基于CDEGS仿真計算的變電站接地系統(tǒng)設(shè)計

張景翯

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，濟南　250021）

基于CDEGS仿真計算的變電站接地系統(tǒng)設(shè)計

張景翯

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，濟南250021）

隨著接地技術(shù)研究的不斷深入，接地系統(tǒng)各項指標(biāo)參數(shù)的計算也變得越來越精確?；贑DEGS軟件系統(tǒng)中的各個模塊對典型變電站接地網(wǎng)設(shè)計工作進行整合。首先運用其中RESAP模塊的功能對土壤視在電阻率與測量間距之間的關(guān)系進行分析計算，建立擬建址地的土壤實際分層結(jié)構(gòu)模型；其次運用FCDIST模塊計算故障電流在接地系統(tǒng)以及接入其中的架空地線或者中性線間的分布情況；最后運用MALZ模塊對變電站接地系統(tǒng)的安全性進行分析，對各項因素對地表跨步電壓分布的影響進行模擬。最終確定該變電站接地網(wǎng)的設(shè)計方案，并結(jié)合建成的接地網(wǎng)實測接地電阻反演校驗仿真計算的準(zhǔn)確性。

接地網(wǎng)；故障電流；地電位升高；跨步及接觸電位差；安全性評估

0　引言

近年來隨著用電負(fù)荷的不斷增加，系統(tǒng)容量不斷增大，導(dǎo)致流經(jīng)地網(wǎng)的短路電流也愈來愈大；電網(wǎng)覆蓋范圍的擴大，促使電網(wǎng)規(guī)模不斷復(fù)雜化，電網(wǎng)不可抗因素引發(fā)的事故量愈來愈多；隨著西電東送、綠色能源發(fā)展，超、特高壓迅猛發(fā)展，遠(yuǎn)距離輸電對電力網(wǎng)安全要求愈來愈高。為了最大程度保證電網(wǎng)、人身、設(shè)備的安全，除了提高電網(wǎng)設(shè)計、施工、操作人員的專業(yè)技能，增強電力設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量的監(jiān)管，及時針對各種危險因素的預(yù)警防范，盡量減少發(fā)生各種短路事故。同時還需正視接地系統(tǒng)的重要性，在事故發(fā)生后，保證人身安全，降低設(shè)備損失。

1　接地設(shè)計研究現(xiàn)狀

變電站接地系統(tǒng)設(shè)計中涉及的理論研究目前均已比較成熟，但將先進的理論研究應(yīng)用于工程實際中仍有相當(dāng)?shù)碾y度。首先，因不同工程實地環(huán)境因素復(fù)雜，很難全面考慮各種因素對接地系統(tǒng)造成的影響；其次，理論研究對影響因素大多都給出了解決方法，但相對工程量大，工期緊張，詳細(xì)的分析研究耗費時間過長；第三，工程中常采用現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計手冊［1-3］給出的計算方法，該方法均是對詳細(xì)理論的理想簡化，計算結(jié)果會有一定誤差，對超高壓或樞紐變電站而言，計算誤差會帶來許多額外的工作量，采用成熟的軟件進行仿真計算和輔助設(shè)計是必要的。

接地網(wǎng)設(shè)計輔助軟件中，CDEGS能夠分析各種電磁場問題?；贑DEGS軟件包進行接地系統(tǒng)的設(shè)計與分析按照以下步驟進行。

1）結(jié)合工程實際情況，了解站址區(qū)域地質(zhì)情況及該站在系統(tǒng)中的地位，掌握對側(cè)站及線路架設(shè)情況。

2）進行站址區(qū)域的土壤電阻測量，并對測量結(jié)果整理分析。

3）根據(jù)土壤電阻實測值，建立土壤模型，選取最能反映真實土壤情況的分層模型。

4）根據(jù)系統(tǒng)短路電流情況，線路分流情況等具體分析該變電站的最大入地故障電流。

5）估算接地電阻值，并結(jié)合最大入地電流選擇接地系統(tǒng)導(dǎo)體材質(zhì)、截面等。

6）繪制接地系統(tǒng)設(shè)計圖，通過多方案比選優(yōu)化，仿真計算出接地系統(tǒng)的各指標(biāo)參數(shù)值。

7）通過對接地電阻、接觸電位差和跨步電位差允許值和計算結(jié)果進行比較，如超出閥值，需采取相應(yīng)措施，如水平或豎直延伸接地網(wǎng)，調(diào)整水平接地體布置密度和垂直接地體數(shù)量及長度，根據(jù)地質(zhì)特點打深井、采用爆破技術(shù)或填充降阻劑甚至更換土壤等措施［4］。

8）測量接地電阻實際值，通過實測值與計算值比較，校驗前4步是否存在問題，如有較大誤差，需返回前面相應(yīng)步驟解決誤差來源，如涉及安全性差異，需采取相應(yīng)補救措施。

