不同土壤結(jié)構(gòu)的牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計

丁 峰

0 前言

牽引變電所接地是維護(hù)牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行，保障設(shè)備及人身安全，防止雷電及靜電危害等必不可少的措施。根據(jù)（TB10009-2005）中相關(guān)規(guī)定，牽引變電所接地電阻值不應(yīng)大于0.5 Ω（當(dāng)流經(jīng)接地裝置的入地短路電流≥4 000 A 時），在特殊條件下，接地電阻值可提高到5 Ω[1]。然而，在處于高土壤電阻率地區(qū)且地網(wǎng)面積受限的牽引變電所，盡管采取了相關(guān)措施，也很難達(dá)到要求；即使采取措施使接地電阻滿足了要求，也不能完全排除接觸電勢及跨步電勢的危險，甚至處于技術(shù)經(jīng)濟(jì)均不合理的境地[2，3]。為保障供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行、保障操作人員的人身安全及變配電設(shè)備的安全，需要針對不同的地區(qū)、不同的土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)分析，合理設(shè)計，從而設(shè)計出滿足安全運(yùn)行要求的地網(wǎng)[4～6]。

由加拿大SES 公司開發(fā)的CDEGS 軟件具有對土壤結(jié)構(gòu)及接地系統(tǒng)進(jìn)行分析計算的功能。本文利用CDEGS 軟件，通過對不同實(shí)測土壤電阻率的分析，模擬得出不同的土壤結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)該模型制定相應(yīng)的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及進(jìn)行仿真計算，以更準(zhǔn)確地評估地網(wǎng)性能，從而滿足牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求。該方法及思路可為牽引供電系統(tǒng)的接地設(shè)計提供借鑒。

1 接地系統(tǒng)設(shè)計

對于牽引變電所接地網(wǎng)，在以往的設(shè)計中常存在一種誤區(qū)，即過渡強(qiáng)調(diào)接地電阻值應(yīng)不大于0.5 Ω，片面地認(rèn)為變電所接地電阻只要做到小于0.5 Ω即可滿足接地設(shè)計要求；為了達(dá)到小接地電阻，甚至耗費(fèi)極大的物力、財力。隨著國內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展及與之配套的220 kV、330 kV 外電系統(tǒng)的接入，入地故障電流也隨之不斷增大，為確保人身及設(shè)備安全，維護(hù)供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，僅靠降低接地電阻來保障安全已變得越來越困難，尤其是高土壤電阻率地區(qū)。

對牽引變電所而言，其接地的主要目的是為了在正常和事故狀態(tài)以及在所內(nèi)遭受雷擊的情況下，利用大地作為導(dǎo)流回路，將所內(nèi)設(shè)備接地處的電位鉗制在允許的安全范圍之內(nèi)。若所內(nèi)地網(wǎng)設(shè)計不合理，在某些情況下，變電所接地電阻即使很低，在發(fā)生接地故障時，仍可能出現(xiàn)很高的電位梯度，給運(yùn)行人員和設(shè)備帶來危險[3]。因此，牽引變電所的接地設(shè)計，除滿足小接地電阻的要求外，還應(yīng)綜合考慮接觸電勢和跨步電勢的要求，即接地系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)整體考慮，根據(jù)不同的土壤結(jié)構(gòu)制定出不同的接地方式，以達(dá)到均衡接地[2]的目的。

接地設(shè)計的先決條件是應(yīng)知道決定地中電流分布規(guī)律的牽引變電所所址所在地的土壤電阻率。由于土壤電阻率是由大地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定，隨著地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化其常常表現(xiàn)出不均勻性，即變化范圍很大。從現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)來看，在同一區(qū)域，隨著地層的不同，土壤電阻率的變化范圍在幾十到上千Ω·m，因此，在工程設(shè)計中應(yīng)對各實(shí)測的土壤電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析、處理，以確定牽引變電所所址處的大地結(jié)構(gòu)等效土壤模型，并針對該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行相應(yīng)的地網(wǎng)計算、設(shè)計，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理的接地設(shè)計目的。

2 工程應(yīng)用分析

2.1 工程實(shí)例1

某新建電氣化鐵路擬建牽引變電所，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測土壤電阻率數(shù)據(jù)，運(yùn)用CDEGS 軟件對牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 實(shí)例1 變電所土壤結(jié)構(gòu)分析曲線圖

由分析結(jié)果可見，該所土壤結(jié)構(gòu)可大致分為4層；擬合曲線顯示，其土壤電阻率值根據(jù)地層由淺入深依次呈遞增趨勢。據(jù)此土壤結(jié)構(gòu)分別作地網(wǎng)導(dǎo)體等距分布及不等距分布2 種方案。

