84%，應(yīng)能滿足工程設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)變電站分層土壤模型地網(wǎng)的接地電阻、土壤的散流特性進(jìn)行仿真計(jì)算和分析，得到以下結(jié)論：

1)為提高變電站地網(wǎng)接地電阻計(jì)算的準(zhǔn)確性，應(yīng)采用分層土壤模型計(jì)算地網(wǎng)的接地電阻。

2)土壤模型的建立是以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，測(cè)量“深度”越淺則接地電阻計(jì)算誤差越大。

3)通過仿真計(jì)算，建議在土壤電阻率ρ≤1000 Ω·m時(shí)，采用地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度作為散流半徑確定測(cè)量范圍及深度；而在土壤電阻率ρ>1000 Ω·m時(shí)，則建議在地網(wǎng)對(duì)角線的長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，根據(jù)具體工程條件適當(dāng)增大散流半徑。