（电力系统及其自动化专业论文）大型接地网地面电位分布计算及改进.pdf

。 。 ： 、 、 。i i ii ii ii iii ii i i ii ii i i ； l l ；，：j y 18 8 4 7 3 0 x 一 ： 一 。 西华大学学位论文独创性声明。j 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 1 。 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 一 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献9 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 +， ? ， j 一。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 二 - ， 、 ， i 。? 1 t 学位论文作者签名：闰文采指导教师签名： 蚕，私 一j 日期： o l 箩2 f 日期j j iz 、 i- 。 _ ! 西华大学学位论文版权使用授权书 ， 。本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 - 、 ，- 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 ， 。-华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解， t 密后遵守此规定) j ， 9 t 一 ” 。 八 ：， 学位论文作者签名：) 习支织指导教师签名：墩量牵三 - 一日期： 2 07 fz 7 ， 日期j ，2 ， ! 潜i 盖：蹲蛤麟文套国警警丈洋豳 j ；承蒋燕刁+ 寻甾；话辩j 零。整。入、茚- 4 - 多声金童 霉j 稍挈道：融文蓬墩蔷j ； 。谌书敷啼蒎蘸赡零内鼠 i 静虽焱二j 中文翎。呔弘磐毒。果j 炎lp 蠹夤溶卞jf f i 工 帮幽曼野、其舌掺下粤，暴露囊谐? 碴舞炱銎0 求巢焱， ，7 卜辩其舍p 布孓带孝 舟：委姻渗鼍疑姆 辩垫 奉钗茜。同姻书：【f 露0 霁岛瞄主至艮竞多罗黔其焱叠警 ，警浓i 母毒长弹搿国舒郑i 赌峙。文：等窘 饥 。竞赛辩冬哭藩翳蠢、 ：言签鼬溽掌i ； 。 、i 一? 冀舀 罄。基鸶 ，啪 ：毒璺j 篙 薛琳辩承努避遵又蓊皤：学警大学 多譬l 拄参i 蟊掌泳曳，窜对兴 三哭下育二藩 葑拳 ：臻日 青岛半皲t 书酱书文蛳蘑拳本 。5 静 幕竭淘繁精 舜警善甬，专：大洋蠢f 斟舜誓滑碍妾鼢苛工文求嚼承妨：誓雪i 丸t “ 裔，甄蓉；酶渗f 篓蘸火蚤拳爪。蜡号喜畸势中羹辩文食变多：斟琳照1 踺美育 叁姐! i 容j i 务窜嚣建共爵、洚窖矗心翟，茛摹釜啦义蚤奉诗心f 警丈攀 释虫灾焱雌茁蒂。爻童正萼毒辩j 誓手。妒岁j 车烫喾豪翳i 囊：j 淤，乖礴艮 童 ：拳誊秘媾誊遨 ，磐甚 砾，煎亨錾i 寄姿 ：叁攀旨书z 翁辩擎一u ；1 i ：骥j f ， 西华大学硕士学位论文 摘要 进入2 1 世纪以来，国家电网建设了越来越多的超高压、特高压电网，随即使得电 力系统的电压等级越来越高，这就使得系统发生故障时的短路电流越来越大，就对电力 系统的接地网设计与测量提出了更高的要求。过去判断接地网安全与否主要是用测量接 地电阻的方法来评价，而实际中危害的却是故障时接地网上产生的电位分布大小、跨步 电压大小以及接触电压的大小。本文在结合前几届同学研究的接地网不等间距分布测 量、地面电位分布和电位梯度分布的仿真计算伊 的基础上，对仿真程序进行改进，得到 更新、更准的测量效果。 本文采用经改进的接地参数计算软件对任意结构的接地网进行模拟仿真计算，并通 过o r i g i n 软件对所得的计算结果进行分析，绘制出接地网的地面电位分布图，更直观、 清晰的反映接地网的地面分布情况，有利于分析不同故障时接地网的状况。 本文对对称分布的地网进行计算，证明程序的正确性；对结构不规则地网进行计算， 证明程序对各类不规则地网的计算也是适用的；对规则地网带有长导体情况下计算，证 明改进后程序的合理性；对程序的数学模型中的一种积分方式进行改进，验证了改进工 作的合理性，并且提高了程序的运算准确性。 最后，通过接地参数计算软件对大型变电站地网进行计算，并用o r i g i n 软件进行 分析，画出地面电位分布三维图和灰度图，通过两组数据和图形对比，显示出程序改进 后的合理性。通过与实际测量的数据对比证明了程序的正确性和合理性。最终得出该计 算与分析方法能更为直观有效的分析接地网布置的合理性和安全性，对评价接地网的安 全性有理论性指导的作用。 关键词：接地电阻；电位分布；等高线图 、 止，i 。 ，、- l 年r 一 时 。；：。