基于變電站三維模型的接地仿真技術研究

周世戰，徐曉雨，王維銘，李 亮

(國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110000)

變電站電壓等級的不斷提高，使得接地故障電流不斷增大，保障電力運行安全的呼聲越來越高，變電站接地技術的安全性需求越來越大[1]。因此，為了確保變電站提供供電的可靠性，需要在虛擬的環境中對接地技術進行深入研究，其不僅可以避免變電站接地技術導致的土壤污染問題的發生，而且確保人身和設備的安全不受到侵害[2-4]。

在國內外相關研究中，更多的是基于變電站仿真實現接地技術的研究，經過不斷的發展和創新，已經掌握了較為成熟的技術，能夠實現變電站的三維仿真，在變電站三維模型的支持下，能夠獲得更加真實可靠的接地技術[5-7]。在我國，以往的研究更多的是從接地參數計算和接地網優化等方面進行深入研究，仿真交互操作環境具有一定的通用性和開放性，可以實現很多交互操作，但在目前的應用環境下，由于接地表面的不均勻部分，接地模擬產生的電流與實際電流誤差進行了比較，但接地保護的靈敏度仍存在一些不足，如基于ATP-EMTP的某變電站雷擊事故仿真研究[8]、高速鐵路牽引變電站接地網安全性能評價[9]和基于Kriging法的直流接地極附近大地電性結構建模方法[10]。接地仿真技術的實際安全性有待進一步提高。因此，提出了基于變電站三維模型的接地仿真技術，其創新性在于將地表面點位部分土壤相關模型和等值接地網模型相結合，在變電站仿真環境下，優化消除接地操作可能存在的安全隱患，以解決傳統接地仿真技術存在的問題，提高變電站用電的可靠性。

1 接地仿真技術設計

1.1 建立地表面點位部分土壤相關模型

根據變電站的實際分布情況建立變電站的三維模型，在已建變電站的三維仿真上模擬實際接地情況，從而達到接地仿真的目的。基于變電站三維模型，根據土壤電阻率測量的基本要求，對變電站場地土壤進行了測量。將土壤類型設為水平分布，選擇合適的土層，得到等效地表面點位部分土壤相關模型。過程如下：由于接地現場土質堅硬，接地樁難以打入地面，即使打下接地樁，裸露部分也會開裂、變形或損壞，甚至彎曲，這就加大了接地網焊接的難度，影響了施工進度。對此，在原有施工圖紙的基礎上，對接地樁進行了局部改進，對樁上部進行了加固，防止了打樁過程中樁體開裂、損壞和變形，保證了接地網的焊接質量和工藝，其中，在打接地樁前，在樁位打1個深2 m、直徑約40～60 mm的孔，在該接地樁1.5 m處的孔內插入長約300 mm的圓鋼(圖1)，圓鋼管開口端向下，施工人員上下鑿動鋼管，當鋼管進入約250～300 mm時，將鋼管吊起，沿溝槽將管內泥土取出，然后進行下一輪施工，反復施工，當鋼管下至1.2 m時，取出圓鋼，向鋼管內注入少量水，然后打下接地樁(圖2)，用稀土回填縫隙，1根接地樁可打入地層，大大縮短了打樁時間，然后將樁打下，打樁大大降低了施工難度，提高了施工進度。

圖1 接地網打樁所用圓鋼Fig.1 Round steel used for piling of grounding grid

圖2 接地樁三維效果Fig.2 Three dimensional effect of grounding pile

為了確定上述反復施工的次數，需要構建接近實測結果的地表面點位部分土壤相關模型[11-13]。地表面點位部分土壤層數的自動決定運算模型如圖3所示。

圖3 地表面點位部分土壤層數的自動決定運算模型Fig.3 Calculation model of automatic determination of soil layers at ground surface points

圖1中折線表示獲得的土壤類型，曲線表示極距不同的地表面點位部分土壤相關模型的電阻理論值，點狀線段表示測量的電阻值[14]。通過圖1中顯示的圖像和曲線可知，土壤層具有以下特點：頂層的測量間距小于等于1 m，電阻率大小中等，頂層以下的除第2層外電阻率依次減小，第2層電阻率為最大，其間距在1～30 m，最后一層的電阻率變化與曲線相對應[15]。在得到上述計算結果后，改變土壤類型界面中土壤的層數，將其定義為其他層，分別進行優化計算，得到不同層的地表面點位部分土壤相關模型。將不同土層模型的土阻力計算值與實測值進行比較，如果誤差較大，將導致土模型的嚴重變形[16]，接地樁打入地層的過程更為繁瑣。因此，需要選擇測量誤差最小的地表面點位部分。

