姜 輝，張雅妮，劉 娟，張長秀，劉 璇，高 劍

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071 2.青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東青島 266101)

0 前言

良好的接地是電氣設(shè)備及建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證，在高土壤電阻率地區(qū)，地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及接地電阻的降低通常需要耗費(fèi)更多的成本投入[1-3]。降低地網(wǎng)接地電阻，提高地網(wǎng)運(yùn)行的安全性是地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要方面[4,5]。高電壓實(shí)驗(yàn)室中的高電壓試驗(yàn)廳以及各設(shè)備間均應(yīng)有良好的接地裝置，以確保保護(hù)接地和工作接地能夠滿足試驗(yàn)需求，其接地電阻值必須要做得很小，最好小于0.5 Ω[6]。中國石化青島安全工程研究院高電壓試驗(yàn)大廳一直運(yùn)用于解決石油化工行業(yè)雷電災(zāi)害控制及防護(hù)技術(shù)研究相關(guān)的難題[7,8]，其接地電阻會(huì)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。本文運(yùn)用CDEGS接地仿真軟件，對(duì)試驗(yàn)大廳地網(wǎng)安全性及接地電阻進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Field, Grounding and Soil Structure Analysis，即電流分布、電磁場、接地和土壤結(jié)構(gòu)分析)軟件是由加拿大SES公司出品的，具有接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、土壤結(jié)構(gòu)分析、電流分布、電磁場及其干擾計(jì)算、雷擊保護(hù)計(jì)算等功能的集成軟件。目前軟件具有：①土壤電阻率測量和解釋 ；②接地分析、線纜參數(shù)計(jì)算、故障電流分布計(jì)算 ；③估算電磁環(huán)境影響(電暈、 音頻和射頻噪聲) ；④電磁干擾電磁兼容分析和干擾緩解；⑤雷電屏蔽分析、雷電浪涌瞬態(tài)分析等功能[9,10]。

1 地網(wǎng)安全性的設(shè)計(jì)

接地網(wǎng)除起到良好的接地作用外，還應(yīng)確保接觸電壓、跨步電壓及接觸電勢處于合理的數(shù)值范圍以內(nèi)，保證工作人員人身安全。本文選取中國石化青島安全工程研究院高電壓實(shí)驗(yàn)室地網(wǎng)作為研究對(duì)象，其地網(wǎng)成矩形網(wǎng)格狀排列于實(shí)驗(yàn)室地坪下，總長48 m，總寬30 m，深度0.6 m，由水平接地極組成矩形網(wǎng)格狀，網(wǎng)格數(shù)量6×8，另設(shè)27根垂直接地極，每根2.5 m。經(jīng)過仿真得到其跨步電壓分布，如圖1。由圖1可知，地網(wǎng)電位分布不均勻，特別是地網(wǎng)中間區(qū)域的跨步電壓較大，且整個(gè)地網(wǎng)范圍內(nèi)地電位的分布梯度較大。同樣的，接觸電壓、接觸電勢等其他參數(shù)也普遍偏大，地網(wǎng)安全性較差。

圖1 原始地網(wǎng)跨步電壓分布

為增強(qiáng)地網(wǎng)安全性，增加5根橫向6根縱向水平接地極，使整個(gè)地網(wǎng)呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各橫向縱向接地極等距離分布。再次進(jìn)行仿真得到跨步電壓分布，如圖2。由圖2可知，地網(wǎng)電位分布的均勻性得到極大的改善，地網(wǎng)范圍內(nèi)的跨步電壓均處于較低的水平，地網(wǎng)安全性得到有效改善。

圖2 改進(jìn)后地網(wǎng)跨步電壓分布

圖2中，跨步電壓的分布仍然存在一定的不均勻性，地網(wǎng)邊緣區(qū)域的跨步電壓比中心區(qū)域大。在水平接地極數(shù)量不變的情況下，嘗試對(duì)接地極的分布進(jìn)行調(diào)整，以期得到更好的結(jié)果。使水平接地極不再按照等間距的方式排列，而是按照指數(shù)壓縮的方式進(jìn)行排列，壓縮比為0.8，結(jié)果仿真得到跨步電壓分布如圖3所示。

圖3 指數(shù)排列方式下地網(wǎng)跨步電壓分布

由圖3可知，跨步電壓的分布均勻性得到一定的改善，4個(gè)角落處的跨步電壓有所減小，中間地帶跨步電壓略微增大，地網(wǎng)區(qū)域內(nèi)跨步電壓的分布公差降低，最大跨步電壓值減小，地網(wǎng)安全性進(jìn)一步得到改善。

2 放射性接地極對(duì)方形地網(wǎng)的降阻效果分析

在接地網(wǎng)降阻設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)采取敷設(shè)放射型接地極的方式來達(dá)到降阻目的。但放射型接地極的敷設(shè)數(shù)量和方式，以及預(yù)期的效果并無量化的結(jié)論。通過CDEGS仿真計(jì)算，對(duì)放射型接地極于方形地網(wǎng)的降阻效果進(jìn)行分析。放射型接地極的敷設(shè)方式如圖4所示，接地極數(shù)量依次為1，2，4，8。