：、， ， 一， ： 、 4 | 工卜 ，- t 、 、， j ：h ， ， j ， 大型接地网地面电位分布计算及改进 a b s t r a c t i n t ot h e2 1 吐c e n t u r y ，m o r ea n dm o r ee x t r a - h i g hv o l t a g ea n dh i g h - v o l t a g ep o w e r 鲥d h a v eb e e nb u i l d i n gb yt h en a t i o n a lg r i d t h e nt h ep o w e rs y s t e mv o l t a g el e v e lg o th i g h e ra n d l l i 曲w h i c hm a k e st h es y s t e mo ft h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti n c r e a s i n g s oi tm a k e sah i g h e r r e q u i r e m e n tf o rt h ed e s i g n e rt od e s i g na n d m e a s u r e m e n to ft h ep o w e rs y s t e m i nt h ep a s lw e d e t e r m i n ew h e t h e rt h eg r o u n d 鲥ds a f e t yo rn o tb ym e a s u r i n gt h eg r o u n dr e s i s t a n c e ，w h i c h m e t h o di sm a i n l yu s e dt oe v a l u a t e b u ti nf a c t , t h er i s k sw h e nt h eg r o u n dg r i di sf l o w i n ga h i g hc u r r e n tw e r et h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n ，t h es t e pv o l t a g ea n dt h ec o n t a c tv o l t a g e i nt h i s p a p e r , s t u d e n t s 谢t hp r e v i o u ss t u d y ，w h i c hh a ss t u d i e dt h es i m u l a t i o n st h a th o wt om e a s u r e d t h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h ep o t e n t i a lg r a d i e n ti na l li r r e g u l a rg r o u n dg r i d s p a c i n g d i s t r i b u t i o nr a n g e , ii m p r o v e dt h ep r o g r a m a n dt h es i m u l a t i o nc o u l dg e tm o r ea c c u r a t e m e a s u r e m e n tr e s u l t s i nt h i sp a p e la ni m p r o v e dp r o g r a mc o u l dc a l c u l a t e da n ys t r u c t u r eo ft h eg r o u n d i n g 鲥d t h r o u g ht h es o f t w a r eo fo r i g i nt oa n a l y z et h er e s u l t so b t a i n e d ，i tc o u l dd r a wt h es u r f a c e p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no ft h eg r o u n d i n gg r i d ，w h i c hc a nb em o r ei n t u i t i v ea n dc l e a rr e f l e c tt h e w h o l es u r f a c ep o t e n t i a ld i s l r i b u t i o n i fw e g o ti lw ec a na n a l y z eo fd i f f e r e n tg r o u n d i n ge a s i l y t h es y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o no ft h en e t w o r ki