大型工礦企業(yè)總降接地網(wǎng)設(shè)計機輔分析

黃小銀，陳 懇，程曉煜，唐俊娥

（1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031；2.江西省電力設(shè)計院，南昌 330031）

0 引言

眾所周知，接地網(wǎng)的設(shè)計是發(fā)、變電站電氣部分設(shè)計的重要組成部分[1]。隨著電力系統(tǒng)電壓水平不斷提高和系統(tǒng)容量不斷增大，安全可靠的接地系統(tǒng)顯得尤為重要。接地系統(tǒng)是保證設(shè)備與人身安全，維護電力系統(tǒng)可靠運行的重要措施。資料表明，國內(nèi)外近年來由于接地不良而引起和造成事故擴大，導(dǎo)致系統(tǒng)停運設(shè)備損壞的例子是不少的。特別是在一些土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，如何根據(jù)實際土壤結(jié)構(gòu)，采取有效措施[2-3]，設(shè)計經(jīng)濟合理接地網(wǎng)，使其各項指標(biāo)達到相關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，是提高發(fā)、輸、配電網(wǎng)安全可靠運行的重要課題。

本文以某一擬新建的110 kV變電所現(xiàn)場的實測的視在土壤電阻率出發(fā)，介紹一種接地網(wǎng)計算機輔助設(shè)計分析方法。

1 CYMGRD簡介

CYMGRD （CYME’s substation grounding grid design and analysis module）變電站接地網(wǎng)設(shè)計與分析功能模塊，可用于任意形狀變電站接地網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化和改造。CYMGRD主要功能有:

1）接地網(wǎng)有限元分析；

2）根據(jù)現(xiàn)場土壤測試數(shù)據(jù)，均勻或雙層土壤模型分析；

3）接地電阻和地電位升計算；

4）接觸電壓、地表電勢和跨步電壓分析；

5）接地體尺寸最優(yōu)化分析；

6）人工布置垂直接地體、降阻坑。

利用CYMGRD接地網(wǎng)分析軟件工作流程：

1）根據(jù)土壤視在電阻率的測量值確定水平分層土壤電阻率模型，根據(jù)IEEEstd80-2000標(biāo)準(zhǔn)，確定最大允許跨步電壓Etouch和接觸電壓Estep。

2）輸入短路電流相關(guān)參數(shù)及選擇接地體材料，初步設(shè)計接地網(wǎng)的形狀及尺寸，計算所選材料的最小尺寸、接地網(wǎng)接地電阻RG、地電位升UG、最大跨步電壓Etmax及接觸電壓Etmax。

3）方案比較：形成電位輪廓圖及曲線圖，對變電站接地網(wǎng)各危險點分析評估。

2 現(xiàn)場土壤電阻率測量與土壤模型的建立

2.1 現(xiàn)場土壤電阻率測量

土壤結(jié)構(gòu)模型的分析是變電站接地網(wǎng)設(shè)計時必然要考慮的因素。傳統(tǒng)的接地網(wǎng)分析方法都是將實際不均勻的土壤視為均勻土壤，然而當(dāng)變電站接地網(wǎng)的占地面積很大時，由于有很大一部分故障電流會從深層土壤流走，因而深層土壤對接地網(wǎng)接地性能的影響必須考慮。

為了了解土壤分層情況，必須對變電站站址所在地的土壤電阻率進行現(xiàn)場測量。土壤電阻率的測量方法很多，如地質(zhì)判定法、雙回路互感法、自感法、線圈法、偶極法以及Wenner四極探測法等。而測量采用的一般是Wenner四極探測法[4]。測量接線如圖1所示。

圖1中，4個電極位于深度為b的同一條水平直線上，而且相鄰兩極之間的距離均等于a。土壤電阻率可由下式計算

如果a＞＞b，則ρ=2πa（V/I）。

由于土壤分層的存在，導(dǎo)致以上測量得到的土壤電阻率并非某一層的真實電阻率，而是視在電阻率。在測試中改變極間距a，共測得13組數(shù)據(jù)(見圖2)。

2.2 雙層土壤結(jié)構(gòu)模型的建立

由式（1）可知，Wenner四極探測法測得的土壤視在電阻率隨土壤結(jié)構(gòu)和極間距a的變化而變化，因而可以通過這組視在電阻率值并依據(jù)恒定電場理論，借助最優(yōu)化方法反演出土壤電阻率的分層結(jié)構(gòu)。

