影響接地系統(tǒng)安全的關(guān)鍵要素研究

付學(xué)文, 馬振宏, 魏智娟, 顧爽, 王中亮, 孔國(guó)良

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 邢臺(tái)供電分公司，河北 邢臺(tái) 054001)

影響接地系統(tǒng)安全的關(guān)鍵要素研究

付學(xué)文, 馬振宏, 魏智娟, 顧爽, 王中亮, 孔國(guó)良

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 邢臺(tái)供電分公司，河北 邢臺(tái) 054001)

為給接地系統(tǒng)的施工及技術(shù)改造提供一些理論依據(jù)，研究了影響接地系統(tǒng)安全的關(guān)鍵要素。采用加拿大SES公司的CDEGS軟件，根據(jù)工程實(shí)際中的土壤結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)故障電流流入變電站的位置、土壤結(jié)構(gòu)、地網(wǎng)網(wǎng)格間距、垂直接地體數(shù)量與形狀、地網(wǎng)邊角角度、地網(wǎng)外延水平接地體、地表土壤電阻率等7個(gè)方面系統(tǒng)地仿真，論證了影響接地系統(tǒng)安全的關(guān)鍵要素，認(rèn)為故障電流在接地網(wǎng)邊角地帶時(shí)風(fēng)險(xiǎn)最大，可以用改變地網(wǎng)形狀或土壤電阻率等方法提高電力系統(tǒng)的接地可靠性。

接地系統(tǒng)；接地電阻；跨步電壓；接觸電壓

隨著電力系統(tǒng)容量的逐步加大，因鳥(niǎo)害[1]、雷擊[2]、風(fēng)偏[3]、誤操作等原因致使流經(jīng)變電站、發(fā)電廠接地系統(tǒng)的故障入地電流愈來(lái)愈大，影響電力系統(tǒng)的供電可靠性。加拿大SES公司發(fā)布的接地系統(tǒng)分析軟件包CDEGS目前已基本得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的認(rèn)可，他們將其課題分析結(jié)果與CDEGS計(jì)算結(jié)果做比較驗(yàn)證分析[4-7]，使用CDEGS軟件對(duì)算例變電站接地系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估與改造設(shè)計(jì)[8-12]等。筆者使用CDEGS軟件對(duì)可能影響接地系統(tǒng)安全的幾個(gè)要素進(jìn)行仿真計(jì)算，以便為接地系統(tǒng)的施工及技術(shù)改造提供一些理論依據(jù)。

1 接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算

土壤電阻率是影響接地網(wǎng)安全的重要因素，差異化的土壤電阻率組成差異化的土壤結(jié)構(gòu)，故在進(jìn)行接地系統(tǒng)計(jì)算分析之前需測(cè)量其土壤電阻率，以便確定準(zhǔn)確的土壤結(jié)構(gòu)模型。測(cè)量土壤電阻率常用的方法有兩種：Wenner法與Schlumberger法[13]。

1.2 故障電流分布計(jì)算

站內(nèi)最大故障入地電流一般發(fā)生在系統(tǒng)單相對(duì)地短路的情況，但最大入地電流也可能發(fā)生在雷擊短路或站外桿塔短路的情況。而且，流入到變電站接地系統(tǒng)總的故障電流比通過(guò)接地系統(tǒng)釋放到土壤中的電流更大?？偟墓收想娏鞯囊徊糠謱⑼ㄟ^(guò)輸電線的屏蔽線、接地系統(tǒng)導(dǎo)體和配電饋線的中性線或屏蔽線返回到遠(yuǎn)端源和當(dāng)?shù)刈儔浩鞯闹行渣c(diǎn)。經(jīng)架空線、輸電線的中性線和連接到變電站的配電線流回的電流與總的故障電流之比稱為故障電流分流系數(shù)。

