季節(jié)性凍土地區(qū)牽引變電所接地方案研究

羅　欣

(中交鐵道設計研究總院有限公司,北京　100088)

牽引變電所接地系統(tǒng)是其安全運行的根本保證，所以牽引變電所接地系統(tǒng)的設計是否合理，接地參數(shù)是否能滿足安全需要，在運行壽命周期內(nèi)能否起到應有的作用，是在牽引變電所設計時不可忽視的問題。

牽引變電所的接地設計過程中，對地網(wǎng)接地電阻的準確計算、跨步電位差以及接觸電位差的合理驗算才是接地設計的關(guān)鍵，另外除盡可能滿足接地電阻的限值之外，應根據(jù)不同的地質(zhì)條件制定出不同的地網(wǎng)布置方案，并且考慮所內(nèi)接觸電位差和跨步電位差的要求，以達到均衡接地的目的[1-2]。在校驗接觸電位差和跨步電位差滿足設計要求之后，適當提高變電所要求的接地電阻值，進而再采取不同降阻措施，即可在確保設備及人身安全的前提下節(jié)約工程投資[3-4]。

目前，國內(nèi)外應用于工程中接地參數(shù)解析計算的方法都是建立在均勻土壤[5-6]，或有條件限制的雙層土壤情況下[7-10]。所以對于地質(zhì)條件惡劣、嚴寒凍土等地區(qū)，就無法采用上述文獻中所提供的計算方法進行準確計算，這時就需要利用計算機仿真技術(shù)對接地系統(tǒng)進行仿真計算。利用加拿大SES公司開發(fā)的CDEGS軟件包，從不同的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、埋設深度、敷設位置等方面綜合評估地網(wǎng)性能，從而為此類地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設計提供借鑒方法。

1　季節(jié)性凍土簡述及危害

哈爾濱地區(qū)屬中溫帶，亞干旱大陸性氣候。冬季寒冷漫長，夏季濕熱短暫，春季多風。多年平均氣溫3.4～4.7 ℃，平均雨量528.1～527.4 mm，最低氣溫-23.1 ℃，最大積雪深度為39 cm，最大風速16.3～24.7 m/s。按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬嚴寒地區(qū)。

地表普遍存在季節(jié)性凍土，通常每年10月中下旬開始凍結(jié)，3月中旬達到最大凍深，沿線土壤最大凍深劃分：

哈爾濱站～K54+0002.05 m；

K54+000～牡丹江站1.91 m。

在上述凍土地區(qū)，地表的土壤電阻率會隨著季節(jié)的變化而改變，通常會由幾十(Ω·m)增加到上千(Ω·m)，這種程度的變化直接影響到地網(wǎng)的接地性能。當接地網(wǎng)埋深于凍土層中，隨著土壤凍結(jié)深度不斷增大，在冰凍季節(jié)，接地網(wǎng)的接地電阻值可能會達正常季節(jié)的1.7～3倍[11]，同時接觸電位差、跨步電位差以及地表電位升等地網(wǎng)參數(shù)也隨之提升。

2　基本邊界條件及計算參數(shù)

擬建的亞溝牽引變電站站址在距離哈爾濱市阿城區(qū)東南9.5 km處的亞溝鎮(zhèn)，電源供電線采用LGJ-240 mm2；避雷線采用GJ-70 mm2；線路采用雙回路，單獨架設；進線電壓等級為220 kV；采用三相V/V接線，主變設計容量為2×(16+25) MVA。短路最大入地電流取值為4 kA。

2.1　土壤模型

根據(jù)相關(guān)地勘結(jié)果，牽引所區(qū)域凍土層土壤在夏季土壤電阻率約為100 Ω·m；冬季條件下凍土層土壤電阻率最高可達5 000 Ω·m。歷年最大凍結(jié)深度取2.05 m。本文土壤模型取值見表1。