1.2 規劃接地參數

在得到地表面點位部分土壤相關模型之后，運用CDEGS中的MALZ模塊繪制一個變電站等間距接地網，結合接地網的接地體(圖4)，在其上增加一個單位電流激勵，計算在該情況下的變電站的接地電阻，得到后續分流計算所需的接地電阻的大略值[17]。

圖4 接地網的接地體示意Fig.4 Schematic diagram of grounding body of grounding grid

根據接地體實際情況，在變電站三維模型中繪制出變電站接線示意圖，收集各個線路故障貢獻電流，線路桿塔參數，在得到相關參數，考慮《交流電氣裝置的接地設計規范》規劃相關接地參數[18]。在運行的變電站中，工頻接地電阻的取值范圍為：

(1)

式中，Ia為流入的不對稱電流最大有效值;R為不同環境中獲得的最大接地電阻值[19]。

在計算接地電流有效值時，將與其相關的位置的電流分配情況一并考慮，如避雷線和架空線的電流分布情況，這2個位置在實際操作中可能會分走一部分短路電流。如果發現流入的短路電流Ia越來越大，那么式(1)就不能滿足最大接地電阻值的需求。因此，當Ia≥4 000 A時，接地電阻取值為：

Rg

(2)

公式(2)表示在上述特殊情況下，可以適當增加電阻，但是不能超過0.5 Ω[20]。當大于110 kV的變電站發生兩相或單相接地故障，等間距敷設的水平接地網內接觸電壓與跨步電壓的取值范圍為：

(3)

(4)

式中，Ua為接觸電壓的最大允許值；ρ為地表面點位部分土壤相關模型的土壤電阻率；Ub為跨步電壓的最大允許值；C為地層衰減系數；T為接地故障電流在模型中的時間，取0.35～0.70 s。

在確定以上參數后，工作人員即可在變電站三維模型中完成接地操作。

1.3 基于安全約束的仿真操作碰撞檢測

(5)

B=[a(t)+θ(t)]+wB(a)

(6)

其中，a(t)和θ(t)分別是變電站三維模型下工作人員與設備間的相位信息和幅值[7]，得到變電站三維模型下接地設備的接地可靠性辨識參數解析表達式為：

k(l)=cosB+z(t)+wB(a)

(7)

其中，z(t)是x(t)的約束值，以約束值為自適應參數，采用基于場景對象包圍盒的碰撞檢測方法，定義2條進行相交測試的測試線段，1條線段指向視點前進方向，長度為disToFront；1條線段從視點出發垂直指向地面，長度為disToGround，進行變電站三維模型下接地設備接地操作的接地信息融合。利用上述2條測試線段與變電站三維模型進行相交測試，如果判斷出線段與變電站三維模型產生相交動作，將該模型及交點寫入到相交列表，如果最后測試結果顯示相交列表為空，說明沒有相交情況發生，接地操作可繼續進行；如果相交列表不為空，獲取該交點，同時計算出該交點與視點之間的距離，此時，變電站三維模型下交點與視點之間最短距離表述為：

(8)

變電站三維模型中，部分設備和環境的位置是固定不變的，碰撞檢測問題只針對動態目標在碰撞檢測中，若操作方向上發現碰撞測試線段與三維模型相交，則停止操作；視點與交點之間的距離小于disToFront，則將視點調整至測試線段上與交點相距disToGround的位置。根據視點與交點的距離判斷，調整視點位置，從而達到安全接地仿真的目的。

2 基于變電站三維模型的接地仿真分析

2.1 實驗準備

實驗中選擇在某地區的1 000 kV變電站作為實驗區域，該地區地形屬于丘陵和溝壑，地勢起伏比較大，是典型的山地變電站，變電站的總面積為726 km2，變電站設施相對齊全，有1座220 kV變電站，6座110 kV變電站，17座35 kV變電站。其中，水域面積為總面積的1/3，該區域產業鏈完善(表1)。采用VisuaISFM三維軟件模擬該區域環境，如圖5所示。

圖5 區域環境及變電站仿真結果Fig.5 Simulation results of regional environment and substation

表1 變電站設備信息Tab.1 Substation equipment information

基于選擇的實驗地點，以該區域歷史數據分析結果為參考，該地區10年后該地區負荷增長率為515.42 MW，負荷性質單一，負荷同時率為0.8，容量負荷比為2.0時，變電站總容量范圍控制在742.205～907.14 MW。