圖2 視在土壤電阻率與極間距的關(guān)系

雖然現(xiàn)在多層土壤模型的研究受到較多的關(guān)注，但目前實用的仍是雙層土壤模型。軟件CYMGRD中使用的也是雙層土壤模型，它是對垂直方向土壤不均勻的模擬和簡化，是由上層土壤電阻率ρ1、下層土壤電阻率ρ2和上層上壤厚度h 3個參數(shù)確定。

使用雙層土壤模型時，視在電阻率ρ的大小測量間距a與折射系數(shù)k有關(guān)。計算雙層土壤結(jié)構(gòu)模型的數(shù)學(xué)模型如下：

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

N為實測視在土壤電阻率個數(shù)；ρmi為實測視在上壤電阻率。

利用圖2測得的視在電阻率隨測量極間距變化的關(guān)系曲線，進行分析計算后，可以得到與測量曲線吻合得較好的有關(guān)土壤分層的結(jié)果，見表1。

表1 計算所得土壤分層結(jié)構(gòu)

3 接地網(wǎng)解決方案分析

經(jīng)計算，該變電所在最大運行方式時，110 kV側(cè)最大短路電流為5.22 kA，6 kV側(cè)為17.79 kA，避雷線分流系數(shù)為0.6。據(jù)變電站建設(shè)規(guī)劃，該站所占面積為63 m×56 m。根據(jù)前一節(jié)分析得到的站址所在地土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，下面以該站址接地網(wǎng)設(shè)計為例，對各種解決方案進行對比分析。

3.1 水平接地網(wǎng)解決方案

根據(jù)站址附近地形條件及站內(nèi)電氣設(shè)備、建筑物的分布配置，初步確定整個變電站地網(wǎng)主體尺寸為63 m×56 m。按照地網(wǎng)設(shè)計慣例，水平接地體采用60 mm×6 mm扁鋼，埋設(shè)深度為0.8 m，間距為7 m。使用CYMGRD軟件包計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同水平接地網(wǎng)面積接地電阻及鋼材用量

由表2可知，若只考慮用擴大地網(wǎng)面積的方法來降低接地網(wǎng)的接地電阻，初步確定整個變電站地網(wǎng)尺寸為63 m×56 m的方案的接地電阻為1.097 Ω，只有將地網(wǎng)尺寸擴展到119 m×112 m，才有可能達到接地電阻＜0.5 Ω的要求。這樣，不僅使水平接地網(wǎng)所需的費用會有較大的增加，而且還存在受現(xiàn)場條件限制和擴大征地等諸多問題。從水平接地網(wǎng)的接地電阻估算公可知，接地電阻按地網(wǎng)面積的平方根下降，只考慮擴大接地網(wǎng)面降低接地電阻，不是很合理。

3.2 水平接地網(wǎng)增加垂直接地極的解決方案

為了更容易地分析研究，可以將水平接地網(wǎng)看作是圓盤接地體，用圓盤接地體的電阻值近似計算水平接地網(wǎng)的接地電阻。而要分析垂直接地體的降阻作用，就可以比較圓盤接地體和帶垂直接地體的接地電阻。因與地面齊平、半徑為r的平面園盤接地體的接地電阻Rp=ρ/4r，而與地面齊平、半徑為r1的半球接地體的接地電阻Rq=ρ/2πr1，只需r1與r相等，kR%=Rp-Rq/Rp×100=π-2/π=36.3。表3列出在接地網(wǎng)對側(cè)均壓帶面積增加長度為a的Φ50鍍鋅的垂直鋼管接地體的降阻情況（假設(shè)土壤電阻率ρ=100 Ω·m）。

表3 垂直接地體降阻情況

由表3可知，當(dāng)垂直接地極的長度a約等于接地網(wǎng)的等值半徑時，對接地網(wǎng)的降阻作用＞30%，具有很好的降阻作用。而設(shè)計慣例中在地網(wǎng)中附加3 m垂直接地極的降阻作用≯3%，對降低接地網(wǎng)接地電阻作用很小。

以上結(jié)論可以從物理意義上分析，在圓盤下很細(xì)密地打入垂直接地體就相當(dāng)于使整個接地網(wǎng)變成厚度為a、直徑為r的圓柱體，如果r，a仍可近似按一個直徑為r的薄圓盤計算，那么垂直接地體對大中型接地網(wǎng)的降阻作用很小。如采用深孔長垂直接地極時，就可以與水平接地網(wǎng)形成立體接地網(wǎng)，可以起到改變接地網(wǎng)電容或電阻的目的。