表1　土壤模型

2.2　接地網(wǎng)模型

以水平接地網(wǎng)為基礎建立接地網(wǎng)模型，地網(wǎng)參數(shù)如下。

面積：80 m×60 m；

導體間距：10 m；

導體材質(zhì)：50 mm×5 mm鍍鋅扁鋼；

水平地網(wǎng)埋深：-0.8 m。

由于故障電流入地點在接近地網(wǎng)邊緣時，計算出的最大接觸電位差和跨步電位差都要偏大[12]，所以本文將短路電流注入點設置在地網(wǎng)邊角處，具體水平地網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1　10 m×10 m網(wǎng)格模型

2.3　計算參數(shù)

本文分別仿真計算了以下4種因素在凍土層形成后對變電所地網(wǎng)電氣參數(shù)的影響，具體如下：

(1)水平接地網(wǎng)均壓帶網(wǎng)格數(shù)量變化；

(2)單根垂直接地極設置位置的不同；

(3)垂直接地極長度的不同；

(4)多根垂直接地極設置數(shù)量、位置的不同。

3　影響接地網(wǎng)電氣參數(shù)的因素分析

3.1　水平接地網(wǎng)網(wǎng)格間距的影響

根據(jù)圖1提出的水平接地網(wǎng)模型，將水平均壓帶網(wǎng)格大小均勻增加，由單一外框變化至2 m×2 m網(wǎng)格的情況進行仿真計算，得出接地電阻、接觸電位差、跨步電位差在不同網(wǎng)格大小情況下的數(shù)值參數(shù)，進行比較分析，具體計算結(jié)果見表2。

表2　不同網(wǎng)格間距對電氣參數(shù)值的影響

不同網(wǎng)格大小對接地電阻的影響曲線見圖2。

圖2　不同網(wǎng)格大小對接地電阻的影響曲線

不同網(wǎng)格大小對接觸電位差、跨步電位差的影響曲線見圖3。

圖3　不同網(wǎng)格大小對接觸電位差、跨步電位差的影響曲線

從表2、圖2與圖3可以看出，接地網(wǎng)的接地電阻值、接觸電位差值以及跨步電位差值均隨著均壓帶網(wǎng)格數(shù)量的增加而降低，從單一外框增加至10 m×10 m共計48個網(wǎng)格時，接地網(wǎng)3個參數(shù)值均迅速降低，這主要是因為當均壓帶數(shù)量增多，接地網(wǎng)與土壤接觸面積增加，使得故障電流能夠更快的流入土壤中。

而當均壓帶網(wǎng)格由10 m×10 m的48格增加至2 m×2 m的1200格時，雖然接地網(wǎng)參數(shù)值仍然不斷減小，但是其下降的幅度卻大大降低，這主要是由于導體與土壤接觸面積增加的同時，導體之間距離不斷減小，導體之間的屏蔽效應增加，使得故障電流散流作用減小。故而根據(jù)仿真計算結(jié)果以及文獻[5]中相關(guān)規(guī)定，優(yōu)先選用5 m×5 m網(wǎng)格的均壓帶布置方式。

由以上結(jié)論可以看出，雖然增加均壓帶網(wǎng)格數(shù)量可以有效地降低地網(wǎng)電氣參數(shù)值，提高地網(wǎng)安全水平，但是僅采用敷設在凍土層中的水平接地網(wǎng)顯然不能滿足牽引所接地性能的要求，這時就需采用增加垂直接地極的復合接地網(wǎng)方式。但與此同時也必須對垂直接地極位置、數(shù)量以及長度等因素對接地電阻、接觸電位差、跨步電位差的影響進行分析。

3.2　單根垂直接地極設置位置的影響

在圖1所示水平接地網(wǎng)基礎上，增加1根長5 m的純銅管垂直接地極，并將該垂直接地極分別設置在圖1所示的45、55、56、65、67、75、78、79等共計8處進行仿真計算，得出單根垂直接地極設置在不同位置下的接地電阻值、接觸電位差最大值、跨步電位差最大值，具體計算結(jié)果見表3。

