（电气工程专业论文）高阻地区变电站接地问题分析.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 在我国，+ 一方面随着电力工业的发展，接地网在运行中出现的安全问题越来越 多，另一方面接地网设计仍然使用传统的方法，从而造成接地网设计与实际安全运 行的矛盾非常突出，迫切需要提出新的更为有效的接地网设计方法。 本文研究了接地网接地电阻和地表电位的影响因素，对比了本文的计算方法与常用 的经验公式得出的结果，指出了经验公式的局限性，建议在复杂的土壤情况下应采用数 值分析软件指导实际的工程设计。同时，本文提出了新的便于工程设计人员使用的双层 水平分层土壤中接地网接地电阻的计算简化公式，通过与数值软件计算结果进行对比， 验证了简化公式的正确性。最后，本文应用“接地网性能分析软件”和简化公式对几个 实际接地网进行了分析计算。本文工作可以进一步指导接地网设计。 关键词：变电站，接地网，接地，接地网设计 a b s t r a c t i nc h i n a ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e r s y s t e m ，t h e r ea r em o r ea n dm o r es a f 【y p r o b l e m sr e l a t i n gt ot h eo p e r a t i o no f t h es u b s t a t i o n s h o w e v e r ，t r a d i t i o n a lm e t h o d sa r e s t i l lu s e di nt h e d e s i g n o ft h e g r o u n d i n gg r i d ，b u tc a n n o tm e e tt h e n e e d so fs a f e o p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m t h u sam o r ee f f e c t i v ed e s i g nm e t h o df o rt h eg r o u n d i n g g r i di su r g e n t l yn e e d e d i nt h i s t h e s i s ，b ya n a l y z i n gt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo ft h e g r o u n d i n gg r i da n dt h eg o u n dp o t e n t i a lr i s e ，a n dc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h e m e t h o di nt h i st h e s i sw i t ht h er e s u l t so ft h ee m p i r i c a lf o r m u l a s ，t h el i m i t a t i o n so ft h e e m p i r i c a lf o r m u l a sa r ep o i n t e do u t f u r t h e r m o r e ，an o v e ls i m p l i f i e da n a l y t i c a lf o r m u l a f o rt h ec a l c u l a t i o no ft h e g r o u n d i n gr e s i s t a n c e o ft h es u b s t a t i o n g r o u n d i n gg r i d i n t w o l a y e r e ds o i li sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb eu s e db ys u b s t a t i o nd e s i g n e r sc o n v e n i e n t l y t h ef o r m u l ai sv a l i d a t e db y c o m p a r i s i o no ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h en u m e r i c a l s o h w a r ea n dt h ef o r m u l a af e wa c t u a ls u b s t a t i o ng r o u n d i n g g r i d sa r ea n a l y z e db yt h e g r o u n d i n gg r i dp e r f o r m a n c ea n a l y s i ss o f t w a r ea n dt h es i m p l i f i e df o r m u l a 。