基于ATP-EMTP的接地網(wǎng)電流注入點腐蝕性能研究

付娟，丁濤

（1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，陜西西安710014；2.西安市學(xué)校后勤服務(wù)管理中心陜西西安710014）

接地就是將電氣設(shè)備的某些部位、電力系統(tǒng)的某點與大地相連，提供故障電流及雷擊電流的泄流通道，穩(wěn)定電位，提供零電位參考點，以確保電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的安全運行，同時確保電力系統(tǒng)運行人員的人身安全。變電站接地網(wǎng)，對于變電站的安全運行有著極其重要的作用，不僅為變電站內(nèi)的各種設(shè)備提供公共參考地，而且在系統(tǒng)故障時能迅速排泄掉故障電流，降低變電站地電位升，保證人身和設(shè)備的安全。

由于我國接地網(wǎng)所用的材質(zhì)主要為普通碳鋼，其抗腐蝕性較差，接地網(wǎng)的均壓導(dǎo)體常因施工時焊接不良、漏焊或土壤的腐蝕、接地短路電流電動力作用等原因，導(dǎo)致地網(wǎng)均壓導(dǎo)體之間或接地引線與均壓導(dǎo)體之間存在電氣連接不良的故障點，從而使接地網(wǎng)接地性能變壞[1-2]。工程上對地網(wǎng)接地性能好壞的檢測經(jīng)常通過對接地電阻的大小來間接判斷[3]。但大量的事實和經(jīng)驗教訓(xùn)表明，接地電阻不是判斷接地網(wǎng)性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對于大型接地網(wǎng)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，接地網(wǎng)上的電位分布不均勻，接地網(wǎng)上不同點之間的電位差可能在不同儀器間形成電流，造成干擾[4]。國內(nèi)外的學(xué)者對于接地網(wǎng)不等電位進(jìn)行了大量研究，但其研究都是在基于接地網(wǎng)完好的情況下進(jìn)行的。對于接地網(wǎng)在腐蝕和破壞情況下的性能研究很少，因此，有必要研究接地網(wǎng)在腐蝕和破壞情況下的性能。以往的經(jīng)驗和很多現(xiàn)場事實表明，在電流注入點處的接地網(wǎng)往往比其他點腐蝕的要快，因此本文注重分析電流注入點附近的性能，為接地網(wǎng)建設(shè)提供建議。

1 對接地網(wǎng)模型的建立

為了研究方便，可以從最簡單的情況進(jìn)行分析。首先假設(shè)接地網(wǎng)處于無限大的土壤介質(zhì)當(dāng)中，接地網(wǎng)是由四根導(dǎo)體組成的“口”字形，接地電流是從其一角注入[5]。注入到接地網(wǎng)中的電流在沿導(dǎo)體軸向流動的同時會向大地中泄漏，假設(shè)電流都是從每段導(dǎo)體的中點泄漏的，如圖1所示。

對圖1列出以下節(jié)點電壓方程組：

圖1 接地網(wǎng)簡化模型Fig.1 Simplify model of grounding system

從方程組（1）中可以看出除了[U]未知以外，[I]中的[I5I6I7I8]也是未知的，I5、I6、I7、I8為泄漏電流。一段載流導(dǎo)體向土壤中的泄漏電流時，載流導(dǎo)體相對于無窮遠(yuǎn)處的阻抗，以及在土壤中的其他導(dǎo)體上產(chǎn)生的電位，相當(dāng)于每段導(dǎo)體對無窮遠(yuǎn)處以及相互之間有一個阻抗R相連。導(dǎo)體的泄漏電流[I]=[I5I6I7I8]T相對于無窮遠(yuǎn)處的電位為[U]=[U5U6U7U8]T。U、I與自阻抗和互阻抗的關(guān)系為：U=RI

式中，[R]中的Rii為自阻抗，Rij為互阻抗。

這樣以來，只要求得[R]的各元素即可求出[I5I6I7I8]T，進(jìn)而式（1）可以求解。如前所述的“口”字形網(wǎng)格的仿真電路如圖2所示。

圖2 口字形網(wǎng)格的仿真電路Fig.2 Simulation circuit of shapes of parallelogram node

推廣到更一般形式，即如果接地網(wǎng)有（n+1）（n+1）個節(jié)點，則整個地網(wǎng)有2n（n+1）段導(dǎo)體。

對于計算載流導(dǎo)體在土壤介質(zhì)中的互阻抗，文獻(xiàn)[6]已有給出。無限大均勻媒質(zhì)中兩根導(dǎo)體，設(shè)其原導(dǎo)體段的長度為Li，場點導(dǎo)體段的長度為Lj，半徑均為r，媒質(zhì)的電阻率為ρ，兩根導(dǎo)體棒之間的互阻為：

