基于CDEGS的接地網(wǎng)仿真應(yīng)用研究

張少軒，王 浩

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，工程師，四川 成都 610000）

拉林鐵路位于青藏高原主體區(qū)域，建于此地的牽引變電所土壤電阻率高，需采用有效的降阻方案降低接地電阻，但確定降阻方案實(shí)驗(yàn)條件實(shí)施困難，無法判斷降阻方案是否可行，針對此問題提出采用仿真的方式對降阻方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 仿真軟件及土壤電阻率測量方法

1.1 CDEGS仿真軟件簡介

CDEGS集成工具軟件包是一套功能強(qiáng)大的集成軟件工具?？舍槍ν寥澜Y(jié)構(gòu)的分層情況進(jìn)行擬合，模擬最佳的土壤結(jié)構(gòu)，還可以通過分析接地網(wǎng)絡(luò)求解短路電流值的大小，計(jì)算跨步電壓和接觸電壓。

降阻方案驗(yàn)證需應(yīng)用的模塊主要包括RESAP、MALT、FCDIST等。CDEGS軟件主要功能為土壤結(jié)構(gòu)模擬如圖1所示：

圖1 土壤結(jié)構(gòu)模擬

1.2 土壤電阻率測量方法

為真實(shí)反映整個(gè)接地系統(tǒng)中的土壤情況，應(yīng)當(dāng)對接地系統(tǒng)土壤進(jìn)行有效測量，其中，若采用等距測量法（如wenner法），最大測量間距S不應(yīng)小于地網(wǎng)對角線長度；探針深度如電流極探針深度Do與電壓極探針深度Di不應(yīng)大于測量間距的1∕5。wenner法測量原理圖如圖2所示。

圖2 wenner法測量原理圖

測量過程中，應(yīng)注意在短間距時(shí)探針深度的記錄，以及長間距時(shí)信號(hào)發(fā)生器的功率是否滿足要求；否則會(huì)出現(xiàn)短間距時(shí)，探針深度超過測量間距的1∕5（此時(shí)需考慮探針深度），或者在長間距測量時(shí)，信號(hào)太弱，容易受到干擾。

由于牽引變電所內(nèi)回填土的土壤結(jié)構(gòu)區(qū)別于所外，因此在變電所場坪內(nèi)測量表層土壤電阻率，并在所外20～30m一處平行牽引變電所主地網(wǎng)的線進(jìn)行長間距測量以測得深層土壤電阻率，具體測量方法如下：

（1）推薦測點(diǎn)分布應(yīng)為（單位：m）：

0.1 、0.2、0.3、0.5、0.7、1、2、3、5、7、10、20、30、50、70…

為了體現(xiàn)接地系統(tǒng)表層電阻率，推薦測點(diǎn)應(yīng)從0.1m開始測量，并保證最大測量間距不小于接地網(wǎng)對角線長度，其中起始點(diǎn)的選擇無硬性要求，地面下無金屬管線即可。

（2）在已完成土建等主體工程后的變電所中，應(yīng)在所內(nèi)進(jìn)行短間距測點(diǎn)測量，并在所外進(jìn)行長間距測點(diǎn)測量。數(shù)據(jù)宜按推薦測點(diǎn)分布，除去在所內(nèi)測試的短間距測點(diǎn)，再測試1組數(shù)據(jù)，直至接地網(wǎng)對角線長度以上為止。

2 仿真應(yīng)用研究

2.1 降阻方案

朗縣牽引變電所為例，其場坪大小為80m*75m，所內(nèi)原始主地網(wǎng)采用由水平地網(wǎng)及垂直接地極構(gòu)成的復(fù)合地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)埋設(shè)深度0.8m，采用150mm2銅絞線；垂直接地極采用φ18、長度為3m的純銅棒。

朗縣牽引變電所采取的降阻措施，主要為：實(shí)施深井接地極、地網(wǎng)外擴(kuò)等結(jié)構(gòu)性降阻措施，并在深井內(nèi)填充納米石墨接地焦以改善土壤環(huán)境。采取降阻措施后的朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

圖3 朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)布置圖

具體為：在原始主地網(wǎng)的基礎(chǔ)上外擴(kuò)地網(wǎng)，采用埋深0.8m的150mm2銅絞線，每隔40m設(shè)置一處50m深井接地極，深井成孔直徑為110mm，其中垂直接地體采用φ18mm純銅接地體，深井及水平溝槽回填采用納米石墨接地焦材料。此外，獨(dú)立避雷針接地體設(shè)置并聯(lián)30m埋深避雷針深井接地極，深井成孔直徑為110mm，水平接地體采用埋深0.8m的150mm2銅絞線，垂直接地體采用φ18mm純銅接地體，深井及水平溝槽回填采用納米石墨接地焦材料。

2.2 土壤模型反演

朗縣牽引變電所土壤電阻率現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 土壤電阻率現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

3 5場坪外第一組 東側(cè)/20 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 5 7 10 293 263 315 315 318 317 315 316 310 297 296 277 217