sc a l c u l a t e dt op r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h e p r o g r a m t h ec a l c u l a t i o no ft h ei r r e g u l a rs t r u c t u r en e t w o r ks h o wt h a ta l lk i n d so fi r r e g u l a r n e t w o r ki sa p p l i c a b l et oc a l c u l a t e t h ec a l c u l a t i o no ft h en e t w o r kw i t l ll o n gc o n d u c t o rp r o v e d t h er a t i o n a l i t yo ft h ei m p r o v e dp r o g r a m u s i n gam a t h e m a t i c a lm o d e lt of i n de r r o ri nt h e p r o g r a ma n di m p r o v ei t , w ec a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h ep r o g r a m so p e r a t i o n f i n a l l y ，iu s et h i sp r o g r a mt oc a l c u l a t eal a r g e - s c a l es u b s t a t i o ng r o u n d i n g , a n da n a l y z e u s i n go r i g i ns o f t w a r e ，d r a wt h es u r f a c ep o t e n t i o nd i s t r i b u t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a lm a pa n d g r a ys c a l ei m a g e b yc o m p a r i n gt h e s et w os e t so fd a t aa n dg r a p h i c s ，i tc o u l ds h o wt h e r a t i o n a l i t yo ft h ei m p r o v e dp r o g r a m b yc o m p a r i s o n 诵mt h em e a s u r e dd a t ap r o v e st h e c o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo ft h ep r o g r a m f i n a l l y ，i tw o r ko u tt h ec a l c u l a t i 伽a n da n a l y s i s m e t h e di sm o r ed i r e c ta n de f f e c t i v ea n a l y s i sw h e t h e ro rn o tt h er a t i o n a lo fg r o u n d i n g 鲥d l a y o u ta n ds e c u r i t y t h i sm e t h e dc o u l dg i v es o m ed i r e c t i o nt ov a l u a t et h eg r o u n d i n g 鲥d s s a f e t y k e yw o r d s ：g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n ；c o n t o u rm a p i i o ，r 。- ；j 7 j ， ，二；i j 一 r ，一 j ，j ：0 f jr ，i ，i ： l ：l 、，f ，。jt j f l j l 巳i j 1：， ，j i ： ， - j j j ：，j。：。f ，j jc j ， _ j ! ， 二1 、ij j ： ) ， ：，1 ：i ，。 j r j 。f：， ；移但由于需要考虑的因素有太多太 ，多，都不能很好的来分析接地网。到了1 9 6 8 年，r rh a r r i n g t o n 发表了关于矩量法的 经典著作，阐述了如何分析细导体结构电磁场问题的方法。二同时出现的还有用电路模型 和传输线模型的数值计算方法。与这些方法相比，矩量法考虑的更为全面，电路模型法 使用更为简单，而传输线模型法对接地网瞬态响应的分析更有优势。_ ：；二- ti 而从1 9 7 2 年开始：。