外引接地網(wǎng)對高速鐵路牽引變電所降阻效果研究

甘琪海

（中國鐵路南寧局集團有限公司， 南寧 530029）

我國高速鐵路的外部電源電壓等級一般為220 kV或330 kV，部分變電所短路電流超過了10 kA［1-2］。作為維護高速鐵路牽引變電所安全可靠運行的重要措施，接地網(wǎng)的應(yīng)用確保了牽引變電站的穩(wěn)定運行和設(shè)備和人員的安全［3］。然而，如果接地網(wǎng)接地電阻過高，變電所內(nèi)部發(fā)生短路故障，故障電流將引起接地網(wǎng)電位過高，威脅二次設(shè)備的安全運行［4-8］。同時，故障電流也將引起過高的跨步電壓和接觸電壓，威脅運營人員的安全。

牽引變電所的接地網(wǎng)會定期檢測，當(dāng)檢測到接地網(wǎng)的接地電阻過高時，需有針對性地進行改造［9-11］。常用的改造措施包括增大接地網(wǎng)面積、換填土、外引接地網(wǎng)和垂直接地極等。對于既有牽引變電所，增大接地網(wǎng)面積往往受征地范圍的限制，換填土?xí)绊懙郊扔须姎庠O(shè)備的運行，采用外引接地網(wǎng)和垂直接地極是既有變電所常用的改造方案。

本文針對某高速鐵路牽引變電所接地電阻超標(biāo)的問題，采用土壤電阻率勘察確定了接地網(wǎng)布置位置，分析了外引接地網(wǎng)形狀、網(wǎng)孔數(shù)量和垂直接地極位置等因素對接地網(wǎng)的接地電阻的影響，給出外引接地網(wǎng)與垂直接地極相配合的降阻方案。

1 接地網(wǎng)的基本情況

1.1 接地網(wǎng)需求

該牽引變電所位于兩山之間，場坪由山體推平而成，場坪前后左三面高出原始地表5 m左右。牽引變電所建成后實測接地網(wǎng)接地電阻約為1.28 Ω。

該牽引變電所所內(nèi)27.5 kV側(cè)發(fā)生短路故障時，短路電流主要通過接地網(wǎng)導(dǎo)體流回變壓器，流入大地的電流非常少。因此，接地電阻以220 kV側(cè)最大運行方式下單相接地短路為主。該所單相接地最大短路電流為23.3 kA，入地分流的系數(shù)取0.5，最大入地短路電流I為11.65 kA。

根據(jù)GB 50065 - 2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》和TB 10009 - 2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》，變電所接地網(wǎng)電位一般不超過2 000 V，由式（1）可計算接地電阻值R。

計算得R≤0.17 Ω，結(jié)合GB 50065 - 2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“2）當(dāng)接地網(wǎng)的接地電阻不符合本規(guī)范式（4.2.1-1）的要求時，可通過技術(shù)經(jīng)濟比較適當(dāng)增大接地電阻。在符合本規(guī)范第4.3.3條的規(guī)定時，接地網(wǎng)地電位升高可提高至5 kV。”即：

計算得R≤0.43 Ω，因此本牽引變電所接地網(wǎng)的降阻基本目標(biāo)為0.43 Ω，最優(yōu)目標(biāo)為0.17 Ω。

1.2 周邊土壤電阻率情況

外引接地網(wǎng)要達到有效的降阻效果，首先要選擇土質(zhì)較好的地方，通過初步勘探，確定了兩處位置，分別為：

（1）牽引變電所入所道路50 m處，此處存在一小水溝，水溝下方可能存在土壤電阻率較低的含水層。

（2）牽引變電所左側(cè)邊坡下方山谷的水泥路旁的場坪邊坡，空地到牽引變電所圍墻距離為5 m。此處位于牽引變電所征地范圍內(nèi)。

采用溫納四極法對上述兩處的土壤電阻率進行測量，間距a值和土壤電阻率如表1所示。

表1 土壤電阻率測量數(shù)據(jù)表

采用CDEGS軟件對兩處土壤電阻率進行仿真分析，得到兩處的土壤結(jié)構(gòu)如表2所示。從表2可以看出，隨著深度的增加，水溝處土壤電阻率在不斷增大，水溝下方應(yīng)為較致密的巖土或砂石層；牽引變電所邊坡下方的土壤層存在一處厚度為109 m的低土壤電阻率層，土壤層含水與離子極為豐富，因此選擇該處作為外引接地網(wǎng)的布置位置。

