高壓試驗(yàn)室接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊碧軒，來(lái)文娟，張彥濤

(1.陜西省防雷中心，西安　710014；2.陜西華安防雷工程技術(shù)有限責(zé)任公司，西安　710014)

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高壓試驗(yàn)室接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊碧軒1，來(lái)文娟2，張彥濤2

(1.陜西省防雷中心，西安710014；2.陜西華安防雷工程技術(shù)有限責(zé)任公司，西安710014)

摘要：以高壓實(shí)驗(yàn)室為例介紹了一種高壓場(chǎng)所地網(wǎng)設(shè)計(jì)的方法。通過(guò)建立雙層土壤模型結(jié)構(gòu)，利用四級(jí)法測(cè)量多組視在土壤電阻率，構(gòu)建最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解確定土壤參數(shù)；再根據(jù)土壤參數(shù)，利用CDEGS軟件中的建模，來(lái)估算接地系統(tǒng)的組織及最大接觸電壓、最大跨步電壓來(lái)指導(dǎo)工程施工。

關(guān)鍵詞：接地系統(tǒng)；最大接觸電壓；最大跨步電壓

接地系統(tǒng)是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，防止人身電擊事故，預(yù)防電氣火災(zāi)，防止雷擊和靜電損害人民生命與財(cái)產(chǎn)安全的基本措施。但實(shí)際上理想的接地裝置(阻值為零)是不存在的，在通信站、軍事設(shè)施、變電站建設(shè)中，對(duì)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅僅有接地電阻值的要求，常常還有最大接觸電壓和最大跨步電壓的要求，如何在接地系統(tǒng)的建設(shè)中滿(mǎn)足這些要求，結(jié)合實(shí)際工作的一些做法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析探討。

1高壓試驗(yàn)室接地要求分析

根據(jù)DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》規(guī)定，在確定發(fā)電廠、變電站的接地系統(tǒng)的形式和布置時(shí)，應(yīng)降低接觸電壓和跨步電位并達(dá)到安全值以下。對(duì)于有效接地和低電阻接地系統(tǒng)的電氣裝置保護(hù)接地電阻要求滿(mǎn)足R<2 000/I(R為參考了季節(jié)變化的最大接地電阻，I為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流)。可以看出，接地電阻的數(shù)值不是一個(gè)具體的規(guī)定值，而是由最大入地電流的大小所決定的。確定接地系統(tǒng)的安全阻值，主要需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：① 如果出現(xiàn)高壓閃絡(luò)，最大的入地電流會(huì)造成多高的地電位抬升；②在試驗(yàn)期間工作區(qū)的人員安全問(wèn)題。

2土壤雙層模型

2.1四級(jí)法和視在土壤電阻率

對(duì)于均勻土壤，四級(jí)法測(cè)出的土壤電阻率

(1)

其中，R是電壓級(jí)電壓V與電流級(jí)間流過(guò)的電流I之比,a是測(cè)量電極之間的間距。R的值可以用接地電阻儀直接測(cè)出。對(duì)于雙層土壤模型，利用四級(jí)法測(cè)出的土壤電阻率為視在電阻率[2]。根據(jù)四級(jí)法測(cè)量的土壤視在電阻率與上層土壤電阻率、土壤的折射系數(shù)以及上層土壤的厚度存在關(guān)系式

(2)

其中，n為鏡像的次數(shù)。在實(shí)際計(jì)算中，n取10～20即可。

2.2雙層土壤參數(shù)的計(jì)算方法

2.2.1RESIST法為了確定雙層土壤模型參數(shù)，運(yùn)用最優(yōu)化原理定義最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

(3)

ρa(bǔ)(aj)為有限表達(dá)式?jīng)Q定的視在電阻理論值。當(dāng)fφ(ρ1，k,h)極小時(shí)，所求得的ρ1、k和h值就是該土壤模型的最優(yōu)解。對(duì)于這樣一個(gè)無(wú)約束的極小化問(wèn)題，可以采用快速下降法進(jìn)行求解。

2.2.2SPET法對(duì)公式(3)進(jìn)行適當(dāng)修正后，土壤視在電阻率還可以改變表達(dá)形式。

當(dāng)ρ2>ρ1時(shí)，

(4)

其中，vb=ρ1[-k-ln(1-k)]/(2πh),

c=16.413 3(ln(ρ2/ρ1))0.393468，

β=2.0-0.136 074ln(ρ2/ρ1)。

當(dāng)ρ2<ρ1時(shí)，

ρa(bǔ)=ρ2+(ρ1-ρ2)[2e-b(a)a-e-b(a)2a]，

其中，b(a)=[bm-(bm-0.673 191)e-0.479 512a/h]/h，

bm=1.333 35-0.882 645(ρ2/ρ1)0.697 106。

(5)

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以使用相同的方法或者遺傳算法等優(yōu)化算法對(duì)上式進(jìn)行最小化，從而得出所對(duì)應(yīng)土壤的各個(gè)參數(shù)。