根據(jù)以上分析結(jié)論，以變電站規(guī)劃面積為主接地網(wǎng)主體尺寸，考慮用增加設(shè)長垂直接地體的措施來降低接地網(wǎng)接地電阻，計算條件同上一節(jié)，垂直接地體采用Φ50鍍鋅鋼管，共12根。計算結(jié)果表4所示。

表4 不同長度垂直接地極時的接地電阻

由表4可見，為了使接地電阻達到＜0.5 Ω的目標(biāo)，如果只是增加垂直接地極的方案，就要深度為40 m的垂直接地極12根。這在實際工程施工中有一定的難度，同時，接地極的接觸電阻較大，工程實測值較該計算值要偏大。

3.3 深孔接地極爆破壓灌微生物菌降阻劑相結(jié)合的解決方案

本方案采用了鉆探深井爆破并加壓灌注降阻劑方法，該方法目前在工程中尤其在工礦企業(yè)中比較常用，而且事實證明非常有效。因降阻劑中有膨潤土成分，可以使降阻劑緊密包覆接地體并向四周擴散，從而將電流引入較深的地層散流，同時可以降低整個接地裝置的接觸電阻。在理論上，極低電阻率的物質(zhì)的降阻作用，可以用其對于垂直接地極擴大的等效直徑來反映[6]，很明顯，該方法的降阻效果是比較好的。

本工程擬采用中國瑞林工程公司研制的生物菌接地降阻劑，該降阻劑主要由膨潤土、尾礦及微生物菌按一定比例配置而成。膨潤土本身是一種優(yōu)良的接地降阻劑原料，而微生物菌生長繁殖能夠代謝某些天然的礦物元素，使礦物中的中有價離子釋放到溶液中，從而降低降阻劑的電阻率。在德興銅礦35 kV下山變電所的接地網(wǎng)改造實驗中，具有很好的降阻效果。根據(jù)實驗室的得到的該降阻劑參數(shù)，計算值如表5所示。

表5 采用爆破壓灌降阻劑的接地電阻

由表5的結(jié)果可以看出，在其他條件不變的情況下，垂直接地體長度為30 m左右就可以達到設(shè)計規(guī)范要求，使方案更經(jīng)濟合理。同時，生物菌接地降阻劑除有常規(guī)降阻劑的優(yōu)點外，還能隨著微生物菌的生長繁殖，改善周圍土壤的電阻率，進一步降低地網(wǎng)接地電阻[7]。

4 電位分布、接觸電壓分析

CYMGRD軟件中采用了IEEEstd80(2000)標(biāo)準(zhǔn)中的允許電壓判據(jù)，針對不同體重的人給出了不同的跨步電壓和接觸電壓限定值。

對于體重為50 kg的人，限定值為：

對于體重為70 kg的人，限定值為：

其中，Cs是計算因子，它是反射系數(shù)k和表層材料厚度H的函數(shù)，ρs為土壤電阻率，t為接地短路故障電流的持續(xù)時間。

以上幾種解決方案都是圍繞如何降低接地網(wǎng)的接地電阻進行分析，以期達到工程規(guī)范要求的。對于第3種推薦的方案進行了進一步的計算，得到變電站內(nèi)及其周圍的電位分布，接觸電壓和跨步電壓分布。計算得到的接觸電壓、跨步電壓曲線圖和表面電位升等位分布圖如圖3、圖4所示。

圖3 電位升等勢面圖

圖4 地電位升、接觸電壓和跨步電壓曲線圖

5 結(jié)論

1）利用科學(xué)的計算機輔助分析工具，同時結(jié)合站址的地形地質(zhì)情況，可以為我們提供一種更有效的設(shè)計方法和思路，以得到經(jīng)濟合理的設(shè)計方案。

2）CYMGRD軟件包的有關(guān)程序為分析研究復(fù)雜地質(zhì)尤其是工礦企業(yè)高土壤電阻率地區(qū)的接地網(wǎng)提供了一種有效途徑，可以給出接地網(wǎng)的接地電阻值、電位分布以及接觸電壓和跨步電壓分布。

3）本文建議采用生物菌接地降阻劑，該降阻劑除有其他降阻劑的優(yōu)點外，因其生物菌生長繁殖中，能有效地吸收周圍土壤中某些元素，使土壤中的中有價離子釋放到溶液中，更有效地降低接地電阻。

4）在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的高土壤電阻率地區(qū)，結(jié)合實測電阻率數(shù)據(jù)通過接地網(wǎng)設(shè)計的機輔分析方法綜合采用深孔垂直接地極、鉆深孔爆破并加壓灌降阻劑等方法來降低接地網(wǎng)的接地電阻。

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