1.3 接地系統(tǒng)安全分析

假設(shè)土壤電阻率為ρ，大地內(nèi)的電流密度為δ，則大地的場(chǎng)強(qiáng)密度為E=ρδ，無(wú)窮遠(yuǎn)處電位為零，則變電站或發(fā)電廠發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電流經(jīng)過(guò)接地網(wǎng)注入大地時(shí)地表電位如圖1所示[13]。

純阻性電流是不存在的[13]，所以把接地點(diǎn)處的電位UM與接地電流I的比值定義為接地電阻R，即R=UM/I。

圖1 接地網(wǎng)原理圖

接觸電壓與跨步電壓施加于人體產(chǎn)生流過(guò)人體的電流,可能危及生命安全，減小接地阻抗值或改變接地網(wǎng)參數(shù)可以降低接觸電壓和跨步電壓值，提高變電站的安全性[13]。

2 接地系統(tǒng)的描述

2.1 土壤結(jié)構(gòu)

用Wenner法對(duì)某地區(qū)的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)量[14-19]，在測(cè)量中改變電極間距，忽略探針長(zhǎng)度，測(cè)得9組視在電阻率，見(jiàn)表1。

表1 視在電阻率與極間距的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 變電站接地網(wǎng)模型

假設(shè)某變電站接地網(wǎng)為100 m×100 m、網(wǎng)格間距為10 m的正方形，水平接地體等效直徑d=0.03 m，材料是熱鍍鋅扁鋼，接地網(wǎng)埋深0.8 m[14,20-21]，入地電流25 kA。接地網(wǎng)站在(-50，50)、(50，-50)、(50，50)、(-50，50)地點(diǎn)圍成的區(qū)域如圖2所示。

圖2 接地網(wǎng)模型

2.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取

基于IEEE 80—2000的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，接觸及跨步電壓安全值依據(jù)表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

表2 接觸電壓及跨步電壓安全值的計(jì)算依據(jù)

3 故障電流入地點(diǎn)的影響

在仿真計(jì)算時(shí)需考慮故障電流流入地網(wǎng)的不同位置對(duì)電力系統(tǒng)的影響。選取(0，0)、(20，30)、(40，40)、(50，50)4個(gè)故障電流入地點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，當(dāng)故障電流入地點(diǎn)在邊角地帶時(shí)接地電阻和最大跨步電壓值較大，具體見(jiàn)表3。

表3 短路電流入地點(diǎn)對(duì)接地電阻、最大跨步電壓和最大接觸電壓的影響

4 土壤電阻率的影響

將土壤結(jié)構(gòu)設(shè)置為單層，土壤電阻率選取見(jiàn)表4。在坐標(biāo)(-53，-53)、(53，-53)、(53，53)、(-53，53)所確定的地表范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)計(jì)算，土壤電阻率的影響結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 接地電阻和跨步電壓及接觸電壓隨土壤電阻率變化的情況

5 網(wǎng)格間距的影響

圖3為不等間距接地網(wǎng)模型。將網(wǎng)格間距為5、10、20 m及不等間距的模型仿真計(jì)算結(jié)果列于表5。從表5中可以看出，網(wǎng)格間距越大，接地電阻和跨步電壓越大。當(dāng)接地網(wǎng)面積確定之后，接地網(wǎng)間距越小，接地網(wǎng)的散流性能越好。在網(wǎng)格間距最大處多設(shè)置一些水平導(dǎo)體來(lái)降低接地電阻和跨步電壓。

圖3 不等間距地網(wǎng)模型

表5 不同的網(wǎng)格間距對(duì)接地電阻和最大跨步電壓的影響

6 垂直接地體的影響

6.1 垂直接地棒的影響

在接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)焊接2.5 m長(zhǎng)垂直接地棒，材料為熱鍍鋅扁鋼，截面等效半徑為30 mm，相對(duì)電阻率(相對(duì)于銅)為8；相對(duì)磁導(dǎo)率(相對(duì)于真空)為250，接地網(wǎng)距地面0.8 m，網(wǎng)格間距10 m，垂直接地棒的布置如圖4所示[22-23]。接地電阻值為0.535 423 6 Ω，站內(nèi)跨步電壓的分布如圖5所示。