依照常規(guī)500 kV變電站設(shè)計方案（站區(qū)長約為230 m，寬為140 m），主要就土壤模型建立、變電站入地故障電流計算、變電站接地系統(tǒng)模型建立、安全評估、接地網(wǎng)接地電阻測量5個主要方面進行闡述。

2　土壤模型建立

對站址土壤進行實測，測線位置如圖1所示。

圖1　測線位置示意圖

計算站址區(qū)對角線長度約為270 m，按照上圖中測線1～6進行土壤電阻率測量。測量結(jié)果如表1所示。

表1　土壤電阻測量結(jié)果　Ω

該站位于地理位置相對平坦的郊區(qū)，附近地上無架空線路，地下無管道、電纜等。結(jié)合站址情況分析以上測量結(jié)果，在不同測線位置相同極間距的測量值基本相同，可排除干擾因素［5-6］。針對上述6條測線測量結(jié)果，可進行取數(shù)據(jù)平均值處理，求出各電極間距對應(yīng)平均土壤電阻率。運用CDEGS中RESAP模塊，自動決定土壤層數(shù)功能來獲得等效的土壤模型。如圖2所示。

通過測量數(shù)據(jù)形成的圖案和計算的電阻率曲線可以說明該站址區(qū)域土壤層的特點：電阻率大小中等的頂層，對應(yīng)測量間距≤1 m；頂層之下是電阻率非常高的第二層，間距為1～30 m；第三層電阻率小于第二層，這是因為測量間距在30 m后，測量電阻率小于第二層；底層所對應(yīng)的曲線在間距非常大時的測量平緩部分，即使測量曲線沒有延伸到足夠遠(yuǎn)以真實的顯示這一部分，仍可將其用在分析中。

圖2　自動決定土壤層數(shù)的運算結(jié)果

更改土壤類型界面中土壤層數(shù)為自定義三層，進行優(yōu)化計算得到的土壤模型如圖3所示。

圖3　定義三層土壤的運算結(jié)果

可見三層土壤模型的土壤電阻計算值與測量值誤差為7.67%，仍可如實反應(yīng)土壤情況，為簡化后續(xù)計算，選擇該站址土壤模型如表2。

表2　500 kV變電站站址土壤模型

3　變電站入地故障電流計算

根據(jù)系統(tǒng)遠(yuǎn)景規(guī)劃，繪制變電站接線示意圖，如圖4所示。

電廠線或確定對側(cè)站負(fù)荷流入本站的線路將對變電站故障提供貢獻(xiàn)電流，依據(jù)雙側(cè)消去法理論分析［7-10］，確定這些線路的相關(guān)參數(shù)，包括線路總長度，檔距、桿塔接地電阻、桿塔高度、導(dǎo)地線對地相對位置等。

運用FCDIST模塊對線路依次定義，并填寫各參數(shù)，完成后運行便可計算各條線路故障電流在各桿塔上的分路電流及變電站內(nèi)入地電流。最終計算得出，入地電流幅值為13 368 A。

圖4　500 kV遠(yuǎn)景接線示意

接地網(wǎng)入地電流的大小直接影響到接地材料及接地裝置截面的選擇，同時對地電位升高、接觸電位差及跨步電位差的計算帶來較大影響。

4　變電站接地系統(tǒng)模型建立

4.1接地材料選取

結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［11-12］，接地裝置材料主要依據(jù)站區(qū)地質(zhì)勘測報告中站址區(qū)地下水類型及深度、地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋的腐蝕強度選擇。該變電站地質(zhì)報告中地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕強度為中度，對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕強度為微弱，且不涉及室內(nèi)或地下站，可選用熱鍍鋅鋼、銅覆鋼或銅質(zhì)，分別計算接地裝置導(dǎo)體的最小截面，結(jié)果如表3所示。表中：Ig為入地電流；Sg為導(dǎo)體截面積；C為導(dǎo)體熱穩(wěn)定系數(shù)；te為故障消除時間，取0.5 s。滿足公式。

表3　接地裝置導(dǎo)體最小截面計算值

考慮變電站在設(shè)計使用年限內(nèi)導(dǎo)體的腐蝕總量，熱鍍鋅鋼腐蝕速率按0.065 mm/a，銅覆鋼、銅質(zhì)均按銅的腐蝕速率0.003 mm/a計算。戶外變電站接地材料使用壽命達(dá)到40年，故應(yīng)計算接地網(wǎng)40年腐蝕總厚度選擇導(dǎo)體最小截面。熱鍍鋅鋼使用壽命內(nèi)腐蝕總厚度為2.6 mm，銅覆鋼、銅使用壽命內(nèi)腐蝕總厚度為0.12 mm。