w o r ko f t h i st h e s i sc a nb eaf u r t h e rr e f e r e n c ef o rt h e d e s i g no f t h es u b s t a t i o ng r o u n d i n g g r i d z h a ol e i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l il i n k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ，g r o u n d i n gg r i d ，g r o u n d i n g ，g r o u n d i n gg r i dd e s i g n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名：日期：? 口争i z - ，d 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关 部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：姐导师签名：譬a 牝 日 期：z 型丝! z ：! ! 日 期：丝生矗! z 月，口日 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 按地网在变电站安全运行中起着十分重要的作用，它不仅为变电站内各种电气 设备提供一个公共的参考地，在系统故障时还能迅速排泄故障电流并降低变电站的 地电位升，因而接地网接地性能的优劣直接关系到变电站内工作人员的人身安全和 各种电气设备的安全及正常运行。在我国，一方面随着电力工业的发展，接地网在 运行中出现的安全问题越来越多，另一方面接地网设计仍然使用传统的方法，从而 造成接地网设计与实际安全运行的矛盾非常突出，迫切需要提出新的更为有效的接 地网安全性设计方法。 1 1 变电站接地网存在的问题 接地网是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。近年来，随着超高压输电线路的建设以及城市电网改造的大规模进行， 在我国变电站设计和运行中，接地网的安全问题越来越突出。 1 1 1 变电站接地网在运行中存在的问题 影响变电站接地网安全问题的因素是多方面的，既有站内的因素也有站外的因 素。这些安全问题不仅包括传统的接地阻抗、地表电位分布、跨步电压和接触电压 等老问题，更有不断出现的更加复杂的新问题。 首先，超高压大容量是现代变电站发展的一大特点。由于这些变电站的电气设 备多且占地面积大，因而其接地网的占地面积远远大于普通变电站接地网的占地面 积，这时接地网网格导体的纵向阻抗对接地网的作用越来越明显，从而造成故障时 接地网上的电位分布不均匀。在我国，接地网的接地材料普遍选用扁钢，钢与铜相 比其磁导率大、电导率小，导致接地体上的纵向阻抗加大，从而加剧了故障时接地 网上电位分布的不均匀现象，与设计所期望的等电位分布产生了明显的差别，致使 变电站接地网存在较大的安全隐患。这些隐患不仅包括传统的跨步电压和接触电压 的升高，而且包括设备的安全及正常运行。例如，变电站控制楼内的保护和自动化 设备多通过较长的电缆与开关场内的电气设备相连，这些电缆的屏蔽层多在两端接 地，由于雷击或故障时接地网上的电位分布不均匀，不但可能在电缆的屏蔽层中流 过很大的电流把电缆烧毁，而且可能导致保护和自动化设备的各种信号、计量和控 制等线缆感应干扰电压和电流，而这些保护和自动化设备多为含微处理器的微电子 系统，其抗干扰能力较差，较大的干扰电压和电流会导致这些设备发生误动作甚至 损坏这些设备。 其次，随着我国城市的发展，其用电量也在日益增长，需要建设大容量的市内 1 华北电力大学工程硕士学位论文 变电站来满足这些集中的用电需求。由于城市的地价比较昂贵，这些变电站通常容 量较大但占地面积较小，而且周围存在很多建筑物、金属管线和公共活动空间。由 于接地网占地面积较小，其接地阻抗及地电位升有可能很高，这不仅对站内电气设 备不利，而且由于变电站附近的跨步电压较高，有可能危及站外的人身安全。又由 于金属管线可将很远的低电位引入到变电站附近，故障发生时，一方面变电站周围 金属管线附近跨步电压较高，另一方面金属管线与周围土壤的电位差也较大，这不 仅可能击穿埋设于变电站外其它部门的缆线的绝缘，而且可能产生很高的接触电 压，当建筑物内的人员接触如自来水管这些设施时有可能发生危险，并且可能反击 连接在邻近接地网上的其它电子设备。 综上可见，我国变电站接地网不仅存在的安全问题多，而且复杂。因此，在设 计接地网时应当尽可能多地将可能影响接地网安全性能的因素考虑进来，这无论是 对我国电力工业的进一步发展还是对其它行业的正常运行均有重大意义。 1 1 2 变电站接地网在设计中存在的问题 在我国，接地网设计是依靠设计手册上的经验公式( 包括接地阻抗、跨步电压 和接触电压等) 再结合设计者自身的经验完成的“。”。这些经验公式是电力工作者多 年经验的总结，有着较高的实用价值，在变电站接地网设计中被广泛使用。