圖4 放射型接地極設(shè)置的幾種情形

目標(biāo)接地網(wǎng)為邊長30 m的正方形水平結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有縱豎各3根水平接地極，且等間距分布，整個(gè)地網(wǎng)深度為0.6 m，所處區(qū)域土壤電阻率為100 Ω·m。當(dāng)放射型接地極數(shù)量分別為1，2，4，8，單根接地極長度分別為400，200，100，50 m時(shí)，地網(wǎng)接地電阻計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同情形下接地電阻計(jì)算結(jié)果

由圖5可知，放射型接地極數(shù)量越多，長度越長，其降阻效果越明顯。當(dāng)所用放射型接地極總長度一定時(shí)，其降阻效果相差不大。不過，放射型接地極總長度時(shí)，不同組合所算得接地電阻值仍存在差別，并呈現(xiàn)出規(guī)律：放射型接地極根數(shù)越少，降阻效果越理想。

3 放射型接地極在地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中國石化青島安全工程研究院高電壓實(shí)驗(yàn)大廳所建區(qū)域?yàn)楦唠娮杪释寥澜Y(jié)構(gòu)，通過CDEGS軟件仿真和數(shù)值計(jì)算，對(duì)實(shí)驗(yàn)室地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之達(dá)到規(guī)范要求，即接地電阻小于0.5 Ω。

圖6是高電壓試驗(yàn)大廳，建筑物大門朝東(左側(cè))，大門外(東側(cè))20 m范圍內(nèi)區(qū)域可以直接用于延伸地網(wǎng)，增加垂直接地極；超過20 m的區(qū)域也可以利用，但因其他限制，只能布置約100 m的水平放射型接地極；大廳西側(cè)距園區(qū)圍欄的距離略大于20 m，也可用于延伸地網(wǎng)。該建筑物北側(cè)有一條平行于建筑物墻體的路，與大廳相距2 m左右，不方便打入垂直接地極，但是可以向外布置放射型接地極。建筑物南側(cè)為山體斷面，不可利用。

圖6 試驗(yàn)大廳

試驗(yàn)大廳所在房間為建筑物右半部分，即較高一側(cè)，面積為24(東西)×30(南北)(m2)。建筑物左半部分為控制室等其他房間，面積同樣為24×30(m2)，其地網(wǎng)結(jié)構(gòu)建模如圖7所示。計(jì)算所用土壤結(jié)構(gòu)采用水平分層結(jié)構(gòu)。山體石塊的土壤電阻率定為1 500 Ω·m，厚度為200 m，200 m以下的地基土壤電阻率為75 Ω·m。

如圖7所示，接地電阻計(jì)算結(jié)果為3.56 Ω。在其右邊大廳地面打入9根垂直接地極，并通過水平網(wǎng)格將其和之前模擬的建筑物接地極相連，具體結(jié)構(gòu)見圖8，紅框處為新加入的9根垂直接地極。

通過計(jì)算可知，圖8結(jié)構(gòu)的接地電阻為3.26 Ω。僅比圖7結(jié)構(gòu)少了0.30 Ω，距離0.5 Ω的要求相差很多，需要在建筑物外引入輔助的接地系統(tǒng)。

圖7 實(shí)驗(yàn)大廳原始接地網(wǎng)建模

圖8 更新后的建筑圖接地網(wǎng)絡(luò)

繼續(xù)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。在建筑物東、西側(cè)墻外，平行間隔10 m處各設(shè)計(jì)一個(gè)30 m×10 m的矩形接地網(wǎng)絡(luò)，具體結(jié)構(gòu)見圖9。地網(wǎng)接地電阻降為2.98 Ω，降阻效果不明顯。

圖9 左右(東西)兩邊加入輔助接地極后的接地極整體結(jié)構(gòu)

增加放射型接地極，包括3根100 m水平接地極，和1根300 m水平接地極，如圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示地網(wǎng)接地電阻降為0.79 Ω。

圖10 進(jìn)一步增大接地網(wǎng)格面積

增加?xùn)|北角向北邊接地極長度至300 m，并增加兩根東北和西北角度的水平放射型接地極，如圖11所示。經(jīng)CDEGS仿真計(jì)算，該地網(wǎng)接地電阻降為0.38 Ω，符合要求。

圖11 增加放射型接地極數(shù)量和長度后的地網(wǎng)

4 結(jié)論

水平網(wǎng)狀地網(wǎng)結(jié)構(gòu)可有效減小跨步電壓，使地電位分布更為均勻。按照指數(shù)壓縮的方式進(jìn)行排列的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高地網(wǎng)安全性，降低地網(wǎng)區(qū)域內(nèi)跨步電壓的分布公差，減小最大跨步電壓值。放射型接地極數(shù)量越多，長度越長，其降阻效果越明顯。當(dāng)所用放射型接地極總長度一定時(shí)，其降阻效果相差不大，但仍有細(xì)微差別：放射型接地極根數(shù)越少，降阻效果越理想，這是由于導(dǎo)體屏蔽效能所致。