變電站新型臨時接地端的模擬仿真研究

吳 超，張紫薇，吳永聰，程芳銳，王明禹

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南昆明 650200）

0 引言

變電站使用應(yīng)急發(fā)電機(jī)、發(fā)電車和高架車等用電設(shè)備時，需要對這些設(shè)備接地。目前這些設(shè)備的接地方式有：①接地線連接線夾，線夾卡在變電站接地扁鐵上進(jìn)行接地；②通過接地線連接接地針，接地針埋入土壤進(jìn)行接地。兩種接地方式應(yīng)用情況不同，作業(yè)現(xiàn)場有接地扁鐵，且線夾可以卡在接地扁鐵上時，通過接地扁鐵進(jìn)行接地；作業(yè)現(xiàn)場無接地扁鐵或接地扁鐵不便連接時，可以通過接地針接地。目前市場上常用的接地針結(jié)構(gòu)簡單，只能應(yīng)用在單一環(huán)境。本文基于原接地針結(jié)構(gòu)，發(fā)明一種變電站新型臨時接地端。用電設(shè)備的接地屬于保護(hù)接地，保護(hù)接地的接地電阻應(yīng)小于等于4 Ω。日常工作中，一般使用接地電阻測試儀測量接地電阻，這種方法受場地限制，測量過程比較復(fù)雜，但是測量結(jié)果較仿真結(jié)果更為精確。本文使用ANSYS 軟件建立模型進(jìn)行仿真，計算臨時接地端通過接地針接地時的接地電阻值。只需要知道當(dāng)?shù)赝寥李愋?，就能夠快速模擬出接地電阻值，對現(xiàn)場使用臨時接地端的安全性具有一定參考意義。

1 變電站新型臨時接地端

變電站新型臨時接地端的制造過程如圖1 所示，在原接地針上焊接一塊帶孔鋼片，將線夾與接地線通過螺釘連接在接地針的兩塊鋼片上。這是一種既能通過接地扁鐵接地，又能通過接地針接地的多功能接地端。

圖1 改進(jìn)后的接地端

改進(jìn)后的接地端，將接地線，線夾和接地針等3 個部件集成在一起，環(huán)境適應(yīng)性有所提高。各部件“化零為整”，減少站內(nèi)人員管理的復(fù)雜性。使用新型臨時接地端時，安裝步驟減少，節(jié)約人力與時間。

2 變電站新型臨時接地端的接地電阻

接地電阻是電流由接地裝置流入大地，再經(jīng)大地另一接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散所遇到的電阻。接地電阻體現(xiàn)電氣裝置與“地”接觸的良好程度和反映接地網(wǎng)的規(guī)模。影響接地電阻的因素主要包括土壤電阻率、接地體的尺寸、接地體的形狀及埋入深度、接地線與接地體的連接等。以下分析這些因素。

（1）土壤電阻率。影響土壤電阻率的因素包括導(dǎo)電離子濃度、含水量、土質(zhì)、溫度和致密性等。隨著土壤深度改變，其電阻率也會發(fā)生變化。受控站所在地的土壤為黃壤，根據(jù)表1，確定黃壤的電阻率近似值為200 Ω·m。

表1 土壤電阻率 Ω·m

（2）接地體的尺寸、形狀及埋入深度?！吨袊戏诫娏Π踩ぷ饕?guī)程》中規(guī)定，臨時接地體的截面積不應(yīng)小于190 mm2（如Φ16 mm 圓鋼）、深埋不應(yīng)小于0.6 m。本文研究的臨時接地針，材料為304 圓鋼，直徑為16 mm，埋入土壤長度可達(dá)1 m，滿足公司要求。

（3）接地線與接地體的連接。接地線材料為銅，通過螺釘與接地針連接在一起。

3 接地電阻的建模仿真

新型臨時接地端有兩種接地方式，第一種是接地線連接線夾，線夾卡在變電站接地扁鐵上進(jìn)行接地；第二種是通過接地線連接接地針，接地針埋入土壤進(jìn)行接地。第一種接地方式相當(dāng)于將待接地設(shè)備直接連接在變電站接地網(wǎng)上，接地電阻較小，接地可靠性與安全性有保障，所以不對其進(jìn)行研究。本文主要研究第二種接地方式下的接地電阻值。

本文使用ANSYS 進(jìn)行建模仿真。新型臨時接地端的接地電阻主要包括接地線的電組、連接導(dǎo)線和接地針的接地電阻、接地針本身的電阻，以及電流流入大地時的電阻。前三項與最后一項相比太小，可忽略不計，因此接地電阻為電流從接地體流入大地時具有的電阻。接地針模型可以進(jìn)行簡化，只保留其埋入土壤的那一部分。無窮大土壤模型也無法建立，研究表明，離開接地極距離為接地極尺寸10 倍以內(nèi)的土壤對接地電阻值有較大影響，因此在有限資源的前提下，為保證模擬精度，構(gòu)建的模型如圖2所示。

模型中，接地針簡化為長度0.6 m、直徑16 mm 的圓柱體，材料為304 鋼，電阻率為7.3×10-7Ω·m。土壤簡化為高度20 m、長度和寬度都為10 m 的長方體，電阻率為200 Ω·m。接地針完全垂直插入長方體土壤的中心，接地針上表面與土壤上表面在同一水平線。在接地針上表面中心施加100 A 的直流電流，仿真得到接地體的最大電壓，即可計算出接地電阻值。

仿真時，對建立的模型施加邊界條件，上表面無約束，其他面電壓設(shè)置為0 V，劃分網(wǎng)格時選取四面體形狀，網(wǎng)格數(shù)量大概57萬個（圖3）。

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格劃分

仿真時的電位分布是對稱的，且從電流施加的中心到正方體土壤邊緣電位逐漸降低（圖4）。仿真得到的最大電壓為1000 V。根據(jù)公式R=U/I，其中，R 為接地電阻，U 為仿真得到的最大電壓，I 為仿真施加的直流電流100 A，計算得到R 為10 Ω。

圖4 電位分布

4 總結(jié)與展望

根據(jù)實際考察，本文設(shè)計的變電站新型臨時接地端具有結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可很好應(yīng)用在變電站應(yīng)急發(fā)電機(jī)、發(fā)電車和高架車等用電設(shè)備的保護(hù)接地上。使用ANSYS 建立模型仿真得到的接地電阻值，較真實接地電阻值有一些誤差。誤差來源于模型的大小、形狀和土壤放電游離等因素，但是使用ANSYS 建模仿真比實際測量更加快捷方便。因此，在今后的研究中可以建立更為精確的模型，以便得到更準(zhǔn)確的接地電阻值。對于土壤電阻率較高的地區(qū)，應(yīng)采取增加接地體根數(shù)、長度、截面積或埋地深度等措施來改善接地電阻。