它们在 设计简单的小面积接地网时是很有效的，但是，随着电力工业的发展，影响变电站 接地网安全性能的因素越来越多，传统的经验公式由于考虑的因素比较少，适用的 范围比较小，在设计复杂条件下大型接地网时存在明显的缺陷，这些缺陷有： ( 1 ) 设计手册上的经验公式没有考虑土壤的不均匀性。大型变电站占地面积 非常大，故障时的故障电流会流向土壤的深层，因而深层土壤对接地阻抗值影响很 大。对于绝大部分变电站，其所处位置的土壤结构比较复杂，土壤一般不均匀，而 传统的经验公式把土壤视为均匀土壤，因而造成很大的计算误差。 ( 2 ) 设计手册上的经验公式没有考虑接地网上的不等电位分布。对于低电压 等级的变电站，由于接地网面积小，接地网上各处的电位可以近似认为是相等的。 而大型变电站接地网占地面积大，一般接地网长和宽都上百米，电流经注入点流向 接地网角点所经过的路径很长，因而接地网网格导体的内阻不能忽略，尤其当接地 网材料选用电阻率和磁导率都较大的钢材时，接地网上不同点的电位值相差更大， 即实际接地网为不等电位分布。传统的经验公式把接地网视为等电位分布，用来设 计大型接地网误差较大。 ( 3 ) 设计手册上的经验公式没有考虑电流注入点位置的不同对接地网安全性 能的影响。由于大型接地网为不等电位接地网，电流注入点位置的不同会造成接地 网上部地表面两点间的电位差也不同，从而造成接触电压及跨步电压的不同。传统 的经验公式所得结果与电流注入点位置无关，因而不适于设计大型接地网。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 设计手册上的经验公式只能初步估算变电站内地表电位升的平均值，不 能分析变电站内地表电位升的具体分布，因而无法分析变电站内任意点的接触电压 和跨步电压，无法估计这些点的安全性，不利于全面的接地网安全性设计。 ( 5 ) 当接地网接有其它电气设备并与接地网构成回路时，由于故障时这些电 气设备仍然接在接地网上，它们会与接地网之间产生相互影响，设计手册上的经验 公式无法将这些影响因素考虑在内。 ( 6 )设计手册上的经验公式不能解决日益受到重视的电力系统电磁兼容问 题。设计手册上的经验公式包含的变电站外界的因素较少，更不能反应对外界的影 响，当变电站周围有建筑物接地网或金属管线时，使用传统的经验公式不仅无法设 计出符合要求的接地网，更无法解决接地网与周围建筑物接地网或金属管线之间的 相互影响问题。 总之，在电力工业大发展的时代，我国传统的变电站接地网设计方法已经越来 越不适应复杂条件下大型接地网的安全性设计要求，迫切需要提出新的更加有效的 设计方法。 1 2 接地网的电磁场数值计算方法 国外对接地网的研究起步早、研究深入，在计算方法、计算软件和试验方法等 方面均取得很大进展。与国外相比，我国的研究和应用工作较为落后。 对接地技术的研究可以追溯到上个世纪初，伴随着电力工业的兴起和发展，早 在1 9 15 年f w e n n e r 就提出了土壤电阻率的测量方法【3 l ，这种方法直到现在仍然 被广泛使用。此后，n - - 十世纪六十年代末，不断有关于接地方面的文献发表【4 q 】， 这些文献或者从电磁场理论分析入手，或者从实验室模型测试入手，得到了简单接 地网设计的经验公式和有指导意义的结论，有些成果至今仍可用于简单接地网的设 计。特别需要提到的是，文献【5 】给出了大量简单接地体接地性能计算的理论公式和 近似表达式，其中的一些公式对现在接地网数值计算方法的发展仍具有重要价值， 而且文献 5 还初步分析了接地网的瞬态性能，使其成为接地理论中的经典文献。但 是，上节中已经提到，由于这些经验公式所能考虑的影响按地网接地性能的因素非 常有限，因而使用它们设计接地网存在着很大的缺陷。另外，由于当时计算工具落 后，虽然从理论上已经建立了分析简单接地体的方法，但由于计算量庞大，对于复 杂接地网分析却难以实现。伴随着电子计算机的飞速发展，数值计算方法日趋成熟， 从二十世纪七十年代开始，使用数值计算方法设计安全性能优越的接地网成为趋 势。 接地网是用来向大地排泄故障电流的设备，其接地阻抗、地表电位分布、跨步 电压和接触电压是由土壤中的电流场决定的，因而电磁场的分析方法是分析接地网 的最为有效的方法。但对于复杂的问题，使用传统的电磁场解析方法是非常困难的， 3 华北电力大学工程硕士学位论文 只有当计算机技术发展起来后，采用数值计算方法才能使其得到有效的解决。虽然 电磁场数值计算方法有很多种，如有限元法、边界元法、有限差分法等，但由于接 地网的特殊性，使用这些方法或者前处理困难、或者考虑的问题简单、或者计算量 很大，都不适合用来分析接地网。1 9 6 8 年，r eh a r r i n g t o n 发表了关于矩量法的 经典著作6 1 ，阐述了分析细导体结构电磁场问题的方法。所谓细导体是指其长度以 及其与其它媒质和物体之间的距离远远大于其半径或等效半径的金属体，这时可以 认为在细导体内只有沿轴向方向的电流。由于接地网以及埋设于其周围的金属管线 和建筑物接地网均可以被视为由细导体构成的复杂结构，借鉴该书中的思想，从二 十世纪七十年代开始，不断提出了很多有效的接地网电磁场数值计算方法。除了使 用矩量法外，还有使用电路模型和传输线模型的数值方法。