表3　不同垂直接地極位置對電氣參數(shù)值的影響

由表3可知，當垂直接地極由接地網(wǎng)中心向邊角移設時，3個參數(shù)值都有相應的減小，這說明了垂直接地極設置在接地網(wǎng)邊緣時能更有效的提高地網(wǎng)安全，降低接地電阻值。不同垂直接地極位置對電氣參數(shù)值的影響曲線見圖4。

圖4　不同垂直接地極位置對接地電阻的影響曲線

由圖4可見，垂直接地極設置于接地網(wǎng)邊角處時，接地電阻值達到最小，接地網(wǎng)導體之間的屏蔽作用也最小，故障電流可以較好地利用地網(wǎng)流入大地。但是可以看出，僅僅設置1根垂直接地極并不能滿足要求，所以接下來將進一步分析復合接地網(wǎng)多根垂直接地極的不同設置方式。

3.3　垂直接地極長度的影響

在圖1水平接地網(wǎng)模型的基礎上，利用純銅管垂直接地極，并沿地網(wǎng)邊緣每相隔20 m設置1根，共設置14根。垂直接地極長度由0 m變化至20 m(深入下層土壤)時，分別進行仿真計算，得出復合接地網(wǎng)接地電阻值、接觸電位差最大值、跨步電位差最大值，其計算結(jié)果如表4所示。

表4　不同垂直接地極長度對電氣參數(shù)值的影響

不同垂直接地極長度對接地電阻值的影響曲線見圖5。

圖5　不同垂直接地極長度對接地電阻值的影響曲線

不同垂直接地極長度對接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線見圖6。

圖6　垂直接地極長度對接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線

由表4可以看出，垂直接地極的長度與接地網(wǎng)電氣參數(shù)值有著密切的聯(lián)系，垂直接地極越長，則接地電阻值、接觸電位差值、跨步電位差值都在降低，這說明了垂直接地極具有非常有效的散流作用。

根據(jù)圖5及圖6所示，當垂直接地極埋設于凍土層中時(當垂直接地極設置長度小于1.2 m時)，接地網(wǎng)電氣參數(shù)緩慢降低，效果并不是很明顯，但當垂直接地極長度大于1.25 m時(垂直接地極長度超過1.25 m，埋設深度超過凍土層2.05 m)，垂直接地極與下層低電阻率土壤接觸后，接地網(wǎng)電氣參數(shù)值迅速下降。隨著垂直接地極的不斷加長，接地網(wǎng)電氣參數(shù)值降低速度又逐漸減緩，所以垂直接地極的設置并非越長越好，相反，若設置過長的垂直接地極，不但不能有效提高接地網(wǎng)的安全性能，反而增加了施工難度，提高了工程成本，得不償失。

3.4　多根垂直接地極設置數(shù)量、位置的不同

在圖1水平接地網(wǎng)設置的基礎上，增加長5 m，純銅管垂直接地極，并從垂直接地極設置的數(shù)量、位置綜合考慮，即分別從沿邊緣稀疏分布、沿邊緣密集分布、邊緣分布+中心分布等方面對接地網(wǎng)電氣參數(shù)進行仿真計算，具體垂直接地極分布方案及對應接地電阻值、接觸電位差值、跨步電位差值計算結(jié)果見表5。

表5　垂直接地極分布對電氣參數(shù)值的影響

由表5可知，增加垂直接地極的數(shù)量對于提高接地網(wǎng)性能十分有效，增加沿邊緣設置的垂直接地極數(shù)量能更直接提高接地網(wǎng)性能，相應地若保持邊緣垂直接地極數(shù)量不變，在接地網(wǎng)中央增加垂直接地極，雖亦能有效降低接地電阻等電氣參數(shù)的值，但是效果并不如僅沿邊緣設置垂直接地極明顯。

