影響接地系統安全的關鍵要素研究

付學文, 馬振宏, 魏智娟, 顧爽, 王中亮, 孔國良

(國網河北省電力公司 邢臺供電分公司，河北 邢臺 054001)

影響接地系統安全的關鍵要素研究

付學文, 馬振宏, 魏智娟, 顧爽, 王中亮, 孔國良

(國網河北省電力公司 邢臺供電分公司，河北 邢臺 054001)

為給接地系統的施工及技術改造提供一些理論依據，研究了影響接地系統安全的關鍵要素。采用加拿大SES公司的CDEGS軟件，根據工程實際中的土壤結構，通過對故障電流流入變電站的位置、土壤結構、地網網格間距、垂直接地體數量與形狀、地網邊角角度、地網外延水平接地體、地表土壤電阻率等7個方面系統地仿真，論證了影響接地系統安全的關鍵要素，認為故障電流在接地網邊角地帶時風險最大，可以用改變地網形狀或土壤電阻率等方法提高電力系統的接地可靠性。

接地系統；接地電阻；跨步電壓；接觸電壓

隨著電力系統容量的逐步加大，因鳥害[1]、雷擊[2]、風偏[3]、誤操作等原因致使流經變電站、發電廠接地系統的故障入地電流愈來愈大，影響電力系統的供電可靠性。加拿大SES公司發布的接地系統分析軟件包CDEGS目前已基本得到了國內外相關領域專家學者的認可，他們將其課題分析結果與CDEGS計算結果做比較驗證分析[4-7]，使用CDEGS軟件對算例變電站接地系統進行安全評估與改造設計[8-12]等。筆者使用CDEGS軟件對可能影響接地系統安全的幾個要素進行仿真計算，以便為接地系統的施工及技術改造提供一些理論依據。

1 接地系統的設計

1.1 土壤結構計算

土壤電阻率是影響接地網安全的重要因素，差異化的土壤電阻率組成差異化的土壤結構，故在進行接地系統計算分析之前需測量其土壤電阻率，以便確定準確的土壤結構模型。測量土壤電阻率常用的方法有兩種：Wenner法與Schlumberger法[13]。

1.2 故障電流分布計算

站內最大故障入地電流一般發生在系統單相對地短路的情況，但最大入地電流也可能發生在雷擊短路或站外桿塔短路的情況。而且，流入到變電站接地系統總的故障電流比通過接地系統釋放到土壤中的電流更大?？偟墓收想娏鞯囊徊糠謱⑼ㄟ^輸電線的屏蔽線、接地系統導體和配電饋線的中性線或屏蔽線返回到遠端源和當地變壓器的中性點。經架空線、輸電線的中性線和連接到變電站的配電線流回的電流與總的故障電流之比稱為故障電流分流系數。

1.3 接地系統安全分析

假設土壤電阻率為ρ，大地內的電流密度為δ，則大地的場強密度為E=ρδ，無窮遠處電位為零，則變電站或發電廠發生接地故障時，接地故障電流經過接地網注入大地時地表電位如圖1所示[13]。

純阻性電流是不存在的[13]，所以把接地點處的電位UM與接地電流I的比值定義為接地電阻R，即R=UM/I。

圖1 接地網原理圖

接觸電壓與跨步電壓施加于人體產生流過人體的電流,可能危及生命安全，減小接地阻抗值或改變接地網參數可以降低接觸電壓和跨步電壓值，提高變電站的安全性[13]。

2 接地系統的描述

2.1 土壤結構

用Wenner法對某地區的土壤電阻率進行測量[14-19]，在測量中改變電極間距，忽略探針長度，測得9組視在電阻率，見表1。

表1 視在電阻率與極間距的對應關系

2.2 變電站接地網模型

假設某變電站接地網為100 m×100 m、網格間距為10 m的正方形，水平接地體等效直徑d=0.03 m，材料是熱鍍鋅扁鋼，接地網埋深0.8 m[14,20-21]，入地電流25 kA。接地網站在(-50，50)、(50，-50)、(50，50)、(-50，50)地點圍成的區域如圖2所示。