这些方法各有特点，矩 量法考虑问题比较全面，计算结果比较准确，但也最为复杂；电路的方法原理清晰， 使用简单；传输线方法在分析接地网瞬态响应时不仅使用方便，更有计算速度上的 优势，但忽略的因素也最多。目前，虽然仍有很多关于接地网的经验公式发表，但 使用数值计算方法计算接地网的接地性能已经成为不可阻挡的趋势。 在这些研究工作中，以加拿大ed a w a l i b i 及其领导的研究小组做的研究最为 深入，他们不仅提出了分析接地网的新方法【7 1 ，而且通过实验验证了其方法的有效 性，并分析了大量影响接地网接地性能的因素。但是，这个时期的研究工作主要集 中于直流情况下的接地分析方法，还不能分析接地网的瞬态性能。此外，接地网仍 然按等电位分布考虑，不能分析不同接地材料对接地网造成的影响；所用的土壤结 构也仅限于两层土壤以内。因而虽然这些接地分析方法较以前有了很大的进步，但 距大型接地网安全性设计方法的要求还有很大差距。 进入二十世纪八十年代中期，系统地分析接地网接地性能的方法逐步完善起 来，分析的问题也越来越全面。但由于矩量法建立的矩阵为非对称的满阵，而该方 法含有的未知量比较多，且没有给出具体的降低未知数的方法，因而该方法对计算 机的要求比较高，分析大型接地网存在较大困难；另外，该方法中的参数都是在准 静态条件下得到的，在较高频率下不宣使用，因而有待进一步改进。 时至今日，国际上在接地网接地性能分析的计算方法、计算软件和实验方法等 方面均取得了很大进展，不但有完善的接地分析软件包c d e g s 和t r a g s y s 【89 1 ， 而且有变电站接地网安全设计的标准，此外美国电力科学研究院( e p r i e l e c t r i c p o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 发表了关于接地网接地性能分析的完整报告【0 i 。使用这些 研究成果，在变电站设计阶段即可以通过在对土壤电阻率进行大范围测试的基础上 对土壤电阻率建模，并进行接地网的分析与设计。而对于已投入运行的变电站接地 网特别是出现保护和自动化设备运行故障的变电站接地网，可以通过测试和分析， 我出可行而有效的补救措施。这些成果的工程应用取得了显著的经济效益。 我国在变电站接地网接地性能方面的研究工作历史较长，尽管取得了一些研究 4 华北电力大学工程硕士学位论文 成果7 1 ，但与国外研究工作相比不够系统和深入。谢广润教授在接地技术方面的 研究成果为我国的接地网设计奠定了较好的理论基础】。文献 1 2 】在实验室中使用 模拟测试手段分析了接地网的接地性能。文献i t 3 】提出了接地网接地导体的优化布 置方法。利用边界元法部分科研工作者还开发了接地网分析的软件”4 。“。文献 1 6 】 提出了- - l e e 可以考虑接地网电位分布不均匀的接地网电路模型。但是，这些方法均 有很大的局限性。利用边界元法开发的软件由于在不同土壤层的分界面上需要引入 大量电荷变量，导致该方法计算量较大，而且边界元法在分析接地网的不等电位分 布和频域特性时有较大困难；文献 1 6 只分析了直流情况。可见，这些方法均不能 有效地分析大型的复杂接地网。值得指出的是，现有接地网分析方法还难以解决所 有的接地问题。例如c d e g s 软件包并不能直接分析接地网上接有电缆的情况，需 要使用戴维南定理做多次计算，分析过程比较繁琐。 现在，我国电力工业正处在大发展时期，三峡输变电工程和西电东送工程均需 要建设大量5 0 0 k v 变电站，7 5 0 k v 变电站也即将在西北建设。迫切需要建立我国自 己的接地网分析设计方法并开发相应的接地网分析软件包。针对这需要华北电力 大学电信教研室在大量测试的基础上开发了“变电站接地网性能分析软件包” 18 - 2 1 】，这一软件包通过与国外著名软件c d e g s 的对比，以及大量的工程测试验证 了该软件包的有效性。该软件包目前已成功的应用于变电站的设计1 2 2 ”j 。 l - 3 本文的主要工作 本文应用接地网性能分析软件包，研究了接地网接地电阻和地表电位的影响因素， 对比了本文的计算方法与常用的经验公式得出的结果，指出了经验公式的局限性，提出 了在双层土壤情况下的简化计算公式。 本文共分六章，各章的具体内容如下： 第一章分析了我国变电站接地网在运行和设计中存在的一些安全问题，对国内 外接地网分析方法的历史和现状进行了综述，指出了在我国进行变电站接地网频域 电磁场数值计算方法研究的必要性和紧迫性。 第二章主要分析了本文计算的理论基础，包括规程给出的计算公式，接地网分 析软件的理论基础，并且对接地网按地电阻和地表电位的影响因素进行了研究 第三章对比了接地网分析软件的计算结果与常用的经验公式得出的结果，指出 了经验公式的局限性，建议在复杂的土壤情况下应采用数值分析软件指导实际的工 程设计。提出了新的双层水平分层土壤中接地网的接地电阻计算的简化公式，并与 软件计算的结果进行了对比，验证了简化公式的正确性。 第四章对降低高阻地区接地网接地电阻的方法进行了研究，重点是铺设外引 网、加垂直接地极、添加降阻剂三种方法，得出了尽量采用加深垂直接地极，在导 体周围加少量降阻剂的方法来降低接地网接地电阻的结论。 