接地网的分析都主要是对接地参数的数值计算，各国研究人员 都对此作了大量的研究口9 4 3 1 而这又以基于恒定电流场的理论研究最多。方法是当有直 流或者交流电流流入接地网时，接地网的任意点的电位满足拉普拉斯方程，通过对接地 网导体进行划分，形成多个小的微段，并对这些晓得微段分析处理，使得计算各点电位 l 的复杂积分变为求和的形式j 然后再通过计算各个微段的自电阻和互电阻来求得接地网 的泄流电流分布，从而得到所求的任意点的电位值1 7 1 1 9 1 。：二，。t j 。o ， 通过大量文献的总结，对于基于恒流场理论的研究主要有下下几个方面：i tx ! ! ； 1 、接地网在多层土壤或双层土壤时电位分布的研究计算l l l l f l 2 1 【1 6 1 1 3 5 】1 4 6 1 1 4 7 1 。： 文献 1 1 中，通过对_ 个变电站周围的土壤情况分析，将变电站地网用。个双层土 壤模型来代替；确定了双层土壤结构时的最优压缩比来设计电阿。实验证明，接地网导 体间距在按指数规律递减布置时可以明显的改善导体泄露电流的分布，使得接地网各个 网孔呈现的电位分布基本一致，使土壤地面的电位分布更均匀。、，c ：；i 。 文献 1 2 中，在考虑了双层土壤第2 层中埋设有垂直棒状电极、水平直线状电极， 水平环状电极时，地网在地地面的电位分布情况。并分析了把上层土壤看作高电阻率履 盖层时，接地电极在地地面形成的跨步电势的变化规律。- ：i ：t ：一 t j 。2 、利用e m t p 软件进行计算【1 3 l i 档- 5 0 1 。，_ - ：o ? ? 。j：“：办 。一 文献 1 3 在对地网的局部电位差进行研究时，在考虑了不同土壤电阻率，导体尺寸： 注入电流点等因素下，建立了。r 个计算模型，通e m t p 程序计算得到最大局部电位差。一 3 i 计算非均匀地网时，选择不等间距布置1 1 4 l 【1 8 j 【3 l i l 5 1 l ： ，i 。一：一j ：，； 一文献 1 4 利用不等间距法设计了一个l o o m x l o o m 的接地网。该地网埋深0 8 m ，接 地体直径0 0 2 m ，接地网电位取i o o v ，接地网按1 7 m x l 7 m 均匀网格布置和1 7 m 1 7 m 不 。， 。 、 二3 ! i 一5 、利用复镜像法模拟或计算机辅助分析建立模型计算1 1 0 1 1 1 5 1 1 1 6 1 1 5 4 l：；。! 一 ，： ，：文献 1 0 中，利用复镜像法设计出_ 种模拟计算变电站接地网的方法，可用于多层 土壤模型中任意结构地网的模拟计算。文中通过数学模型的计算，在用经典镜像法计算 时，需要设置无穷多个镜像来模拟边界和地网土壤分层的特性，而用复镜像法求解时，! 。 只需要几个镜像即可。并用实际的模型计算得出复镜像法与经典镜像法相比；计算的精 度和效率都高出很多。二+ j 一、： 。：， ，一 ：，：。，、 ，一j _ 。崎。；j j0 ：。：i ， = 文献 1 5 申，一作者开发了个基于复镜象法的接地网模拟软件g s s i m ( 1 g r o u n d i n g 。 s y s t e ms i m u l a t i o n ) 。该软件由6 0 0 0 多条f o r t r a n 语句组成，可以计算4 层大地模型、 中任意结构的接地网，可以计算接地电阻、接触电压分布和跨步电压分布，并给出最，o 大接触电压和跨步电压。 1 。、，：。“；，j 。，、0 ，j j ：。! j x ：_ - h ，? 一， ； ! 三文献 1 6 利用计算机辅助分析来设计变电站接地网。它利用现场测量的接地电阻率一 来得到一个多层土壤结构模型，通过计算设计出了个既经济有合理的接地网t 。并给出 了接地网的电位分布情况。，一； ：一j ：、，? 。 _ 一 ”i - ： ：c 目前国内的研究主要集中在以下几个方面1 4 i j ：卟j _ ! ：- i ；，一 j ? 一、研究不等间距布置接地网对地面电位分布的影响。不等间距布置接地网的研究 已经比较成熟，：但是不等间距布置的接地网面积一般都比较小，大型的地网对不等间距 布置使用的较少。、。”1 ：! _ 、吨9_ f ：z 1 一：y 一 ，：t f l + 一? 二、研究不规则地网对地面电位分布的影响。这主要是通过建立新的接地网计算模 型研究各个参数改变时接地网的接地电阻和地面电位分布的变化。j 一 。一_ ；三、研究接地网电位分布计算的方法。这其中以基于单层土壤为模型来研究多层土 壤情况时的计算方法。 刖。j 二! i 一! ：。，吒_ i- + ：一! 。! 。；rj h 但是在研究计算接地电阻和金属网格中心点电位的计算结果都不够直观全面，计算 也多采用均匀网格：实际变电站的接地网都是很复杂的，由于地形及周边建筑影响，存 - 在很多带有不规则导体的地网。本文主要是针对均匀金属网格、：不规则网格以及实际变 电站接地网来模拟计算的。