最大跨步電壓所在的位置位于(50.10，50.10)到(50.67，50.67)范圍內(nèi)，最大值為763.984 V，比不加垂直接地棒時(shí)的最大跨步電壓值763.346 V減小了15.638 V，接地電阻0.535 423 6 Ω，比不加垂直接地棒時(shí)的電阻值減小了0.006 962 4 Ω?？梢?jiàn)，增加垂直接地棒對(duì)接地系統(tǒng)的安全影響不是很明顯，但卻大大增加了接地網(wǎng)成本。

圖4 帶垂直接地體的接地網(wǎng)

圖5 變電站內(nèi)地表跨步電壓的分布

6.2 深井接地體的影響

在接地網(wǎng)的4個(gè)頂點(diǎn)處添加不等長(zhǎng)度、直徑為50 mm的垂直接地體模擬深井接地體的情況，接地電阻值以及變電站最大跨步電壓和最大接觸電壓的變化值見(jiàn)表6。

這種情況下，跨步電壓最大值比不加深井接地體的651.922 V分別減小了44.083、162.422、167.580、168.807、172.195 V；接地電阻比不加垂直接地體時(shí)的0.540 720 9 Ω分別減小了0.013 937 4、0.025 779 6、0.027 094 4、0.027 719 6、0.029 126 5 Ω；接觸電壓最大值比不加深井接地體的4 121.716 V分別減小了46.706、862.996、939.327、1 000.813、1 002.167 V。

表6 接地電阻和最大接觸電壓及最大跨步電壓隨深井接地體長(zhǎng)度變化的情況

深井接地體可以降低接地電阻值和跨步電壓值，提高接地系統(tǒng)的安全性。隨著深井接地體深度的增加，接地電阻值降低，變電站地面電位降低，最大跨步電壓值以及最大接觸電壓值直線下降。該方法一般適用于變電站所在地區(qū)上層土壤電阻率很高而下層土壤電阻率較低的土壤結(jié)構(gòu)。

7 圓弧形邊角的影響

1)圓弧半徑為5 m的地網(wǎng)。 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，接地電阻0.541 233 0 Ω，阻抗角2.105 106°。變電站跨步電壓計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，最大跨步電壓值643.953 V位于變電站的對(duì)角線上(48.76，48.76)，比直角形邊角時(shí)的763.984 V減小了120.031 V。

2)圓弧半徑為10 m的地網(wǎng)。 當(dāng)圓弧半徑等于接地網(wǎng)網(wǎng)格間距時(shí)的地網(wǎng)模型如圖8所示。

圖8中，故障電流入地點(diǎn)位于接地網(wǎng)4個(gè)圓弧形邊角的中點(diǎn)，接地電阻值0.542 571 3 Ω，阻抗角2.008 754°。變電站接觸電壓仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖6 地網(wǎng)圓弧半徑為5 m時(shí)的圓弧形邊角接地網(wǎng)模型

圖7 地網(wǎng)圓弧半徑為5 m時(shí)的變電站跨步電壓分布

圖8 地網(wǎng)圓弧半徑為10 m時(shí)的圓弧形邊角接地網(wǎng)模型

圖9 接地網(wǎng)圓弧半徑為10 m時(shí)的變電站接觸電壓分布

當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)4個(gè)圓弧形邊角外的圓弧半徑等于網(wǎng)格間距時(shí)，最大跨步電壓為671.837 V，比直角時(shí)的763.984 V減小了92.147 V。所以，改接地網(wǎng)邊角的直角形為圓弧形可大幅度降低跨步電壓值。

8 外延水平接地體

對(duì)接地網(wǎng)的圓弧形邊角處外延6根6 m長(zhǎng)的水平接地體進(jìn)行仿真計(jì)算，地網(wǎng)的導(dǎo)體布置如圖10所示。計(jì)算結(jié)果為：接地電阻值0.530 698 1 Ω，阻抗角2.013 609°。電壓的具體計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖10 帶外延水平接地體的接地網(wǎng)模型