华北电力大学工程硕士学位论文 第五章应用“接地网性能分析软件”和简化公式对几个实际接地网进行了分析计 算。进一步验证了简化公式和接地网性能分析软件的有效性和实用性。 第六章对本文的工作进行了总结，阐述了本文的主要贡献，提出了进一步需要 解决的问题。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章接地网性能的分析方法和影响因素研究 分析接地网的性能工程上一般采用规程上给定的计算公式，但是这些简化的计算 公式只对土壤结构简单、接地网并不复杂的情况才能得出正确的结果。因此在分析复杂 土壤情况下的接地网必须采用合适的接地网分析软件。 在这一章，首先介绍了规程给定的接地网分析计算公式，然后简单的介绍了“接地 网性能分析软件”的计算方法。最后采用接地网性能分析软件对接地网性能的影响因素 进行了分析。 2 1 接地网性能分析方法 2 1 1 工程中常用的计算方法 目前在国内，变电站接地网的设计主要是依据文献 2 中推荐的解析公式。均匀土 壤中复合接地体( 以水平接地体为主，且边缘闭合) 的接地电阻可以用以下解析公式计 算嗍： r 。= 口l r 。( 2 - 1 ) t f i ：( 3 1 n 每删李( 2 - 2 ) 2 岩- 0 2 詈 耻0 2 1 3 去( 1 删+ 轰( 1 n 嘉枷) ( 2 b = 二-( 2 4 ) 1 + 4 6 堡 一s 式中， 凡一任意形状边缘闭合接地网的接地电阻( q ) ： r 。一等值( 即等面积、等水平接地极总长度) 方形接地网的接地电阻( q ) ； 卜接地网的总面积( r n 2 ) ； p 一土壤电阻率m ) ； d 一水平接地极的直径或等效直径( 1 i 1 ) ： 厅一水平接地极的埋设深度( m ) ； o 一接地网的外缘边线总长度( m ) ； 一水平接地极的总长度( m ) 。 当土壤均匀、均压带等间距布置、接地极的埋设深度h = 0 6 o 8 m 时，接地网地表 面的最大接触电位差丘一可按下式计算。1 ： 足，。= k d k k 。k 。 ( 2 5 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 k d = 0 8 4 1 一o 2 2 5 1 9 d k 。= 1 0 ( 方孔接地网) k 。= 1 1 妒i 酉( 长孔接地网) k 。= o 0 7 6 + 0 7 7 6 n k ，= o 2 3 4 + 0 4 1 4 1 9 抠 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) 当土壤均匀、均压带等间距布置时，正方形地网外地表面最大跨步电位差系数墨。 可按下式计算【2 】： k 。= ( 1 5 - a ：) l n 端 铲s 阜户“9竹j u 口= o 1 石 其中，乒o 8 m ，即跨步距离。 对于矩形接地网，门值由下式计算嘲 脚岳，c 去) l ，2 i n 2 0 4 s ( 2 - 1 1 ) d h ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 一1 4 ) 式中，、厶与( 1 ) 式中意义同。 正方形接地网外的地表面最大跨步电位差系数也可利用下式计算1 ： 足。咄= k t ：一( 置。2 一足蛔) c l 二三) 。 ( 2 1 5 ) n 式中， k t 2 = 1 5 i n h 2 + m + h2 + r 一 2 2 1 n 2 0 4 s d h ( 2 - 1 6 ) 州警百1 焉舞 m 口：( 鱼1 4 、3 0 8 ( 2 - 1 8 ) 盘咭 ( 一 2 一万 | j k 华北电力大学工程硕士学位论文 p ：0 7 0 1 竺 ( 2 一1 9 ) 5 0 在大接地短路电流系统中，人体允许的接触电位差k 和跨步电位差圪分别为“”： 矿：174+0058ro ( 2 2 0 ) f 矿：_174+0232ro( 2 2 1 ) ” 以 式中，尼为人脚和地面间的接触电阻( n ) ，t 为接地短路电流持续时间( 曲。可见， 儡对人体允许的接触电位差和跨步电位差有较大的影响。在计算尼时，通常将人脚等效 成一半径为8 a m 的圆盘。在均匀土壤中， r 。2 石p 一畚z 导“3 p ( 2 - 2 2 ) 将( 2 2 ) 式代入( 2 0 ) 式和( 2 1 ) 式便得到设计规程推荐的计算公式 2 ： r ：1 7 4 + 7 0 。1 7 p( 2 2 3 ) f 以：1 7 4 + f 0 一7 p ( 2 2 4 ) f 为了提高人体允许的接触电位差和跨步电位差，最常用的措施是在地表面铺设一层 砾石或沥青混泥土路面，因为砾石或沥青混泥土即使在下雨天仍然能保持p 产5 0 0 0o m 的高电阻率1 。铺设砾石或沥青混泥土路面后，传统的计算人体允许的接触电位差和跨 步电位差的方法是在( 2 3 ) 式和( 2 4 ) 式中令p 7 ，直接进行计算。这种方法计算出来的结果 显然要比实际值偏高。 设计规程推荐的解析式只适用于均匀土壤的情况，然而均匀土壤的情况在现实中比 较少有。