變電站分層土壤模型構建對土壤電阻率測量深度的要求

鐘 山，周煒明，周德才

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

地網(wǎng)接地電阻的計算是變電站接地系統(tǒng)設計的一項重要內(nèi)容，早期設計人員根據(jù)地網(wǎng)面積和土壤電阻率進行估算，對于地質(zhì)結構較為復雜的變電站，其計算結果與實測值往往有較大出入。為提高變電站接地系統(tǒng)設計的合理性和可靠性，有必要基于土壤電阻率測量數(shù)據(jù)建立分層土壤模型，以提高地網(wǎng)接地電阻計算的準確性[1]。

無論是采用哪種方法建模，其模型與實際土壤結構的吻合程度均取決于土壤電阻率測量數(shù)據(jù)。對于測量數(shù)據(jù)的要求不僅僅是準確，更重要的是“深度”，即測量的數(shù)據(jù)能否滿足準確建模的需要，這點往往未得到充分重視，有必要進行相應的研究。

1 分層土壤模型應用簡介

為提高變電站接地電阻計算的準確性，研究人員對于復雜土壤結構建模進行了大量的研究，提出了雙層、多層、復合等土壤模型的建模方法，并開發(fā)出了相應的計算機輔助設計軟件。近年來，這些方法和工具正逐步應用到變電站(換流站)接地設計中，對確保變電站安全性能發(fā)揮了重要作用[2-5]。

CDEGS軟件包是當前接地設計領域應用最廣的計算機輔助設計軟件，國內(nèi)已有不少科研單位、高校、設計院及電力公司等引入了該軟件，用于接地相關領域的研究及設計。該軟件是由加拿大SES公司開發(fā)，可以用于仿真計算分層土壤和任意形狀地網(wǎng)的參數(shù)。

2 接地電阻計算誤差分析

由于較單層土壤模型更接近于實際的復雜土壤結構，采用分層土壤模型計算接地網(wǎng)的接地電阻，其結果更接近于實測值。對于工程設計人員來說，其關鍵工作就是如何根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算并分析得到合理的土壤模型。

測量數(shù)據(jù)是土壤建模的基礎，不管采用哪種建模方法或計算算法，如果測量數(shù)據(jù)不能滿足建模需要，將對接地電阻的計算造成較大的誤差。下面根據(jù)工程實例仿真計算說明這個問題。

1)計算模型

某500 kV變電站地網(wǎng)大小為200×150 m2，采用間隔10 m的均勻網(wǎng)格，接地體為480 mm2鍍鋅扁鋼。變電站土壤結構根據(jù)勘測資料可分為5層：第一層土壤深度0～20 m，土壤平均電阻率為500 Ω·m；第二層土壤深度20～80m，土壤平均電阻率為1000 Ω·m；第三層土壤深度80～200 m，土壤平均電阻率為1500 Ω·m；第四層土壤深度200～500 m，土壤平均電阻率為2000 Ω·m；第五層土壤深度大于500 m，土壤平均電阻率為3000 Ω·m。土壤結構模型如圖1所示。

圖1 土壤結構模型

2)接地電阻計算。

采用CDEGS對以下5種情況進行仿真計算。

仿真計算1：工程測量深度為h≤20 m，得到的土壤模型為均勻土壤模型，土壤電阻率為500 Ω·m，計算接地電阻為2.26 Ω。

仿真計算2：工程測量深度為20 m

仿真計算3：工程測量深度為80 m

仿真計算4：工程測量深度為200 m

仿真計算5：測量深度h>500 m，得到的土壤模型即為土壤結構的真實模型，計算接地電阻為3.31 Ω。

3)誤差分析

以仿真計算5的結果為接地網(wǎng)接地電阻的真值，定義接地電阻計算誤差系數(shù)為

(1)

式中：R′為 接地電阻計算值，Ω；R為 接地電阻真值，Ω。

各計算案例結果及誤差如表1所示。

表1 不同土壤模型計算接地電阻誤差

由表1計算結果可知，當計算地網(wǎng)接地電阻所采用的土壤模型不能真實反映土壤的實際結構時，其計算結果會產(chǎn)生較大誤差。土壤模型是建立在數(shù)據(jù)的基礎上，對地網(wǎng)所在區(qū)域的測量廣度及深度很大程度決定了土壤模型與真實土壤結構的接近程度。目前，國內(nèi)外相關標準尚未對此有明確的規(guī)定，理論上對測量范圍及深度的要求越高，在其基礎上建立的土壤模型越趨于真實，接地電阻計算越準確；但是其經(jīng)濟代價及測試技術難度也增大，存在一個技術經(jīng)濟合理性的權衡問題。

3 地網(wǎng)散流特性仿真分析

1)接地網(wǎng)的散流特性

當直流或交流電源的兩端通過接地體與大地相連接，將會在地下建立電流場，其分布規(guī)律取決于巖石和土壤的分布規(guī)律，其研究方法通常是采用電磁場理論。在土壤電阻率一定的情況下，電流密度越大，電場強度隨之增大，也就是說，電場強度間接反映了地中電流的分布規(guī)律。