垂直接地極分布對接地電阻電壓值的影響曲線見圖7。

圖7　垂直接地極分布對接地電阻電壓值的影響曲線

垂直接地極分布對接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線見圖8。

圖8　垂直接地極分布對接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線

從圖7、圖8可以更清楚地看出，當垂直接地極設置在邊緣且埋設深度深入凍土層以下時，增加垂直接地極數(shù)量有明顯的降阻跟降低接觸電位差值、跨步電位差值的效果，但是隨著數(shù)量不斷增加，這種降低效果逐漸減弱，這說明垂直接地極的利用率也隨之減小，所以需要根據(jù)凍土環(huán)境、凍深等實際情況選擇垂直接地極的數(shù)量及分布，在接地網(wǎng)投資與接地網(wǎng)性能間尋找一個平衡。

通過對水平接地網(wǎng)、垂直接地極不同因素對于接地網(wǎng)電氣參數(shù)的影響分析，并且結(jié)合文獻[5]中相關(guān)規(guī)定，在采用水平接地網(wǎng)與垂直接地極相結(jié)合的負荷接地網(wǎng)方案時，應結(jié)合垂直接地極的長度、位置綜合確定。

4　接地方案的仿真計算與分析

4.1　跨步電位差和接觸電位差規(guī)范限值要求

根據(jù)文獻[6]中附錄C，即式C.0.1-1與式C.0.1-2計算，可計算出變電所接地裝置的接觸電位差和跨步電位差的安全限值，計算結(jié)果見表6。

表6　接觸電位差和跨步電位差設計限值

由此可見，當表層土壤電阻率很高時，接觸電位差及跨步電位差的限值也相應升高，其中跨步電位差的安全限值相較接觸電位差還要高出很多，所以在本文將冰凍時期接地網(wǎng)接觸電位差的數(shù)值作為本工程接地網(wǎng)性能的主要研究參數(shù)。

4.2　接地方案的提出

根據(jù)亞溝牽引所土壤現(xiàn)狀，提出3個接地網(wǎng)方案，具體如下。

(1)深埋水平接地網(wǎng)方案。凍土層對地網(wǎng)安全性能的影響主要是因為，地表凍土層在解凍和冰凍情況下來回轉(zhuǎn)換，使得地表凍土層土壤電阻率發(fā)生翻天覆地的變化，當?shù)鼐W(wǎng)敷設在凍土層中時，因冰凍時期土壤電阻率極速升高，將會導致地網(wǎng)接地電阻等參數(shù)的升高，無法保證人員安全。但是在一般情況下凍土層下層中的土壤電阻率卻是相對恒定的，因此當下層土壤為低電阻率性能時，可以考慮將水平地網(wǎng)深埋至非凍土層中，以降低高電阻率凍土對接地性能的影響[13]。根據(jù)文獻[5-6]中規(guī)定，季節(jié)性凍土層或季節(jié)性干旱形成的高電阻率層的厚度較淺時，可將接地網(wǎng)埋在高電阻率層下0.2 m。不過對于高電阻率層的厚度深淺無明顯的界定，再結(jié)合文獻[14]中的論述，此方案可以用于凍土層深度小于1 m的淺凍土層地區(qū)。

像本工程處于我國東北地區(qū)，雖然土質(zhì)大多為具有良好導電性的低電阻率土壤，但是凍土層較深，冬季最大凍結(jié)深度可超2 m，此時將接地網(wǎng)全部敷設在凍土層以下顯然不是一種最好的解決方案，所以本文不再對深埋水平接地網(wǎng)方案進行分析研究。

(2)復合接地網(wǎng)。在凍土層較深地區(qū)，采用垂直接地極深入凍土層以下，可以有效分走故障電流，亦能夠明顯降低接地電阻、改善地表電位分布。因此推薦此方法作為解決凍土地區(qū)地網(wǎng)安全性能的有效方案。