对于复杂的土壤结构，若仍套用该式将可能带来较大的误差。例如，在很多情 况下，土壤为水平两层结构。若认为土壤是均匀结构，并根据上层土壤电阻率来计算接 地网的接地电阻，将可能产生较大的误差。因此有必要研究在复杂土壤中如何分析接地 网性能的新方法。 2 1 2 接地网性能分析软件 规程的计算公式对于分析单层土壤结构的简单接地网是可行的，但是对于复杂情况 下的接地网接地性能分析，必须使用专门的接地网性能分析软件，本文使用华北电力大 学电子信息工程教研室开发的“接地网性能分析软件”对接地网性能进行了分析。这里 简单的介绍一下这个软件采用的基础理论。 要对接地网进行分析，首先应对变电站所在位置的土壤结构有详细的了解，也就是 清楚土壤是水平分层，还是垂直分层，每层的厚度及其电阻率。这样才能进一步用所 求出的土壤结构模型进行接地网安全性分析，设计出适应实际情况的接地网。 华北电力大学工程硕士学位论文 土壤建模的过程也就是用最小二乘法对测量点进行拟合的过程 2 4 。首先通过四极 法对需要建模的土壤进行测量，得到土壤表面实际的视电阻率。用最小二乘法建立由测 量值及由未知土壤模型建立的计算值所构成的目标函数，对目标函数进行优化便可求得 土壤的模型。 土壤表面视电阻率的测量有多种方法。其中以等距四极法( w e n n e r 法) 最常用。在 四极法中，用两个电极使土壤中流过电流，再用另两个电极测出其附近某两点问土壤的 电位差，从而算出视电阻率。如图2 - 1 所示： 土壤表面视电阻率为： p 。一j ：2 z r u ( r 一) ( 2 3 4 ) 1 ( r 其中，p m ( r ) 是测量得到的土壤表面视电阻率，是极间距，u ( r ) 、i ( r ) 分别是测得的 电压和电流。 y 】 卜一 - i ?。7 一r +一r - r 图2 1 等距四极法测量土壤电 用四极法进行测量时，电极1 、4 的接地电阻只会影响到通过的电流值l 由于 与成正比，所以它们不会影响视电阻率的测量结果：而电极2 、3 的按地电阻只要比 电压表内阻小得多，就不会影响电压表的读数，也就不会影响视电阻率的测量结果。 土壤中任一点的电位是土壤中向外泄漏电流的源产生的。接地网就是一个向外泄漏 电流的源，变电站附近任意点的电位都是由它产生的，求出接地网上的漏电流分布就可 以求电流注入点的电位，从而可得接地网的接地电阻；同时，地表上任意两点的电位也 可求得，从而可得跨步电压和接触电压。 图2 2 埋于地下的一根导体上的漏电流分布图 图2 3 接地网分段示意图 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 实际的接地网中漏电流的分布是不均匀的( 见图2 - 2 ) ，由于地网为一个很大的金属 构架，为了在保证准确的前提下提高计算速度，通常将接地网分为若干短的导体棒( 见 图2 3 ) ，漏电流在每一根导体棒上视为均匀地向外流的，而不同导体棒向外流出的漏电 流是不一样的。为了比较精确的求解地网中电流产生的场，需要将每一根导体棒上的漏 电流视为由导体棒轴线向外流出的。 对于占地面积比较小或者接地材料为铜材的接地网，在注入电流的频率比较低时， 由于接地导体的电阻率与土壤相比可以忽略不计，因而相互连接的接地网上的电位可以 视为处处相等的。 对于钢网或者接地网面积很大的时候，尤其是注入电流的频率比较高时，接地导体 的内阻不可以忽略，接地网上的电位处处不等，这时接地网计算模型的建立比较复杂。 我们使用导体表面上电位的连续性来建立方程组进行分析。 2 2 土壤参数和接地网导体材料对地电位的影响研究 为了使接地网设计人员对影响接地网安全性能的因素有一个感性认识，我们以 5 0 0 k v 变电站为例，应用变电站接地网性能分析软件分析了土壤和接地材料对接地网安 全性能的影响。由于在我国变电站接地网所用材料都是钢，因而这里比较一下用钢和用 铜的差别。另一方面，变电站土壤的电阻率是随着季节而变的，因而这里也分析一下土 壤参数的变化对接地网安全性能的影响。 为了分析材料和土壤参数对接地网的影响，我们以一个5 0 0 k v 模拟接地网为例，如 图2 4 。接地网为长方形，长3 7 1 m ，均匀布置3 0 根导体，宽2 8 0 m ，均匀布置2 0 根导 体，导体半径为o 0 2 m ，接地网埋深为0 8 m ，注入工频1 0 0 0 a 电流，计算沿图2 - 4 所示 对角线的电位分布。 图2 45 0 0 k v 模拟接地网 2 2 1 均匀土壤时的影响分析 一、接地网为铜网，计算接地电阻和沿图2 - 4 所示对角线上电位最大值与最小值的 差，计算结果随土壤电阻率的变化见表2 - 1 。 二、接地网为钢网，导体电阻率为9 8 6 x1 0 6 f 2 m 、相对磁导率为2 5 0 ，电流从图2 - 4 中点1 注入，计算接地电阻和沿图2 - 4 所示对角线上电位最大值与最小值的差，计算结 坐j ! 皇垄盔兰三堡堡主堂垡丝塞 果随土壤电阻率的变化见表2 2 。 三、接地网为钢网，导体电阻率为9 8 6 1 0 6 q m 、相对磁导率为2 5 0 ，电流从图2 - 4 中点2 注入，计算接地电阻和沿图2 - 4 所示对角线上电位最大值与最小值的差，计算结 果随土壤电阻率的变化见表2 3 。 