大型变电站接地网改造

摘要: 接地网在电力系统安全运行中起着极为重要的作用,不仅为系统内各种高压电气设备提供一个公共的参考地,还可以在系统发生故障时排泄故障电流并降低变电站的地电位升,从而确保系统工作人员的人身安全及各种电气设备的正常运行。作为变电站安全运行的重要保证,其接地性能一直受到设计和生产运行部门的重视。大型变电站接地网面积大,接地网不再是等电位的。等间距的大型变电站接地网的地表电位梯度大,散流不均匀,有必要在不等电位模型下研究不等间距的大型变电站接地网。

关键词: 接地网;安全运行;等电位;不等 电位模型

变电站的接地网是工作接地、防雷接地和保护接地三者的统一,其地网结构主要取决于工频对地短路电流。进行接地网设计时,过去总是力求控制地网电位。据文献[2]要求:IR4000A时,执行上式有困难,可取R≤0.5Ω,要做到这些,在实际中仍有困难。故文献[2]固定,在土壤电阻率太高时,在技术经济极不合理时,允许将R提高到R≤5Ω(此时要验证人身、设备的安全)。即使遇到土壤电阻率很高时,也是采用打深井或引外接地的方法降低R。通过降R达到控制地网电位IR的目的,也的确是保证人身和设备安全的重要途径。

1接地计算的基本方法

1.1 均匀土壤的接地电阻计算

在实际的计算中常常采用简化公式

其中 S:接地网面积L:接地体总长度

L’:接地网外缘长度 h:水泡接地体所埋深度 d:等效半径r:接地电阻

1.2 双层土壤经典镜像法

对于半无限大均匀媒质,即将大地视为单层模型时,格林函数为点电流源和它的一个镜像所产生的电位;对于两层模型,格林函数时由点电流源和无限多个镜像所产生的电位[1]。如果源点和场点均在上表层,分别位于r’(或x’,y’,z’)和r(或x,y,z),直角坐标系的原点位于大地表面上,则格林函数可表示为[4]:

分别为上层和下层的电导率;

其中,对于:对于;对于其他情况有h为上层厚度。很显然,要得到较高的计算精度,计算需要较长的计算时间。

2 均匀土壤下大型接地网改造方法

要确保人身和设备的安全、维护系统的可靠运行,需要改变仅仅强调降低接地阻抗的传统观念,树立主要考虑地面电位梯度所带来的危险这一新概念。因为实际上整个接地系统的接地阻抗与人体或设备不同部位可能遭受的最高电压之间不存在简单的对应关系。在土壤电阻率比较低且接地网面积较大的情况下,虽然其接地阻抗可以达到较低的值,但如果接地系统设计不合理,在发生接地故障时,地面上仍可能出现很高的电位梯度,给运行人员和设备代来危险。

2.1 接地网优化设计的基本原理

接地网的优化设计就是在已有的接地网范围的情况下,通过调整水平接地网的接地导体的布置确保电气设备和人身的安全。接地网的安全参数包括接地阻抗Z、地表电位分布、最大接触电压和最大跨步电压。因此接地网的优化就是让接地网地表电位分布均匀,接地网的接地阻抗、最大跨步和接触电压最小。所以均匀土壤下接地网优化的原理就是寻找一种合理的接地网水平接地导体的排列方式,在这种接地布置方式下,接地网上方的地表电位分布更均匀,接地网的接地阻抗、地表的最大接触电压和最大跨步电压达到最小值。

2.2 均匀土壤下接地网的优化设计软件

根据上述分析,得到的均匀土壤下接地网的优化设计软件的流程图如下图1所示。接地网的优化设计过程为:

3 不均匀土壤下大型接地网的改造方法

3.1双层土壤下接地网的优化设计

与均匀土壤下类似,采取从中心网孔到边角网孔按照指数递减规律的方式布置。还是对接地网土壤取两层,100和500,上层土壤厚度是10m,其它条件相同。电流在接地网中心注入(11, 11),注入电流大小1A。算得接地网水平导体在不同压缩比的接地阻抗Z、最大跨步电压Es、最大接触电压和最小接触电压值之差随压缩比的变化曲线如图2、图3、图4所示[3]。

3.2 多层土壤中接地网的优化设计分析

当土壤结构为三层以上时,土壤结构参数很多,要分析总结出各种因素的影响规律是非常困难的,即使能总结出规律,但由于很难找到结构完全相同的变电站站址,因此本节只对一些普遍的情况进行分析。对于任何实际的工程,都可以采用接地网优化设计软件分析最优布置。

以三层土壤为例进行分析,三层土壤参数:低阻层、中阻层和高阻层的电阻率分别是100, 500和1000,上层土壤的厚度是l0m,中层土壤的厚度是50m。接地网参数:面积150 x 150,网孔数15x15,接地网的其它参数不变,在中心(8,8)注入1A的电流。对六种电阻率组合情况下的最优压缩比及接地网最优布置时的最大接触电压和最小接触电压之差以及接地阻抗进行了分析,结果如上表1所示。1, 2, 3,4, 5和6分别代表三种土壤的组合情况,依次是上层高中间低下层中(即上层1000 、中间层100下层500 )、上层高中间中下层低、上层中中间高下层低、上层中中间低下层高、上层低中间高下层中、上层低中间中下层高。

从表1的计算结果可以看出,当接地网达到最优设计时,在各种情况下接地阻抗略有减小,降阻效果不超过1%。因此,接地网优化设计的主要目的不是降阻,而是改善接地系统的安全性能,均衡接地网上方的地表电位,降低接触电压和跨步电压。

参考文献:

[[1] 齐磊.变电站接地网的频域有限元方法[J].中国电机工程学报,2007,27(6):62-66

[2] 颜怀梁,陈先禄,李定中.接地计算方法及应用不均匀网孔改善地网电位分布的计算研究[J].重庆大学学报,1985(4):95-103

[3] 文习山.三峡电站允许电位升高试验研究[J].电网技术,2003,27(2):9-12

17(3):81-89

[4] 李中新,袁建生,张丽萍.变电站接地网模拟计算[J].中国电机工程学报1999,20(5):76-79