3高壓試驗(yàn)室接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)

以西安某高壓試驗(yàn)室為例介紹高壓試驗(yàn)室接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)室是進(jìn)行高壓測(cè)試和模擬的試驗(yàn)室，試驗(yàn)室配備有500 kV工頻試驗(yàn)變壓器、1 200 kV沖擊電壓發(fā)生器和±600 kV直流高壓發(fā)生器各一臺(tái)。由于試驗(yàn)室一側(cè)靠近山邊，一側(cè)靠近公路，土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤下層為巖石。為了防止低電位反擊和使用設(shè)備產(chǎn)生靜電感應(yīng)，必須給該試驗(yàn)室設(shè)計(jì)獨(dú)立的接地網(wǎng)。

3.1土壤電阻率的測(cè)量

采用四級(jí)法分別測(cè)量試驗(yàn)室所在地兩側(cè)的土壤電阻率，測(cè)量?jī)x器采用ZC29B-2型接地電阻測(cè)試儀,測(cè)量時(shí)已連續(xù)3 d晴天，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1　公路側(cè)土壤電阻率測(cè)試結(jié)果

表2　靠山側(cè)土壤電阻率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在靠公路一側(cè)土壤宜分為兩層考慮，0～4 m范圍土壤電阻率變化較快，可取45 Ω/m，4 m以下取8 Ω/m；靠山一側(cè)土壤電阻率明顯大于公路側(cè)，其原因可能是地下構(gòu)成為巖石。若也分為兩層考慮，則0～3 m范圍土壤電阻率可取150 Ω/m,3 m以下取120 Ω/m。

3.2地網(wǎng)接地電阻等的計(jì)算

(1)接地電阻值、最大接觸電壓和最大跨步電壓的計(jì)算

利用靠山一側(cè)實(shí)測(cè)的土壤電阻率數(shù)據(jù)，通過(guò)CDEGS軟件(CDEGS軟件是由加拿大SES公司開(kāi)發(fā)，解決電力系統(tǒng)接地、電磁場(chǎng)和電磁干擾等工程問(wèn)題的強(qiáng)大工具軟件，并可以解決陰極保護(hù)等問(wèn)題。)的RESAP模塊計(jì)算得到所需地網(wǎng)模型(見(jiàn)圖1)?？紤]季節(jié)因素，上層土壤電阻率取152.7 Ω/m，上層土壤厚度取2.8 m，下層土壤電阻率取24.7 Ω/m。入地電流為10 A，計(jì)算得到的接地電阻為1.103 7 Ω，最大接觸電壓和最大跨步電壓分別8.247 V和3.435 V。

圖1　接地系統(tǒng)在CDEGS軟件中的建模

(2)降低地網(wǎng)的接地阻值

計(jì)算得到的接地電阻的阻值(1.103 7 Ω)大于1 Ω，為了降低地網(wǎng)的接地阻值，在原地網(wǎng)設(shè)計(jì)中再增加17根離子棒接地極，可以有效降低地網(wǎng)接地電阻至0.6 Ω左右。另外，為了減小雜散電容對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，建議在試驗(yàn)設(shè)備的底部使用鐵板鋪墊，測(cè)量線路從鐵板上的開(kāi)口進(jìn)入地下電纜溝再引入控制室。

4結(jié)論

(1)通過(guò)建立雙層土壤模型來(lái)對(duì)高壓試驗(yàn)室接地網(wǎng)的布局及使用接地材料數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，既能滿(mǎn)足接地阻值的要求，又能對(duì)試驗(yàn)室的最大接觸電壓和最大跨步電壓進(jìn)行估算，對(duì)接地網(wǎng)的施工具有指導(dǎo)意義。

(2)利用實(shí)測(cè)的土壤電阻率數(shù)據(jù)，通過(guò)CDEGS軟件RESAP模塊計(jì)算，估算出設(shè)計(jì)地網(wǎng)的最大接觸電壓和最大跨步電壓的方法，可以在高壓試驗(yàn)室等高壓場(chǎng)所的防雷安全設(shè)計(jì)做模擬計(jì)算，準(zhǔn)確指導(dǎo)工程施工。

李崇福,蘇靜.Rotronic Hygrolab多路溫濕度數(shù)據(jù)采集器本地化應(yīng)用開(kāi)發(fā)[J].陜西氣象，2015(6)：43-44.

(3)利用此法，在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中計(jì)算雷擊點(diǎn)附近的最大接觸電壓和最大跨步電壓，量化風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，從而有針對(duì)性的采取防護(hù)措施。

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作者簡(jiǎn)介：李崇福(1963—)，男，河南鞏義人，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事氣象裝備技術(shù)保障工作。

收稿日期：2015-04-22

文章編號(hào)：1006-4354(2015)06-0043-03

中圖分類(lèi)號(hào)：P429

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A