土壤电阻率接地电阻电位最大值 电位最小值 电位最大值 与最小值的 ( q m )( q l o 。j )( v )c v ) 差( v ) 1 01 3 8 1 3 61 1 91 _ 7 2 53 4 43 4 0 2 9 84 2 4 05 5 0 5 4 84 7 77 1 5 57 5 77 5 4 6 5 59 9 7 09 6 3 9 6 o8 3 41 2 6 8 51 1 6 91 1 6 51 0 1 3 1 5 2 1 0 01 3 7 61 3 7 1 1 1 9 11 8 o 1 5 02 0 6 32 0 5 61 7 8 72 6 9 2 0 02 7 5 1 22 7 4 1 2 3 8 33 5 8 3 0 04 1 2 74 1 1 _ 23 5 7 45 3 8 5 0 06 8 7 86 8 5 4 5 9 5 78 9 7 1 0 0 01 3 7 5 61 3 7 0 71 1 9 1 41 7 9 3 表2 2 土壤电阻率对钢接地网的影响( 电流从点1 注入) 土壤电阻率接地阻抗电位最大值电位最小值 电位最大值 与最小值的 ( q m )( q 1 0 。) 差( v ) 1 02 5 8 2 2 7 4 02 0 51 1 39 2 2 54 5 2 2 1 6 2 。4 0 32 9 2 1 1 1 4 06 5 _ 3 么1 1 4 06 0 54 7 11 3 4 5 58 5 6 2 8 7 08 0 86 4 91 5 9 7 01 0 6 1 么7 1 o 1 0 1 18 2 81 8 3 8 51 2 6 6 2 6 o o1 2 1 51 0 0 72 0 8 l o o1 4 7 1 么5 _ 2 01 4 1 91 1 8 62 3 3 1 5 0 2 1 5 7 么3 6 02 1 0 51 7 7 93 2 6 2 0 02 8 4 4 么2 7 02 7 8 52 3 7 54 1 o 3 0 04 2 1 9 l 1 8 04 1 4 53 5 6 65 7 9 5 0 06 9 7 0 么1 1 06 8 6 65 9 4 99 1 7 1 0 0 01 3 8 4 8 z o 6 01 3 7 1 71 1 9 0 71 8 1 o 这三种情况下土壤电阻率对接地阻抗的影响见图2 5 ，土壤电阻率对对角线上电位 最大值与最小值的差的影响见图2 - 6 。 由图2 - 5 和图2 6 可以得到以下结论： ( 1 ) 低频下，接地阻抗随土壤电阻率线性变化。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 f 2 1 钢制接地网的接地阻抗比铜的大。 ( 3 ) 电流在接地网角点注入时的接地阻抗比电流在接地网中心点注入时的接地阻抗大。 ( 4 ) 土壤电阻率对对角线上电位最大值与最小值的差在例1 和例2 中是随土壤电阻率而 变的，当土壤电阻率小于3 0 0 f 2 m 时，例3 中土壤电阻率对对角线上电位最大值与最小 值的差比例2 中的大，当土壤电阻率在3 0 0 q m 到1 0 0 0 d m 之间时，例3 中土壤电阻率 对对角线上电位最大值与最小值的差与例2 中的的情况非常接近。 ( 5 ) 钢制接地网的对角线上电位最大值与最小值的差比铜制的大。 表2 - 3 土壤电阻率对钢接地网的影响( 电流从点2 注入) 土壤电阻率接地阻抗电位最大值电位最小值 电位最大值 与最小值的 ( q m )( q 1 0 。)( v )( v ) 差( v ) 1 05 1 9 么3 6 7 03 5 88 92 6 9 2 57 1 9 2 2 9 9 。5 3 42 6 52 6 9 4 09 0 9 么2 4 4 07 0 44 4 52 5 9 5 51 10 2 么2 0 4 0 8 8 26 2 42 5 7 7 01 2 9 8 2 1 7 4 。1 0 7 58 0 42 7 1 8 51 4 9 6 么1 5 _ 2 。1 2 7 o9 8 42 8 7 1 0 01 6 9 6 么13 5 01 4 6 51 1 6 33 0 2 1 5 02 3 7 1 么9 8 。2 1 3 61 7 6 23 7 4 2 0 03 0 5 1 么7 6 02 8 1 o2 3 6 14 4 9 3 0 04 4 1 8 2 5 3 04 1 3 63 5 5 85 7 8 5 0 07 1 6 2 么3 3 。 6 8 7 95 9 5 39 2 6 1 0 0 0 1 4 0 3 5 么1 7 01 3 7 3 41 1 9 4 11 7 9 3 土壤电阻率( 0m ) 土壤电阻率( o m ) 图2 5 土壤电阻率对接地阻抗的影响图2 - 6 土壤电阻率对电位差的影响 四、接地网为钢网，导体电阻率为9 8 6 1 0 6 f 2 m ，电流从图2 4 中点1 注入，土壤 电阻率为1 0 0 q m ，计算接地阻抗及沿图2 - 4 所示对角线上电位最大值与最小值的差随导 体磁导率的变化情况，见图2 7 和图2 - 8 。