圖2 接地網模型

2.3 設計標準的選取

基于IEEE 80—2000的標準，對接地系統進行安全評估時，接觸及跨步電壓安全值依據表2中的相關數據計算得出。

表2 接觸電壓及跨步電壓安全值的計算依據

3 故障電流入地點的影響

在仿真計算時需考慮故障電流流入地網的不同位置對電力系統的影響。選取(0，0)、(20，30)、(40，40)、(50，50)4個故障電流入地點進行仿真計算。結果表明，當故障電流入地點在邊角地帶時接地電阻和最大跨步電壓值較大，具體見表3。

表3 短路電流入地點對接地電阻、最大跨步電壓和最大接觸電壓的影響

4 土壤電阻率的影響

將土壤結構設置為單層，土壤電阻率選取見表4。在坐標(-53，-53)、(53，-53)、(53，53)、(-53，53)所確定的地表范圍內進行觀測計算，土壤電阻率的影響結果見表4。

表4 接地電阻和跨步電壓及接觸電壓隨土壤電阻率變化的情況

5 網格間距的影響

圖3為不等間距接地網模型。將網格間距為5、10、20 m及不等間距的模型仿真計算結果列于表5。從表5中可以看出，網格間距越大，接地電阻和跨步電壓越大。當接地網面積確定之后，接地網間距越小，接地網的散流性能越好。在網格間距最大處多設置一些水平導體來降低接地電阻和跨步電壓。

圖3 不等間距地網模型

表5 不同的網格間距對接地電阻和最大跨步電壓的影響

6 垂直接地體的影響

6.1 垂直接地棒的影響

在接地網的節點焊接2.5 m長垂直接地棒，材料為熱鍍鋅扁鋼，截面等效半徑為30 mm，相對電阻率(相對于銅)為8；相對磁導率(相對于真空)為250，接地網距地面0.8 m，網格間距10 m，垂直接地棒的布置如圖4所示[22-23]。接地電阻值為0.535 423 6 Ω，站內跨步電壓的分布如圖5所示。

最大跨步電壓所在的位置位于(50.10，50.10)到(50.67，50.67)范圍內，最大值為763.984 V，比不加垂直接地棒時的最大跨步電壓值763.346 V減小了15.638 V，接地電阻0.535 423 6 Ω，比不加垂直接地棒時的電阻值減小了0.006 962 4 Ω?？梢?，增加垂直接地棒對接地系統的安全影響不是很明顯，但卻大大增加了接地網成本。

圖4 帶垂直接地體的接地網

圖5 變電站內地表跨步電壓的分布

6.2 深井接地體的影響

在接地網的4個頂點處添加不等長度、直徑為50 mm的垂直接地體模擬深井接地體的情況，接地電阻值以及變電站最大跨步電壓和最大接觸電壓的變化值見表6。

這種情況下，跨步電壓最大值比不加深井接地體的651.922 V分別減小了44.083、162.422、167.580、168.807、172.195 V；接地電阻比不加垂直接地體時的0.540 720 9 Ω分別減小了0.013 937 4、0.025 779 6、0.027 094 4、0.027 719 6、0.029 126 5 Ω；接觸電壓最大值比不加深井接地體的4 121.716 V分別減小了46.706、862.996、939.327、1 000.813、1 002.167 V。

表6 接地電阻和最大接觸電壓及最大跨步電壓隨深井接地體長度變化的情況

深井接地體可以降低接地電阻值和跨步電壓值，提高接地系統的安全性。隨著深井接地體深度的增加，接地電阻值降低，變電站地面電位降低，最大跨步電壓值以及最大接觸電壓值直線下降。該方法一般適用于變電站所在地區上層土壤電阻率很高而下層土壤電阻率較低的土壤結構。

7 圓弧形邊角的影響

1)圓弧半徑為5 m的地網。 接地網結構如圖6所示，接地電阻0.541 233 0 Ω，阻抗角2.105 106°。變電站跨步電壓計算結果如圖7所示。

由圖7可知，最大跨步電壓值643.953 V位于變電站的對角線上(48.76，48.76)，比直角形邊角時的763.984 V減小了120.031 V。

2)圓弧半徑為10 m的地網。 當圓弧半徑等于接地網網格間距時的地網模型如圖8所示。

圖8中，故障電流入地點位于接地網4個圓弧形邊角的中點，接地電阻值0.542 571 3 Ω，阻抗角2.008 754°。變電站接觸電壓仿真計算結果如圖9所示。

圖6 地網圓弧半徑為5 m時的圓弧形邊角接地網模型

圖7 地網圓弧半徑為5 m時的變電站跨步電壓分布

圖8 地網圓弧半徑為10 m時的圓弧形邊角接地網模型

圖9 接地網圓弧半徑為10 m時的變電站接觸電壓分布

當地網4個圓弧形邊角外的圓弧半徑等于網格間距時，最大跨步電壓為671.837 V，比直角時的763.984 V減小了92.147 V。所以，改接地網邊角的直角形為圓弧形可大幅度降低跨步電壓值。