根據(jù)工程輸入?yún)?shù)中土壤電阻率測量數(shù)據(jù)后導(dǎo)入CDEGS仿真軟件進(jìn)行土壤模型反演。根據(jù)土壤反演模型，確定朗縣牽引變電所土壤電阻率分布如表2所示：

表2 土壤電阻率與土壤厚度

2.3 接地電阻仿真計(jì)算

朗縣牽引變電所的主地網(wǎng)模型如圖4所示：

圖4 朗縣牽引變電所的主地網(wǎng)模型

根據(jù)表2中導(dǎo)入土壤模型反演數(shù)據(jù)，利用CDEGS軟件仿真后，軟件仿真結(jié)果如圖5所示：

圖5 軟件仿真結(jié)果

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)阻抗為0.45445Ω。

2.4 接地系統(tǒng)電阻值校驗(yàn)

根據(jù)牽引變電所外電輸入?yún)?shù)及接地電阻仿真計(jì)算中所得到的朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)阻抗值，導(dǎo)入CDEGS仿真軟件進(jìn)行短路電流分流計(jì)算，其結(jié)果如圖6所示：

圖6 朗縣牽引變電所分流系數(shù)計(jì)算輸入界面

由仿真后計(jì)算結(jié)果可知，入地短路電流為4142.4A，入地短路約占總短路電流的47.8%（分流系數(shù)約為0.478）。

朗縣牽引變電所為220kV進(jìn)線電壓等級的牽引變電所，單相短路電流取8663A。按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2016）4.13.5的要求，牽引變電所接地電阻需滿足：

IG為流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，R為考慮到季節(jié)變化的接地裝置的最大接地電阻。

根據(jù)接地電阻仿真計(jì)算和牽引變電所短路入地電流的計(jì)算結(jié)果，朗縣牽引變電所阻抗為0.45445Ω，將入地短路電流4142.4A代入公式可得R=0.48281Ω，0.45445Ω＜0.48281Ω，因此朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)電阻值校驗(yàn)為合格。

3 接地系統(tǒng)安全性評估

根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009-2016）中對接地電勢及跨步電勢的閾值要求

接觸電勢閾值

跨步電勢閾值

其中：

ρs為表層土壤電阻率，ts為故障清除時(shí)間，Cs為表層衰減系數(shù)（根據(jù)GB∕T 50065-2011 C.0.2工程中對地網(wǎng)上方跨步電位差和接觸電位差允許值的計(jì)算精度要求不高（誤差在5%以內(nèi)）時(shí)，也可采用C.0.2式計(jì)算）

hs為表層土壤厚度，ρ為下層土壤電阻率（表層土壤的下一層土壤電阻率）。

為了提高接地系統(tǒng)安全性，防止人員意外觸電引發(fā)安全事故，朗縣牽引變電所在室外設(shè)備區(qū)域均敷設(shè)了碎石（特征電阻率計(jì)為3000Ω·m，敷設(shè)厚度不低于15cm，即表3中表層土壤厚度0.15m），從而提高接觸電勢以及跨步電勢安全性限值。

下面針對已敷設(shè)碎石的接地系統(tǒng)進(jìn)行安全性評估。已敷設(shè)碎石時(shí)，將表層土壤電阻率、下層土壤電阻率、表層土壤厚度、代入公式（3-3）后可得表層衰減系數(shù)。將表層衰減系數(shù)、故障清除時(shí)間等參數(shù)帶入公式（3-1）與公式（3-2）中可得出接觸電壓與跨步電壓的限值，結(jié)果計(jì)算參數(shù)如表3所示：

表3 朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)安全閾值計(jì)算表

朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)的接觸電勢和跨步電勢的計(jì)算值由最大故障電流與實(shí)測接地網(wǎng)阻值、主網(wǎng)網(wǎng)格間距大小等理論數(shù)據(jù)計(jì)算得出，其計(jì)算仿真計(jì)算值如圖7、圖8所示：

圖7 朗縣牽引變電所接觸電勢仿真計(jì)算值

圖8 朗縣牽引變電所跨步電勢仿真計(jì)算值

經(jīng)過比對，朗縣牽引變電所接觸電勢與跨步電勢計(jì)算值均低于安全閾值，結(jié)果如表4所示，朗縣牽引變電所安全校驗(yàn)通過，接地系統(tǒng)評估為安全。

表4 朗縣牽引變電所接地系統(tǒng)安全評估結(jié)果表

4 總結(jié)

通過仿真軟件CDEGS對朗縣牽引變電所采取的深井接地極并填充納米石墨接地焦的降阻方案進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過土壤模型反演、仿真計(jì)算接地電阻阻抗、接觸電勢與跨步電勢對接地系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評估，確定降阻方案滿足要求。采用的仿真軟件具有精度高，速度快，方案參數(shù)改變簡單快捷，節(jié)省了現(xiàn)場驗(yàn)證所需要的人工和材料等成本，取得了較好的效果。