從仿真結(jié)果圖9和圖12中可以看出，在地網(wǎng)頂點(diǎn)圓弧形邊角附近增加了外延6根6 m長(zhǎng)的水平接地體之后，跨步電壓值得到降低，但延長(zhǎng)線端點(diǎn)處的跨步電壓值卻大大提高，變電站或發(fā)電廠圍墻外的潛在危險(xiǎn)性增加，在工程實(shí)際中不允許采用此降阻措施。

圖11 帶外延水平接地體的變電站跨步電壓分布

圖12 帶外延水平接地體的變電站接觸電壓分布

9 增加表層土壤電阻率的影響

為提高變電站的安全標(biāo)準(zhǔn)，需增加表層土壤電阻率。增加表層土壤電阻率的常用措施是在地表鋪一層礫石或者瀝青混凝土等高電阻率材料。其中設(shè)計(jì)的高土壤電阻率的厚度為18 cm，故障切除時(shí)間為0.35 s。筆者模擬了安全閾值隨地表土壤電阻率的變化情況，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 變電站電壓安全閾值隨附加地表土壤電阻率的變化情況

10 結(jié) 語(yǔ)

1)短路電流入地點(diǎn)在接地網(wǎng)邊角地帶時(shí)接地電阻值和最大跨步電壓值及最大接觸電壓值較大，在工程實(shí)際中應(yīng)極力避免這種情況。

2)在其他條件相同的情況下，接地電阻、跨步電壓及接觸電壓隨著土壤電阻率的增大而增大，可用參考文獻(xiàn)[24]的方法來(lái)降低土壤電阻率。

3)接地電阻、跨步電壓隨著接地網(wǎng)網(wǎng)格間距的增大而增大，但從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，減少接地網(wǎng)網(wǎng)格間距來(lái)降低接地電阻和跨步電壓，并不合適。

4)增加垂直接地棒和深井接地體可以降低接地電阻值和最大跨步電壓值，但效果不明顯；采用深井接地降阻體適用于上層土壤電阻率很高而下層土壤電阻率較低時(shí)的情況。

5)半徑等于網(wǎng)格間距的圓弧形邊角地網(wǎng)相對(duì)于直角形邊角地網(wǎng)可大幅度降低跨步電壓。

6)增大表層土壤電阻率可以提高人體與土壤的接觸電阻值，進(jìn)而提高變電站的安全標(biāo)準(zhǔn)，這種降阻措施在實(shí)際中應(yīng)用最多，效果也很明顯[25]。

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(責(zé)任編輯:杜明俠)

Study on the Key Factors Influencing Safety of Grounding System

FU Xuewen, MA Zhenhong, WEI Zhijuan, GU Shuang, WANG Zhongliang, KONG Guoliang

(Xingtai Power Supply Branch, Hebei Power Company of State Grid, Xingtai 054001, China)

In order to provide some theoretic support for construction and technical transformation of grounding system, the key factors influencing grounding system were investigated. Adopting CDEGS software of Canadian SES Company and according to the soil structure in a engineering, the key factors influencing grounding system were obtained through simulating the fault current flowing into the positions, the soil structure, the mesh spacing of grounding grid, the quantity and shape of vertical grounding body, the grounding grid edge angle, the grounding grid epitaxial level grounding bodies and the surface soil resistivity in a converting station, the fault current in the grounding grid edge angle had maximum risk, the grounding reliability of grounding system could be raised by improving the shape of grounding grid and soil resistance, etc.

grounding system; grounding resistance; step voltage; contact voltage

2015-08-19

付學(xué)文(1983—)，男，河北邢臺(tái)人，工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合方面的研究。E-mail:fuxuewenok@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.016

TV513;TM862

A

1002-5634(2016)02-0087-06