(3)水平地網(wǎng)非等間距布置。該方案的基本原理是減少地網(wǎng)中部均壓帶的數(shù)量，一是能改善導體的電流分布；二是使地網(wǎng)各網(wǎng)孔的接觸電位差更趨于平衡。水平地網(wǎng)導體按指數(shù)規(guī)律分布既可以有效降低地表電位梯度，也被證明是一種安全可行的設計方法，其設置的關(guān)鍵點就是尋找到最優(yōu)壓縮比C0[15]。

4.3　亞溝牽引變電所接地網(wǎng)方案及計算

根據(jù)上文所述，并且結(jié)合影響地網(wǎng)電氣參數(shù)的4種因素，以亞溝牽引變電所為例，設置埋深0.8 m的水平接地網(wǎng)，并輔以設置垂直接地極，采用復合接地網(wǎng)方案。復合接地網(wǎng)具體設置方案如下。

方案1：水平地網(wǎng)采用5 m×5 m網(wǎng)格，沿邊緣相隔10 m均勻設置28根5 m垂直接地極，地網(wǎng)中央均勻設置18根5 m垂直接地極。

方案2：水平地網(wǎng)采用5 m×5 m網(wǎng)格，沿邊緣相隔10 m均勻設置28根5 m垂直接地極，地網(wǎng)中央不設置垂直接地極。

方案3：水平地網(wǎng)采用5 m×5 m網(wǎng)格，沿邊緣相隔10 m均勻設置28根10 m垂直接地極，地網(wǎng)中央不設置垂直接地極。

方案4：將方案三中水平地網(wǎng)優(yōu)化為非等間距網(wǎng)格布置，邊緣稀疏均勻設置28根10 m垂直接地極，地網(wǎng)中央不設置垂直接地極。

以上所述4種方案仿真計算結(jié)果見表7。

表7　復合地網(wǎng)計算結(jié)果

根據(jù)表7的仿真計算結(jié)果，對于牽引變電所，牽引所站址大小一經(jīng)確定，地網(wǎng)面積隨之確定，此時采用復合接地網(wǎng)方案可以有效降低接地電阻值，亦能很好地控制接觸電位差值與跨步電位值。

以上4種復合接地網(wǎng)的方案，在接觸電位差、跨步電位差的指標上，都能夠滿足地網(wǎng)參數(shù)限值要求。故而在嚴寒地區(qū)新建鐵路牽引變電所時，采用復合地網(wǎng)方案是可行的。

(1)方案1/方案2：在任何季節(jié)的土壤條件下，所內(nèi)區(qū)域的接地網(wǎng)電氣參數(shù)值都能滿足規(guī)范要求，相對于其他方案，該兩種方案采用的5 m長垂直接地極較短，更利于施工。

(2)方案3：將方案1/方案2中的垂直接地極的長度增加至10 m，水平接地網(wǎng)還是采用5 m×5 m網(wǎng)格均壓帶，此方案在任何季節(jié)條件下接地網(wǎng)電氣參數(shù)值都能達到規(guī)范對于地網(wǎng)安全上限的要求，保證牽引變電所的安全運行，但是相較于前兩個方案，采用10 m長垂直接地極，增加了投資，同時也增加了接地網(wǎng)施工難度。

(3)方案4：由表7得，當上層土壤的土壤電阻率大于下層土壤時，采用非等間距布置接地網(wǎng)的接地電阻、接觸電位差以及跨步電位差相較于等間距布置地網(wǎng)偏大，同時參考文獻[16]得出的結(jié)論，在季節(jié)性凍土地區(qū)，凍土地區(qū)表層土壤電阻率大于深層土壤電阻率時，接地網(wǎng)內(nèi)均壓帶宜優(yōu)先采用等間距布置方式，以使地網(wǎng)達到最佳效果。