銅作為國內(nèi)外常用的接地網(wǎng)材料，具有耐腐蝕性強，電氣性能良好，后期少維護，性能穩(wěn)定且在土壤電阻率低的地方，用銅材接地網(wǎng)降低接地電阻效果明顯等優(yōu)點。該變電站為500 kV變電站，屬于地區(qū)樞紐變電站，減少因地網(wǎng)檢修、更換帶來一系列不必要的損失顯得尤為重要，且考慮到擬建站址區(qū)地下水呈弱堿性，pH值為7.3，本工程采用40 mm×4 mm的銅作為主接地網(wǎng)。

4.2利用SESCAD繪制變電站接地網(wǎng)

運用SESCAD模塊繪制變電站接地網(wǎng)，初步方案為：接地網(wǎng)埋設(shè)深度為0.8 m；水平接地網(wǎng)為24+15根，即導(dǎo)體間距折合等間距為10 m；接地網(wǎng)邊緣、主要設(shè)備區(qū)引下處網(wǎng)格焦點，設(shè)置2.5 m長垂直接地極。

計算接地電阻為0.333 3 Ω，分析地電位升高、接觸和跨步電位差最大值如表4所示。

表4　接地網(wǎng)性能參數(shù)計算值

4.3各參量允許值計算

1）本變電站接地電阻允許最大值為

2 000/Ig=2 000/13 368=0.15（Ω）2）通過對故障消除時間的選取，500 kV變電站一般不大于0.5 s，同時對有無表層高電阻材料等進行設(shè)置，可利用MALZ模塊的安全閥值計算功能，計算安全的接觸電位差和跨步電位差允許值。計算結(jié)果如表5所示。

表5　允許接觸、跨步電位差

4.2節(jié)的接地方案接觸電位差與表5允許值比較，無法確保人身安全，需對設(shè)計方案優(yōu)化。

4.4布置優(yōu)化方案

主接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方案為：接地網(wǎng)埋設(shè)深度為0.8 m；綜合作用效果及投資成本水平接地網(wǎng)為30+ 20根，即等間距布置情況下導(dǎo)體間距約7.5 m開展設(shè)計；接地網(wǎng)邊緣及主要設(shè)備區(qū)引下處網(wǎng)格焦點，設(shè)置2.5 m長垂直接地極。根據(jù)征地紅線，適當(dāng)擴大接觸網(wǎng)面積，每邊擴大1 m。接地網(wǎng)方案如圖5所示。

圖5　接地系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)該主接地網(wǎng)設(shè)計方案，運用CDEGS的MALZ模塊，計算接地電阻為0.331 6 Ω，分析地電位升高、接觸和跨步電位差如圖6～8。

圖6　接地系統(tǒng)地電位升高分布

圖7　接地系統(tǒng)接觸電位差分布

圖8　接地系統(tǒng)跨步電位差分布

優(yōu)化后，不等間距接地網(wǎng)較優(yōu)化前接地電阻及地電位升高有一定降低，接觸電位差、跨步電位差顯著降低，接觸電位差降低約42.1%，跨步電位差降低約55.9%，安全性能得到大大改善。如表6所示。

表6　接地系統(tǒng)電氣性能參數(shù)比較

5　安全評估

接地網(wǎng)接地電阻R=0.331 6 Ω，不滿足小于0.15 Ω的要求。因此，需驗算接觸電位差和跨步電位差。

變電站內(nèi)地面無高阻層時，跨步電位差可以滿足要求，但接觸電位差仍有大面積不滿足要求，如圖9所示，有色區(qū)域均超出允許值。

圖9　無高阻表層時接觸電位差數(shù)值分析

考慮表層增加碎石或高阻瓷磚等措施，即采用表層電阻率1 000 Ω·m時的允許接觸電位差值為348.2 V，高于284 V，經(jīng)校驗滿足安全要求。

6　接地電阻測量

接地系統(tǒng)的設(shè)計需要上述大量的數(shù)據(jù)支撐及復(fù)雜的仿真計算，設(shè)計的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到接地系統(tǒng)的性能，接地電阻的測量可以用來衡量設(shè)計的接地系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期值。按照我國現(xiàn)行的變電站檢修規(guī)程規(guī)定，接地電阻測量是一個持續(xù)的，周期性的工作。

接地電阻測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是一個至關(guān)重要的問題。采用有效的測量方法、排除周圍環(huán)境因素干擾、對測量結(jié)果進行校正都是確保測量結(jié)果準(zhǔn)確的有效手段。目前常采用的有：采用大電流測量從而降低噪聲干擾程度［13］；使用45～55 Hz不等的非工頻電源信號多次測量，消除工頻信號對地網(wǎng)的干擾；通過控制電壓、電流極間角度，測量后進行校正消除兩極引線互感產(chǎn)生的誤差等方法來提高測量的準(zhǔn)確度［14］。