计算结果用电位地面电位分布彩色等高线图、地面电位分布 三维图，地面电位分布灰度图等来表示p 可以更加直观清晰地得到接地网的电位分布情 况，t 并在原有程序的基础上继续改进，得到更合理准确的结果。i f ，：一、 西华大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 专j 蠢、j ? 一：6 - 叠蟛：。 二 针对接地网地面电位分布计算的研究现状，在全面比较分析现有计算方法的基础 上，通过大量理论计算和计算机模拟计算，进行了较为深入的研究和分析。经过多次的 现场实验验证及和其他文献的对比，证明编写程序的正确性。；it ，、j ，“；：。 ：。 本文所做的工作如下： n j t!， 、：，：；，： 。一k 第一章绪论：介绍了课题的研究背景，概述了研究接地网地面电位分布的重 要性，通过对国内外的研究现状做了一些介绍，提出了本文即将研究的内容和意义二j o2 、第二章一。接地技术基础理论：介绍了接地电阻的定义，并对其在接地系统中的 重要意义进行介绍，它是判别接地系统安全性的重要指标。，介绍了跨步电压和接触电压 的相关知识及计算方法。o - 。叫i ：一、一i i i j；i ， _ t 。一 0 t 一3 第三章，接地网对地面电位分布影响的计算方法：v 讲述了接地网接地参数计算 的原理和方法。j ； ， i ：一一， 、挣， 一：卜。、。，二lj - - 。o 。4 、第四章，接地网对地面电位分布影响的计算分析：通过已设计的程序对规则均 匀地网进行分析计算，用o r i g i n 软件对计算出的地网地面分布数值矩阵进行处理，绘制 出地网地面电位分布三维图和地面电位分布灰度图，分析了规则地网情况下地网地面电 位分布情况和不规则地网情况下地网地面电位分布情况；通过数据对比可以看出，软件 在计算地网地面电位分布时，。三维空间定位非常准确，程序误差很小。坤， 一一：k r ；5 k 笫五章：对计算电位分布软件的改进：通过数学公式的计算，找出了原程序在 计算上受到影响较大的因素，针对这些可能影响计算结果的原因进行编程改进一。改进的 主要内容是针对带有长导体段接地网的计算。对o r i g i n 软件的使用提出了一些使用方 法，使得在使用该软件绘图时，即可以得到好的图形，同时节约绘图的时间一，_ i 4 ，、6 、第六章实际变电站接地网对地面电位分布影响的计算分析t 对实际的变电站 进行地面电位分布计算，分析对比了程序改进前后的地面电位分布情况，通过与实测数 据的对比，验证程序在改进之后可以更加正确的、合理的、有效地计算地网地面电位分 布。 ? 一， ；，卜； 当，、州；一t ：一，卜_ ：j ，j ih 7 ，j 一：一i ：一： t ：；：0 t 。7 一：。 j ：，j ， ，、：j j 0 ，j - ：“：鬈? ： ：，：j ：； j - - 。：。i i 。? 1f ，：0。：一1 ：。p 。h 卜。：l 。、：j t 一：o o 二， _ 一：。p 、 一：；la - ? 一一， ；t f ：oi ： 。t 一卅“! j ：一? “r 一：! i ”or ： 。? ：i i j ：- 大型接地网地面电位分布计算与改进 2 接地技术基础理论 ，吖j 乏：i 吐：4 - 一? j ：文：7 ； 。 、。t ：+ ； oi ! x 。_ l 。j + j ： ，“k ，； p 。：。：t ：! ，。! 。，；p 2 1 接地电阻。毫，ji ：；。：j 一j ：簟。“：z m 。：，r ，：小，_ ：。、： 接地电叫5 5 - 5 8 1 为接地导体的电位与通过接地体流入地中电流的比值。它与土壤特性 及接地体的几何尺寸有关i l ，6 0 1 。 l ：j ， - 一- k ：电流通过接地网向大地中散流时所遇到的土壤电阻成为散流电阻。一般意义上的接 地电阻包括接地引下线的电阻、接地引下线与接地装置的接触电阻、接地导体本身的电 阻、接地导体与土壤之间的接触电阻、土壤中的散流电阻。在这几种电阻之中，土壤的 散流电阻相比其他几种要大很多，故可近似认为接地电阻在数值上等于土壤的散流电“ 阻。一般用恒定电流场分析计算得到的接地电阻就是接地装置周围土壤的散流电阻i 但 在实测中的数值都会稍大一些，这主要是因为接地装置与土壤接触的问题，尤其是在比 较复杂的土壤中测量时更明显。而且接触电阻并不是一个定值，它与接地装置与周围塑 壤的接触程度、止壤电阻率、土壤湿度等因素有关，但在经验公式中是看不到接触电阻 的表达的二、。： 1 “ii 。j ! ”二j -， i ：。一 “j ， f _ j ：。：= ，。 一，；接地电阻的大小可直接反映当等量大电流通过接地导体向土壤散流时，接地导体上 电位的大小；当接地电阻较大时；通过等量大电流时，接地导体上的电位就较大；当接 地电阻较小时，通过等量大电流时，接地导体上的电位就较小。接地电阻主要是为了反 映接地导体上电位的高低。在地网发生故障或雷击时， 大电流流过地网，若接地电阻过 大就会使接地体上的电位过高，造成绝缘系统破坏，设备的损坏i 也有可能对工作人员 的安全带来危险。