表2 土壤結(jié)構(gòu)及參數(shù)表

2 外引接地網(wǎng)方案的降阻效果

2.1 外引接地網(wǎng)的仿真模型

為選擇經(jīng)濟有效的降阻方案，在降低變電所接地網(wǎng)接地電阻的同時節(jié)省工程費用，需研究不同措施的降阻效果，本節(jié)將重點分析水平接地網(wǎng)的影響。由表2中建立的牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合牽引變電所接地網(wǎng)的設(shè)計資料建立了接地網(wǎng)的仿真模型，如圖1所示。

圖1 接地網(wǎng)模型示意圖

接地網(wǎng)為邊長70 m的正方形，接地導(dǎo)體埋設(shè)深度為0.8 m，采用的是半徑為0.06 m的銅絞線。接地網(wǎng)的網(wǎng)孔間距約為7 m，接地網(wǎng)最外側(cè)增加一圈導(dǎo)體以降低接地網(wǎng)邊沿的跨步電壓和接觸電壓。將建立的模型進行仿真分析，得到的接地網(wǎng)接地電阻為1.3 Ω，與實測結(jié)果的1.28 Ω非常接近。

在牽引變電所既有接地網(wǎng)上增加水平外引接地網(wǎng)，如圖2所示。外引接地網(wǎng)的長為b，寬為a，到主接地網(wǎng)邊沿的距離為4m，網(wǎng)格的間距為5 m，接地導(dǎo)體的材料、半徑和埋設(shè)深度與主接地網(wǎng)相同。

圖2 外引接地示意圖

2.2 外引接地網(wǎng)面積對降阻效果的影響

改變接地網(wǎng)的長度b和寬度a，得到接地網(wǎng)的接地電阻如表3所示。

從表3可以看出，接地網(wǎng)的面積大小是影響降阻效果的主要因素，隨著面積的增加，接地網(wǎng)的降阻效果不斷增大。當(dāng)外引接地網(wǎng)面積為40 m2時，接地電阻為1.16 Ω，當(dāng)接地網(wǎng)面積增大到1 000 m2時，接地電阻下降到0.7 Ω。

表3 水平外引接地網(wǎng)的接地電阻表（Ω）

2.3 外引接地網(wǎng)長寬比對降阻效果的影響

由表3可知，相同接地網(wǎng)寬度下，隨著接地網(wǎng)的長度增加，接地電阻快速下降；相同接地網(wǎng)長度下，隨著接地網(wǎng)的寬度增加，接地網(wǎng)接地電阻的下降速度較慢。為了研究接地網(wǎng)的形狀對接地電阻的影響，選取相同面積的接地網(wǎng)數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 外引接地網(wǎng)形狀對接地電阻的影響圖

圖3中選取的外引接地網(wǎng)面積均為160 m2，接地網(wǎng)為狹長形時，其接地電阻更低，長寬比越大，接地電阻更低。

2.4 網(wǎng)孔數(shù)對降阻效果的影響

為了進一步明確外引水平接地網(wǎng)參數(shù)的影響，選取外形接地網(wǎng)尺寸為6 m×8 m，網(wǎng)孔數(shù)分別為2、4、8、16和32，如圖4所示。

圖4 不同網(wǎng)孔數(shù)量的外引接地網(wǎng)圖

仿真得到的不同網(wǎng)孔數(shù)量下的外引接地網(wǎng)接地電阻如表4所示。由表4可知，隨著網(wǎng)孔數(shù)量的增加，外引接地網(wǎng)的電阻在下降，但總體下降的幅度并不大；當(dāng)網(wǎng)孔數(shù)量從2增加到32時，接地電阻僅下降了0.11 Ω，但使用的導(dǎo)體長度增加了164 m。

3 垂直接地極的降阻效果

3.1 垂直接地極布置（方案Ⅰ）

為了對比垂直接地極對牽引變電所接地網(wǎng)的降阻效果，對32個網(wǎng)孔的水平外引接地網(wǎng)按照圖5中的順序逐一增加垂直接地極。垂直接地極長度為30 m，先用鉆機打孔再放入導(dǎo)體，為了更均勻地散流，并節(jié)約工程費用，垂直接地極均采用直徑為40 mm的圓鋼管。