（1）等距分布方案。地網(wǎng)水平接地體采用等距離布置，邊緣處設(shè)置垂直接地體。對該結(jié)構(gòu)地網(wǎng)作仿真計算，得變電所接地電阻值2.270 9 Ω（＞0.5 Ω），另所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢計算結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2 及圖3 見，變電所接觸電勢及跨步電勢峰值均出現(xiàn)在地網(wǎng)邊緣處；根據(jù)二維等高線圖，所內(nèi)跨步電勢滿足要求，但接觸電勢無法滿足安全運(yùn)行需要。

圖2 接地體等距分布接觸電勢二維等高線圖

圖3 接地體等距分布跨步電勢二維等高線圖

（2）不等距分布方案。地網(wǎng)水平接地體采用邊緣密集、中部稀松布置方式，且仍在地網(wǎng)邊緣處設(shè)置垂直接地體。根據(jù)仿真結(jié)果，變電所接地電阻值2.265 0 Ω（＞0.5 Ω），其接觸電勢、跨步電勢見圖4 和圖5。

由圖4 和圖5 可見，采用導(dǎo)體不等距分布方案后，變電所接地電阻值雖變化不大，但地網(wǎng)接觸電勢性能明顯優(yōu)于等距分布地網(wǎng)，已基本能滿足安全運(yùn)行要求。

圖4 接地體不等距分布接觸電勢二維等高線圖

圖5 接地體不等距分布跨步電勢二維等高線圖

2.2 工程實(shí)例2

另新建電氣化鐵路牽引變電所，根據(jù)實(shí)測土壤電阻率得牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 實(shí)例2 變電所土壤結(jié)構(gòu)分析曲線圖

圖6 顯示，本所土壤電阻率值由淺入深依次遞減。作等距分布及不等距分布地網(wǎng)仿真，分析如下。

（1）等距分布方案。根據(jù)仿真計算，變電所接地電阻值0.432 58 Ω（＜0.5 Ω）。所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢結(jié)果如圖7 及圖8。由各仿真結(jié)果可知，采用等距分布方案設(shè)置地網(wǎng)，接地系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)可滿足安全運(yùn)行要求。

圖7 接地體等距分布接觸電勢三維視圖

圖8 接地體等距分布跨步電勢三維視圖

（2）不等距分布方案。對不等距分布方案進(jìn)行仿真計算，得變電所接地電阻值為0.436 15 Ω（＜0.5 Ω）。所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 接地體不等距分布接觸電勢三維視圖

圖10 接地體不等距分布跨步電勢三維視圖

由上述各圖可見，采用導(dǎo)體不等距分布方案亦可滿足安全運(yùn)行要求，但與等距分布方案相比，不等距分布方案地網(wǎng)接觸電勢及跨步電勢值較高。

2.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果可見，牽引變電所接地，在無其他降阻措施時，其地網(wǎng)面積一經(jīng)確定，則接地電阻值就已基本確定，地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)體數(shù)量的變化對減小接地電阻值作用極?。▽?shí)例1 中地電阻值由2.270 9 Ω降至2.265 0 Ω僅變化了0.26%），故對于高土壤電阻率地區(qū)接地系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)從均衡電位入手，統(tǒng)一考慮接地電阻、接觸電勢及跨步電勢，進(jìn)行整體設(shè)計，以使接地設(shè)計經(jīng)濟(jì)、合理，并滿足安全運(yùn)行要求。

另對變電所內(nèi)接觸電勢及跨步電勢而言，由于最大跨步電勢安全門檻值常高于接觸電勢，因此滿足了所區(qū)內(nèi)接觸電勢的安全要求，也即可滿足跨步電勢的安全要求；仿真結(jié)果亦顯示，與接觸電勢相比，跨步電勢的安全要求通常較易滿足。

此外，根據(jù)仿真結(jié)果，對于不同土壤結(jié)構(gòu)、不同電阻率分布地區(qū)的接地設(shè)計，應(yīng)考慮以下2 個方面：

（1）當(dāng)表層土壤電阻率小于深層土壤電阻率時，應(yīng)在接地網(wǎng)邊緣區(qū)放置較多的導(dǎo)體，以減小接觸電勢及跨步電勢，達(dá)到均衡接地。

（2）當(dāng)表層土壤電阻率大于深層土壤電阻率時，接地網(wǎng)內(nèi)導(dǎo)體應(yīng)均勻布置，以使地網(wǎng)達(dá)到最佳效果。

3 結(jié)束語

牽引變電所接地系統(tǒng)是否能夠滿足安全運(yùn)行要求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否合理，取決于地網(wǎng)設(shè)計方法的正確性。對接地系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮，既應(yīng)避免僅從理論出發(fā)，脫離實(shí)際，也應(yīng)避免只簡單注重低接地電阻，而忽視對地電位分布的分析；系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)工程實(shí)施地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)狀況，具體分析，具體設(shè)計，做到安全可靠，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，從而達(dá)到均衡電位接地，滿足安全運(yùn)營的需要。

[1] TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

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