圖2 地網(wǎng)散流時地中電場強度

假如在地網(wǎng)中注入電流，如圖2所示，從三維空間看，散流范圍是一個類橢球體，入地電流的絕大部分集中在這個區(qū)域內(nèi)成發(fā)散狀，該區(qū)域的土壤的電阻率則對接地網(wǎng)接地電阻起決定作用。

2)仿真計算

對于變電站接地網(wǎng)，當發(fā)生接地故障，地網(wǎng)中將注入一定大小的故障電流，其散流區(qū)域主要由地網(wǎng)的大小及其所在區(qū)域土壤電阻率決定。下面通過案例仿真計算來說明該問題。

仍采用前面所述模型：地網(wǎng)大小為200×150 m2，采用間隔10m的均勻網(wǎng)格，接地體為480 mm2鍍鋅扁鋼；在地網(wǎng)中心注入20 kA電流。改變地網(wǎng)所在區(qū)域的土壤電阻率，計算地中電勢的分布對電流在土壤中的散流情況。

土壤電阻率分別為100 Ω·m、500 Ω·m、100 Ω·m、2000 Ω·m、5000 Ω·m時，地中電勢分布如圖3至圖7所示。

圖3 土壤中的電勢分布(ρ=100 Ω·m)

圖4 土壤中的電勢分布(ρ=500 Ω·m)

圖5 土壤中的電勢分布(ρ=1000 Ω·m)

圖6 土壤中的電勢分布(ρ=2000 Ω·m)

圖7 土壤中的電勢分布(ρ=5000 Ω·m)

3) 結果分析

對于給定大小的接地網(wǎng)，理論上其散流范圍及深度為整個大地，從仿真計算結果可知，隨著土壤電阻率越低，地中電勢衰減得越快，大部分電流在較淺層的土壤中散去；而隨著土壤電阻率的不斷增加，其電勢衰減得越慢，其散流深度相應增大。如按電勢衰減80%考慮，其散流深度隨土壤電阻率變化情況如圖8所示。

圖8 散流深度與土壤電阻率的關系(80%電勢降)

從該曲線可知，對于200×150 m2的接地網(wǎng)，在其所在區(qū)域土壤電阻率較小時(100～1000 Ω·m)，其散流深度隨土壤電阻率增大而迅速增大；在土壤電阻率較大時(1000～5000 Ω·m)，其散流深度增加較為緩慢，并逐步趨于穩(wěn)定。

4 測量范圍及深度的探討

接地網(wǎng)設計中，國內(nèi)外標準對接地網(wǎng)所在區(qū)域的土壤電阻率測量范圍及深度未有明確規(guī)定，而在實際工程中，設計人員卻須面臨這個問題。根據(jù)對以往工程資料的收集及整理，測量范圍及深度根據(jù)工程特點通常為站內(nèi)圍墻以內(nèi)，深度大多要求在20～100 m。

近年來國內(nèi)部分換流站工程已經(jīng)開始參考國外經(jīng)驗，將地網(wǎng)的對角線長度作為散流半徑來確定測量的范圍及深度。與上面所提供的案例計算結果比較，在站區(qū)土壤電阻率較低情況下(ρ≤1000 Ω·m)，采用地網(wǎng)對角線長度確定測量范圍及深度是合理的(案例地網(wǎng)對角線為250 m，地電勢衰減大于80%)；而在土壤電阻率較高情況下(ρ>1000 Ω·m)，則建議在地網(wǎng)對角線的長度基礎上適當增大(案例中ρ=5000 Ω·m，最大散流深度達到約310 m)，具體可根據(jù)工程現(xiàn)場測量條件確定。

如將地網(wǎng)對角線長度作為散流半徑確定工程測量范圍及深度，對于第2章提供的計算案例，其散流半徑為250 m，對應的計算模型為案例4，接地電阻計算結果為3.21 Ω，誤差為2.84%，應能滿足工程設計要求。

5 結 語

通過對變電站分層土壤模型地網(wǎng)的接地電阻、土壤的散流特性進行仿真計算和分析，得到以下結論：

1)為提高變電站地網(wǎng)接地電阻計算的準確性，應采用分層土壤模型計算地網(wǎng)的接地電阻。

2)土壤模型的建立是以實際測量數(shù)據(jù)為基礎的，測量“深度”越淺則接地電阻計算誤差越大。

3)通過仿真計算，建議在土壤電阻率ρ≤1000 Ω·m時，采用地網(wǎng)對角線長度作為散流半徑確定測量范圍及深度；而在土壤電阻率ρ>1000 Ω·m時，則建議在地網(wǎng)對角線的長度基礎上，根據(jù)具體工程條件適當增大散流半徑。