整合以上基于變電站三維模型的接地仿真技術設計結果，以該變電站占地面積為參考，建立1個250 m×260 m的等值尺寸接地網，其接地銅導體組成導體截面為160 mm2，入地電流取31.5 kA，等值接地網網模型如圖6所示。

圖6 等值接地網模型Fig.6 Equivalent grounding grid model

如果接地網絡的電網設計不合理，接地系統電位分布不均，局部電位超過規定的安全值，對操作者安全構成威脅，還會損壞低壓或次級設備和電纜絕緣，使高壓通道進入控制保護系統、變電站監控保護設備，造成誤動、拒絕運行。為此，需要根據接地阻抗地網邊長與電流頻率的關系，分析點位部分土壤電阻率。在上述分析的土壤環境中，當正方形地網邊為250 m×260 m時，繼續擴大意義不大，此時的接地阻抗和地網邊長a的關系如圖7所示。

圖7 接地阻抗和地網邊長的關系Fig.7 Relationship between grounding impedance and side length of grounding grid

接地阻抗與電流頻率的關系如圖8所示。由于上述分析(地表面點位部分土壤層數的自動決定運算模型)涉及到相關土壤參數，因此，實驗中需要借助真實的土壤電阻率測試數據，因此在該變電站范圍內，設置多個測試點，獲得具體的土壤電阻率解釋成果。具體內容見表2。此次實驗研究以對比實驗為主，以表1中的數據作為統一的實驗數據，基于變電站三維模型的接地仿真技術、文獻[8]方法的接地仿真技術以及文獻[10]方法的接地仿真技術作為實驗對象，設計2組對比實驗，分別是接地電流仿真誤差實驗和接地網評估實驗，最終根據2組實驗結果對比分析接地技術的應用水平。

圖8 接地阻抗與電流頻率的關系Fig.8 Relationship between grounding impedance and current frequency

2.2 結果分析

以上述數據作為依據，將變電站實際土壤環境測量結果輸入到VisuaISFM三維軟件中，仿真搭建等間距接地網，在確定工頻接地電阻、接觸電壓和跨步電壓等參數后，使用不同的接地仿真方法對接地路線電路進行仿真，利用MATLAB軟件輸出實際的電流變化波形和仿真的電流變化波形。具體實驗結果如圖9所示。

圖9中實線表示實際的電流波形，虛線表示仿真電流波形。對比觀察可知，文獻[8]方法的接地仿真技術的仿真結果和文獻[10]方法的接地仿真技術的仿真結果與實際電流波形相差比較大，前者是整體高于正常電流值，后者是在0.1 s后電流值低于正常電流值；相比之下，提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術仿真結果與實際電流波形基本一致，沒有明顯的誤差變化。綜上所述，提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術方法仿真效果更接近真實情況，更可靠。

2.3 接地網評估實驗結果及分析

接地網評估實驗主要針對接地仿真技術的靈敏度，判斷其該技術是否能在各種不同參數情況，及時產生合理的變化。以表2中的數據作為依據，對不同接地仿真技術下的接地網進行評估，評估結果見表3。表3中接觸電壓和跨步電壓單位均為“V”。觀察表中數據，從在數據的大小上分析可知，基于變電站三維模型的接地仿真技術接觸電壓和跨步電壓低于另外2組實驗數據，說明這種接地技術安全性比較高；從數據的靈敏性來分析，文獻[8]方法的接地仿真技術和文獻[10]方法的接地仿真技術實驗結果中，存在數據異常，存在接觸電壓升高、跨步電壓降低的情況，這種仿真效果是沒有任何實際意義的，而提出的接地仿真技術的實驗結果中，接觸電壓和跨步電壓的變化是同步的，沒有出現異常情況。結合接地電流仿真誤差實驗結果可知，提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術更安全可靠。

表2 土壤電阻率解釋成果Tab.2 Interpretation results of soil resistivity

表3 不同接地仿真技術接地網評估結果Tab.3 Grounding grid evaluation results of different grounding simulation technologies V

3 結語

本文基于大量研究文獻和資料，研究基于變電站三維模型的接地仿真技術，從接地的安全性、可靠性等方面進行設計和優化仿真操作碰撞檢測算法，在仿真方法設計完成后，通過大量對比實驗，驗證了提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術的可靠性。基于變電站三維模型的接地仿真技術的研究為變電站的工作人員提供了一個安全可靠的技術培訓平臺，提高了工作人員對接地作業的熟練度和操作能力。