圖5 垂直接地極布置圖（方案Ⅰ）

將垂直接地極數(shù)量由1根逐漸增加到5根，仿真得到的對牽引變電所降阻效果，如表5所示。

表5 方案Ⅰ不同垂直接地極數(shù)量的接地電阻表

從表5可以看出，增加垂直接地極的效果要比增加網(wǎng)孔數(shù)量更好，但隨著垂直接地極的數(shù)量增加，降阻效果快速下降。增加1根垂直接地極時，接地電阻下降了0.21 Ω，增中到2根垂直接地極后，接地電阻又下降了0.11 Ω，到第5根接地極時，接地電阻僅下降了0.03 Ω。造成該現(xiàn)象的主要原因是，在方案1中，垂直接地極4和5與原有的垂直接地極1和3的距離過小，二者相互屏蔽，從而削弱了垂直接地極的降阻效果。方案Ⅰ接地電阻最終為0.32 Ω。

3.2 垂直接地極布置（方案Ⅱ）

為了進一步降低接地電阻，減少垂直接地極之間的屏蔽效應(yīng)，方案Ⅱ?qū)⒌鼐W(wǎng)沿公路方向進行直線延伸。同時，為了減少成本，將水平接地網(wǎng)的網(wǎng)孔數(shù)量減少為16個。采用4根垂直接地極的方案如圖6（a）所示，在4的位置增加一根垂直接地極，并采用導(dǎo)體將水平外引地網(wǎng)與該垂直接地極相連。采用5根垂直接地極的方案如圖6（b）所示。為不同接地極數(shù)量的接地電阻仿真結(jié)果如表6所示。

圖6 垂直接地極圖（方案Ⅱ）

表6 方案Ⅱ不同垂直接地極數(shù)量的接地電阻表

從表6可以看出，本方案減少了垂直接地極之間的屏蔽效應(yīng)，更加有效地利用了導(dǎo)體。當(dāng)垂直接地極為3根時，接地電阻與表5中3根垂直接地極的計算結(jié)果相同；增加到4根垂直接地極時，接地電阻下降了0.07 Ω；增加到5根垂直接地極后，接地電阻下降到0.25 Ω。與表5中的5根垂直接地極相比，本方案接地電阻多降了約21.8%。

4 現(xiàn)場實施效果分析

根據(jù)分析結(jié)果，該變電所采用的設(shè)計方案如圖6（b）所示。在實際工程施工中，當(dāng)鉆機打入地下5 m時，5個垂直接地極位置均有地下水滲出，證明了地下有土壤電阻率較低的區(qū)域，有利于降低接地網(wǎng)接地電阻。牽引變電所的接地網(wǎng)改造實施完成后，最終接地網(wǎng)接地電阻的實測結(jié)果為0.17 Ω，小于計算結(jié)果0.25 Ω，超過原定的基本降阻目標(biāo)，并達到了最優(yōu)降阻目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對某高速鐵路牽引變電所接地電阻過高的問題，研究了采用外引接地網(wǎng)的方式進行降低接地電阻的方案，得到主要結(jié)論包括：

（1）科學(xué)合理地測定變電所的土壤電阻是進行外引接地網(wǎng)設(shè)計的基礎(chǔ)工作。通過對牽引變電所周邊勘測，發(fā)現(xiàn)不同位置的土壤電阻率差異非常大。附近水溝位置從表面看存在地表水，但下層土壤電阻率非常高，而變電所邊坡下方存在深層含水層，更適合布置外引接地網(wǎng)。

（2）外引接地網(wǎng)的形狀對降阻效果有很大的影響，如接地網(wǎng)面積均為160 m2時，接地網(wǎng)長寬比為40時的接地電阻要比長寬比為2.5時的接地電阻減少了1／3。接地網(wǎng)的網(wǎng)孔數(shù)量對接地電阻的影響較少，將接地網(wǎng)的網(wǎng)孔數(shù)增加16倍時，接地電阻僅下降了1／8。狹長形的地網(wǎng)能更有效地利用接地導(dǎo)體。

（3）由于接地極之間的屏蔽作用，多根垂直接地極的降阻效率受接地極的位置和間距影響。當(dāng)多根垂直接地極布置在一條直線上，且接地極之間的間距大于其長度時，可以取得較好的降阻效果。與將垂直接地極布置在水平接地網(wǎng)周圍相比，將5根30 m的垂直接地極按間隔為40 m布置在一條直線上時，接地電阻多下降21.8%。