8 外延水平接地體

對接地網的圓弧形邊角處外延6根6 m長的水平接地體進行仿真計算，地網的導體布置如圖10所示。計算結果為：接地電阻值0.530 698 1 Ω，阻抗角2.013 609°。電壓的具體計算結果如圖11和圖12所示。

圖10 帶外延水平接地體的接地網模型

從仿真結果圖9和圖12中可以看出，在地網頂點圓弧形邊角附近增加了外延6根6 m長的水平接地體之后，跨步電壓值得到降低，但延長線端點處的跨步電壓值卻大大提高，變電站或發電廠圍墻外的潛在危險性增加，在工程實際中不允許采用此降阻措施。

圖11 帶外延水平接地體的變電站跨步電壓分布

圖12 帶外延水平接地體的變電站接觸電壓分布

9 增加表層土壤電阻率的影響

為提高變電站的安全標準，需增加表層土壤電阻率。增加表層土壤電阻率的常用措施是在地表鋪一層礫石或者瀝青混凝土等高電阻率材料。其中設計的高土壤電阻率的厚度為18 cm，故障切除時間為0.35 s。筆者模擬了安全閾值隨地表土壤電阻率的變化情況，結果見表7。

表7 變電站電壓安全閾值隨附加地表土壤電阻率的變化情況

10 結 語

1)短路電流入地點在接地網邊角地帶時接地電阻值和最大跨步電壓值及最大接觸電壓值較大，在工程實際中應極力避免這種情況。

2)在其他條件相同的情況下，接地電阻、跨步電壓及接觸電壓隨著土壤電阻率的增大而增大，可用參考文獻[24]的方法來降低土壤電阻率。

3)接地電阻、跨步電壓隨著接地網網格間距的增大而增大，但從經濟性的角度來看，減少接地網網格間距來降低接地電阻和跨步電壓，并不合適。

4)增加垂直接地棒和深井接地體可以降低接地電阻值和最大跨步電壓值，但效果不明顯；采用深井接地降阻體適用于上層土壤電阻率很高而下層土壤電阻率較低時的情況。

5)半徑等于網格間距的圓弧形邊角地網相對于直角形邊角地網可大幅度降低跨步電壓。

6)增大表層土壤電阻率可以提高人體與土壤的接觸電阻值，進而提高變電站的安全標準，這種降阻措施在實際中應用最多，效果也很明顯[25]。

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(責任編輯:杜明俠)

Study on the Key Factors Influencing Safety of Grounding System

FU Xuewen, MA Zhenhong, WEI Zhijuan, GU Shuang, WANG Zhongliang, KONG Guoliang

(Xingtai Power Supply Branch, Hebei Power Company of State Grid, Xingtai 054001, China)

In order to provide some theoretic support for construction and technical transformation of grounding system, the key factors influencing grounding system were investigated. Adopting CDEGS software of Canadian SES Company and according to the soil structure in a engineering, the key factors influencing grounding system were obtained through simulating the fault current flowing into the positions, the soil structure, the mesh spacing of grounding grid, the quantity and shape of vertical grounding body, the grounding grid edge angle, the grounding grid epitaxial level grounding bodies and the surface soil resistivity in a converting station, the fault current in the grounding grid edge angle had maximum risk, the grounding reliability of grounding system could be raised by improving the shape of grounding grid and soil resistance, etc.

grounding system; grounding resistance; step voltage; contact voltage

2015-08-19

付學文(1983—)，男，河北邢臺人，工程師，碩士，主要從事電力系統過電壓與絕緣配合方面的研究。E-mail:fuxuewenok@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.016

TV513;TM862

A

1002-5634(2016)02-0087-06