對該變電站進行投運后接地電阻測量，采用變頻電源消除干擾信號，測量得到的接地網(wǎng)接地電阻為0.323 9 Ω，與計算值0.331 6 Ω相比較，誤差僅為-2%。

可見，所設(shè)計的500 kV變電站接地系統(tǒng)采集的各種資料均接近工程實際情況，計算的各項參數(shù)結(jié)果及安全性評估結(jié)果均有參考價值。

7　結(jié)語

結(jié)合一個500 kV變電站，對變電站接地系統(tǒng)設(shè)計做了系統(tǒng)的研究，分析單層土壤模型的缺陷，并從土壤電阻率測量入手，保證站區(qū)土壤電阻率測量的準(zhǔn)確性，為后續(xù)工作打下堅實基礎(chǔ)。利用CDEGS中RESAP模塊對實測值進行仿真計算，構(gòu)建合理、真實的土壤模型；考慮到系統(tǒng)短路電流日益增大，精確分析接地網(wǎng)入地故障電流的大小變得尤為重要。采用CDEGS中FCDIST模塊搭建系統(tǒng)模型仿真分析；依據(jù)土壤模型及接地網(wǎng)入地故障電流，進行接地系統(tǒng)設(shè)計，并參照仿真結(jié)果進行優(yōu)化，最終得出了滿足安全性要求的500 kV變電站接地網(wǎng)布置方式及安全措施。并于變電站建成后的接地電阻測量值校驗設(shè)計方案準(zhǔn)確性。

［1］GB/T 50065—2011交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］IEEE std80-2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding［S］.USA：IEEE，2000.

［3］水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊（電氣一次部分）［M］.北京：中國電力出版社，1989.

［4］丁榮鳳，吳萬軍.變電站接地裝置的設(shè)計［J］.電力學(xué)報，2000，15 （3）：225-227.

［5］J.Ma and F.P.Dawalibi.Study of Influence of buried Metallic Structures on Soil Resistivity Measurements［C］.IEEE Transactions on Power Delivery，Vol.13，No.2，April 1998，pp.356-363.

［6］J.Ma and F.P.Dawalibi.Influence of Inductive Coupling between Leads on Soil Resistivity Measurements in Multilayer Soils［C］. IEEE/PES Transactions on PWRD，Vol.13，No.4，pp.999-1 004，October 1998.

［7］張波，吳錦鵬，肖紅，等.變電站內(nèi)短路電流分流系數(shù)影響因素分析［J］.高電壓技術(shù)，2012，3（38）：720-728.

［8］G.Yu，J.Ma，and F.P.Dawalibi.Computation of return Current Through Neutral Wires in Grounding System Analysis［C］∥Proceedings of the third IASTED International Conference onPower and Energy System.Las Vegas，Nevada，Nov.8-10，1999，pp.455-459.

［9］孫登敏.變電站短路時架空地線分流系數(shù)取值研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2012.

［10］鄒軍，袁建生，周宇坤，等.統(tǒng)一廣義雙側(cè)消去法與架空線路地下電纜混合輸電系統(tǒng)故障電流分布的計算［J］.中國電機工程學(xué)報，2002，10（22）：112-115.

［11］國家電網(wǎng)公司運維檢修部.十八項電網(wǎng)重大反事故措施及編制說明［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［12］胡慶來，李漢峰.IEEE接地設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與我國接地設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的異同分析［J］.電力建設(shè)，2013，34（1）：100-104.

［13］李增.復(fù)雜土壤地區(qū)接地網(wǎng)電氣特性的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［14］徐達(dá)明，羅兵，林志明，等.500 kV北郊站特大型地網(wǎng)接地電阻測量及分析.高電壓技術(shù)，2001，27（104）：71-72，76.

Grounding System Design Based on Simulation of CDEGS in Substations

ZHANG Jinghe
（Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

With the development of grounding technique，parameters calculation of the substation grounding system become more and more precise.The design of grounding system is integrated based on modules of CDEGS software system.Firstly，the soil texture of proposed substation is modeled with the RESAP module.Secondly，distributions of fault current in the grounding system and the overhead earth wire which accessed to the grounding system or neutral point wire are calculated by using the FCDIST module.Thirdly，the security of grounding system is analyzed，and the variation of step voltage with the factors transformation is simulated using the MALZ module.Finally，the final design proposal is confirmed，and the accuracy of simulation is verified by the actual testing of ground resistance.

grounding grid；fault current；ground potential rise；touch and step voltages；safety evaluation

·專題論述·

TM63；TM862

A

1007-9904（2015）09-0014-05

2015-07-13

張景翯（1986），女，從事電氣一次設(shè)計工作。