若媒質(zhì)分層均勻，式（3）仍適用，只是應(yīng)考慮媒質(zhì)分界面的影響，即應(yīng)用復(fù)鏡像來反映其等值效應(yīng)：

Rij=Rij（2實導(dǎo)體）+R′ij（實導(dǎo)體和另一實導(dǎo)鏡像）利用格林函數(shù)的統(tǒng)一表達(dá)式，可將互阻的計算公式統(tǒng)一表示為：

式中，Lj表示場導(dǎo)體段，Li表示源導(dǎo)體段，其端點坐標(biāo)為（x1，i，y1，i，z1，i）和（x2，i，y2，i，z2，i），L′i表示源導(dǎo)體段的一個實鏡像，其端點坐標(biāo)（x1，i，y1，i，-z1，i）和（x2，i，y2，i，-z2，i），當(dāng)i=j時，取Lj位于Li表面上，則為自阻表達(dá)式。

2 對腐蝕后接地網(wǎng)的仿真

2.1 電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP

電磁暫態(tài)仿真程序EMTP（Electromagnetic Transients Program）是用數(shù)值計算方法對電力系統(tǒng)中從數(shù)μs至數(shù)s之間的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行仿真模擬，主要用于計算電力系統(tǒng)中的電磁暫態(tài)過程。EMTP雖然具有批處理功能，能對各種運行方式和故障條件下的組合進(jìn)行批量仿真，但是由于EMTP是一個商業(yè)軟件，多數(shù)從事電力系統(tǒng)研究工作的人員還是采用EMTP的免費版ATP作為電網(wǎng)故障電磁暫態(tài)仿真的主要工具。

ATP-EMTP軟件由電磁暫態(tài)計算程序、輔助支持子程序及繪圖功能子程序組成，可以求解包括集中參數(shù)的線性和非線性電阻、電感、電容電路，多相π型電路，多相分布參數(shù)電路，各種類型的開關(guān)、變壓器、電源和控制系統(tǒng)等組成的大型電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)過程。另外，ATP-EMTP程序廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的仿真計算。

2.2 電流注入點附近腐蝕后性能仿真

前面已建立的接地網(wǎng)仿真模型，在仿真接地網(wǎng)腐蝕和破壞的情況時，需要做出如下改動：

1）在仿真接地網(wǎng)腐蝕但不出現(xiàn)斷線的情況時，只需要增大導(dǎo)體的自阻抗，以體現(xiàn)接地導(dǎo)體等效半徑變小的情況。

2）在仿真接地網(wǎng)腐蝕斷線的情況時仿真模型的改動，如圖3所示，其中，虛線表示式（3）中導(dǎo)納矩陣元素的阻抗值。

圖3 接地網(wǎng)斷線后模型中網(wǎng)格單根導(dǎo)體的改變Fig.3 Change of single conductor after grounding system break

本文使用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立仿真模型[7]，對電流注入點腐蝕后性能進(jìn)行了大量仿真試驗，算例為一個4×4個網(wǎng)格的正方形接地網(wǎng)，邊長80 m，每個網(wǎng)格的邊長為20 m，地網(wǎng)的埋深為1 m，接地導(dǎo)體的等效半徑為0.01 m。假設(shè)土壤電阻率為100 Ω·m，接地導(dǎo)體為電阻率1.69×10-8Ω·m的銅材，注入電流為10 000 A的工頻電流，注入點為地網(wǎng)角的A點，假設(shè)10 000 A的故障電流由A點流入。與A點連接的有2條線，如果2條線都被腐蝕斷線的話，則整個接地網(wǎng)將與電流注入點A脫離，A點的電位升變得很大，接地網(wǎng)將失去作用。模擬與A點連接的兩條線中一條斷線，另一條腐蝕變細(xì)為原來的四分之一的情況，計算出圖中A、D、F點的地電位升，結(jié)果如圖4所示。

圖4 對腐蝕后接地網(wǎng)的仿真Fig.4 Simulation result of grounding system corroded

當(dāng)發(fā)生上述故障時，電流注入點附近的地電位升變得很高，而且斜率很大，這就增大了跨步電壓的危險和多點接地設(shè)備受損的可能。當(dāng)導(dǎo)體通過很大的電流時，導(dǎo)體因發(fā)熱斷裂的可能增大，會加劇對地網(wǎng)的破壞，由此可見電流注入點處地網(wǎng)的強度非常重要。

3 結(jié)論

本文運用場路結(jié)合的思想把接地網(wǎng)導(dǎo)體間的互阻抗引入到接地網(wǎng)的節(jié)點電壓方程中，而后把節(jié)點電壓方程還原成等效電路，通過電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建了仿真電路并給出了仿真電路中各元件值的求解解析式。為了仿真接地網(wǎng)在損壞情況下的性能，對接地網(wǎng)等效電路做了一些改動。對接地網(wǎng)電流注入點附近導(dǎo)體在腐蝕斷線時其地表電位分布情況進(jìn)行了仿真計算，得出了相應(yīng)的結(jié)果。研究表明地網(wǎng)建設(shè)時應(yīng)重點加強應(yīng)重點加強接地網(wǎng)的電流注入點處的強度和抗腐蝕性能。

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