根據(jù)表7計算結(jié)果，亞溝牽引變電所的接地方案，推薦采用方案1。方案1正常季節(jié)及冰凍季節(jié)接觸電位差三維分布分別見圖9、圖10。

圖9　方案1正常季節(jié)接地網(wǎng)接觸電位差示意

圖10　方案1冰凍季節(jié)接地網(wǎng)接觸電位差示意

該方案在冰凍季節(jié)，由于垂直接地極能夠與下層土壤電阻率低的區(qū)域接觸，起到了很好的散流作用，接觸電位差值、跨步電位差值均能夠滿足規(guī)范限值要求。

5　結(jié)語

以新建哈牡線亞溝牽引變電所為例建立仿真計算模型，對水平接地網(wǎng)均壓帶設置情況、垂直接地極設置位置、長度及數(shù)量等因素對于接地性能的影響進行了分析，即通過調(diào)整水平接地網(wǎng)均壓帶網(wǎng)格以及垂直接地極設置的不同，能夠很好地調(diào)整提高牽引所接地網(wǎng)的電氣性能。

研究了在嚴寒地區(qū)，地表凍土電阻率遠大于下層低阻區(qū)域時，變電所地網(wǎng)的設計思路，并且提出了可用于工程設計的可行方向。另外關(guān)于寒冷地區(qū)牽引所接地系統(tǒng)設計，不能簡單盲目地降低接地電阻值?？梢酝ㄟ^計算和實地測量等各種方法對所內(nèi)地表電位的分布進行計算，做到有的放矢的采取相應的措施，節(jié)約投資，保障設備和人員的安全。

在某些凍土地區(qū)，特別是永凍區(qū)域等，變電站接地網(wǎng)實施時存在設計方案實施難度大，經(jīng)濟極不合理時，可依據(jù)現(xiàn)場狀況進行分析研究，重點對研究范圍內(nèi)接觸電位差、跨步電位差及轉(zhuǎn)移電勢進行分析計算，當這些參數(shù)均滿足要求時，可稍微放寬接地電阻的限值，從而使牽引站地網(wǎng)設計更加合理。

參考文獻：

[1]謝廣潤.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2]鄒建明.大型地網(wǎng)接地技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[3]丁峰.高寒凍土地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設計探討[J].鐵道標準設計，2012(11)：100-103.

[4]侯峰，侯蜀君.高土壤電阻率地區(qū)牽引變電所接地設計[J].鐵道工程學報，2012(6)：71-73.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB 10009—2016 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2016.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB/T 50065—2011 交流電氣裝置的接地設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[7]王洪澤，楊丹，王夢云.電力系統(tǒng)接地技術(shù)手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.

[8]IEEE.IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding [S]. ANSI/IEEE Std 80-2000， 2015：1-426.

[9]NAHMAN J M. SALAMON D D. Analytical expression for the resistance of rod-beds and combined grounding systems in nonuniform soil[J]. Power Delivery IEEE Trans on， 1986，1(3)：90-96.

[10] 王洪澤.雙層土壤中復合地網(wǎng)接地電阻的新解析計算法[J].廣東電力，2005(8)：7-12.

[11] 孫為民，何金良，曾嶸，等.季節(jié)性因素對發(fā)變電站接地系統(tǒng)安全性能的影響[J].中國電機工程學報，2000(1)：15-18.

[12] 沈揚.變電站接地均壓研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[13] 沈揚，陸海清，戴攀等.凍土地區(qū)變電所接地方案研究[J].能源工程，2011(6)：18-23.

[14] 左狀.深凍土層情況下接地網(wǎng)設計方案的探討[C]∥中國電機工程學會第九屆青年學術(shù)會議，2006.

[15] 高延慶，何金良，曾嶸等.非均勻土壤中變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計[J].清華大學學報，2002(3)：345-348.

[16] 丁峰.不同土壤結(jié)構(gòu)的牽引變電所接地系統(tǒng)設計[J].電氣化鐵道，2011(3)：8-11.