可以看到，导体磁导率对接地阻抗及地表上 电位最大值与最小值的差有很大影响，将图2 7 和图2 8 与图2 5 和图2 8 比较，可以 看到这个影响没有土壤的影响大。 五、接地网为钢网，导体相对磁导率为2 5 0 ，电流从图2 - 4 中点l 注入，土壤电阻 13 华北电力大学工程硕士学位论文 率为1 0 0 q m ，计算接地阻抗及沿图2 - 4 所示对角线上电位最大值与最小值的差随导体电 阻率的变化情况，见图2 = 9 和图2 1 0 。可以看到，导体电阻率对接地阻抗及地表上电位 最大值与最小值的差也有很大影响，但这个影响还是没有土壤的影响大。 导体相对磁导率 7 导体磁导率对接地阻抗的影响 导体电阻率( 1 0 8 o m ) 图2 - 9 导体电阻率对接地阻抗的影响 2 2 2 两层土壤的影响分析 导体相对磁导率 图2 - 8 导体磁导率对电位差的影响 导体电阻率( x 1 0 - 8 q m ) 图2 一l o 导体电阻率对电位差的影响 绝大多数土壤都可以用两层土壤来模拟，这个两层土壤模型可以通过对由测量得到 的土壤表面电阻率进行优化得到。实际的接地网就是在这个土壤模型的基础上设计出来 的，因而土壤模型的准确性直接影响设计的优劣。由于季节的原因，例如下雨或者霜冻， 土壤的表层的电阻率会发生变化，下面就研究一下土壤表面电阻率对接地网性能的影 响。 仍以图2 - 4 所示接地网为例，接地网为钢网，导体电阻率为9 8 6 x1 0 “q m 、相对磁 导率为2 5 0 ，电流从图2 - 4 中点1 注入，土壤分两层，上层土壤厚度为1 5 m ，电阻率在 2 0 f 2 m 到3 0 0 f 2 m 之问变化，下层土壤电阻率为2 0 0 f 2 m 。在此情况下，计算接地阻抗及沿 图2 4 所示对角线上电位最大值与最小值的差的变化，计算结果见图2 一l l 和图2 一1 2 。 另外，图2 一1 3 显示了沿对角线上跨步电压的变化，图2 - 1 4 显示了沿对角线上接触电压 的变化，曲线l 、2 、3 、4 分别对应土壤表层电阻率为2 0 f a n 、1 0 0 、2 0 0 q m 和3 0 0 q m 1 4 c 9 制埘删 华北电力大学工程硕士学位论文 时的 c 擦 四 智 辎 情况。 土壤表层电阻率( 0 m )土壤表层电阻率( qm ) 图2 - i i 表层土壤电阻率对接地阻抗的影响图2 1 2 表层土壤电阻率对地表电位的影响 从这些图中可以看到，当土壤表层电阻率从2 0 0 z m 变化到3 0 0 q m 时，接地阻抗增加 2 0 ，对角线上电位最大值与最小值的差增加1 1 0 ，沿对角线上接触电压增加1 1 4 ，沿 对角线上跨步电压增加1 5 2 。因而土壤表层电阻率趵增加将使变电站中两点之间的电位 差急剧增加，而接地网安全性能大幅度下降。 出n 脚 龄 磐 01 0 0卸3 0 0如如 裙对角线到接地网角点的距离( m ) 裕对角线到接地网角点的距离( 。) 图2 1 3 表层土壤电阻率对接触电压的影响图2 一1 4 表层土壤电阻率对跨步电压的影响 2 3 小结 本章主要分析了规程中给定的和变电站内接地网性能的分析方法和软件的计算方 法。并且对接地电阻和地表电位的影响因素进行了分析，给出了土壤电阻率、地网材料 对接地电阻、接触电压的影响图形。得出了大量的有意义的结论： 1 、低频下，接地阻抗随土壤电阻率线性变化。 2 、钢制接地网的接地阻抗比铜的大。 3 、电流在接地网角点注入时的接地阻抗比电流在接地网中心点注入时的接地阻抗 大。 4 、钢制接地网的对角线上电位最大值与最小值的差比铜制的大。 ()喇斟申 曰 o n 导 吊 品 。一 o a)吲申翟辎 华北电力大学工程硕士学位论文 5 、土壤表层电阻率的增加将使变电站中两点之间的电位差急剧增加，而接地网安全 性能大幅度下降。 如果采用钢材铺设接地网，地表将会出现很大的电位差。大量计算表明，土壤电阻 率是影响接地阻抗和地表两点间的电位差的最主要因素，土壤介电常数和磁导率对接地 网性能也有很大影响。上层土壤电阻率升高，地表最大电位差、接触电压、跨步电压也 将明显升高。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章应用简化公式分析接地网性能 对于复杂土壤中的接地网性能分析采用软件是非常必要的，在这一章首先对比了数 值计算软件与经典解析公式计算的结果，然后给出了双层土壤中接地网性能分析的简化 公式，并且与分析软件的结果进行了对比验证。 3 1 均匀土壤中计算软件与解析公式计算的比较 在第二章式( 2 1 ) 。( 2 4 ) ，给出了以水平接地极为主，边缘闭合的复合接地极( 接地网) 的接地电阻的计算公式。利用华北电力大学电信教研室开发的“接地网性能分析软件” ( 以下简称分析软件) 和以上解析公式，我们对位于不同电阻率的均匀土壤中的不同面 积的接地网的接地电阻、跨步电压和接触电势进行了计算并把两种方法的计算结果进行 了对比。 我们假设接地导体的半径为0 0 2 m ，材料为铜，接地网的网格大小为1 0 x1 0 m 2 。其 中，分析软件计算的接地电阻值是一复数，虚部很小。为了便于与解析公式对比，我们 在结果对比中只取了其计算结果的模。 表3 - 1 计算结果对比( 接地网面积为