所以，一般情况下设计和检测地网时都以接地电阻的大小来判断接地 网和接地装置是否安全。沁l j 、一誓ij 一。 rj ：一。：i li ：i 、：一。、：卜 ，； - ：但接地电阻对接地体上电位的反映不能在地网的地面反映出来。当接地网布置不同 而接地电阻相等时，接地网的地面电位是不同盼。这时：如若地网的地面电位分布均匀，： 则不容易形成对人体有危害的跨步电压和接触电压；而若是地网的地面电位分布不均c 匀，就容易形成较大的跨步电压和接触电压，这对工作人员是一种很大的威胁。所以； 在接地电阻满足要求的情况下，尽可能的使地网的地面电位分布均匀也是很重要的。 由于地网的地面电位分布不易测量，工程现场还主要是以测量接地电阻来判断接地 网的好坏。因此，设计一种可以模拟实际电网结构，通过程序来计算接地网的地面电位 分布更可行。同时也可以指导接地网设计时接地体的布置，很好的节省埋设的钢材和人 力资源。 6 西华大学硕士学位论文 2 2 接触电势与跨步电势 2 2 1 接触电势与跨步电势定义 接触电势【2 8 l 是指短路故障电流或雷击大电流通过接地装置向大地散流并在大地地 面形成电位分布时，地面上距设备水平距离o 8 m 处与设备外壳、构架或墙壁离地面的 垂直距离1 8 m 处两点之间的电位差。接触电压指的是当发生接地短路故障时，短路设 备上的电位与接触设备的人所处位置最低地面电位的差值。 跨步电势是指故障电流或雷击大电流通过接地装置向大地散流并在大地地面形成 电位分布时，地面上水平距离为o 8 m 的两点之间的电位差。跨步电压就是指人在系统 发生故障时处于电位梯度比较大的地面时两脚之间所承受的电压差值。 接触电压与跨步电压的示意图如图2 1 所示。 。： ：j ，： 啪 ，扣， 一 j 。j 。 j ， 图2 1 跨步电压、一接触电压示意爵 1 ， ：0 f i g 2 i t h es t e pv o l t a g ea n dt h ec o i l t a c tv o l t a g ed i a g r a m j “ ： 。r ? ，- 、 0 2 2 2 接触电势与跨步电势的计算 接触电压指的是当发生接地短路故障时，短路设备上的电位与接触设备的人所处 位置最低地面电位的差值。“一 。 1， 山“卜+“二： 跨步电压就是指人在系统发生故障时处于电位梯度比较大的地面时两脚之间所承 受的电压差值。 ， 7 大型接地网地面电位分布计算与改进 由图2 2 ，得至4 ： t ，一i i j 一；，c ：。：s 、 一! 蔓五三奠j 7 一 二一羔 、+ i 弓 g ；l 粤一_ 咄工、- - _ 图2 2 测量跨步电压和接触电压接线图， ? ，f ：o0 j f i g 2 2 t h e s t e pv o l t a g ea n dt h ec o n t a c tv o l t a g em e a s u r e m e n t sw i r i n g d i a g r a m 一 ，：i _ 。 ，：。、0 、。：_ p ? ：。：，! ，jj 、：j 一，。 ：，ft ；：莲 8 西华大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了接地电阻的定义，并对其在接地系统中的重要意义进行介绍，它是判别 接地系统安全性的重要指标，但不是唯一指标。通过图示，介绍了跨步电压和接触电压 的相关知识及计算公式。；：。 o 、“，i 护。：? - t 。i h 、，- ：。：川一，。 _ t ? 、：。i ：1 ：，j 。 t i ：l + i ：| ： ? 卜、；：一| ? ： 、， t 1。 。， “ 一、_ 4 。! i ，一、 ， f ” j ， ，j 乙。， ，+ 一， l 、一 ， p ， r 卜一 。 0 1 ： 一” t 一 o 0 t _ 一 t i ! ， j 、 、砖一 、 ， 。 ， ，r 一 譬，。 ， 、。一 _ 盛 ，二” ， 0 ， o 。 一 ， 、l 、 、 。 ， h 。 ， - - _ ，i ， ， 一 h _ ， ， ， ， “j ， ， j ， h ，。 j ； ”“一 。， - - _ 彳 ；h 0 o _ _ ， ： v _ ； h ； 大型接地网地面电位分布计算与改进 3 接地网接地参数计算的原理和方法 l1 0 - 一： j ，“+ ，、；，0 。? ，j ，pr - ，h i t ：“，i 。、j ： 3 ! 恒定电流场理论。、，。：j 一 一囊i ：。；一，- ，lt ? ，j 、墨ji j 假设有一恒定电流，通过接地导体向大地散流，接地导体周围土壤电阻率为p ，：以 无穷远处为电位参考点，由恒定电流场理论，运用格林函数原理，得到电极泄露电流在 空间任意一点p 的电位值为： = g ( 只q v ( q ) 嬲 s ( 3 1 ) 式中，( q ) 是接地体电极地面s 上的点q 处的泄露电流密度，g ( p ，q ) 是相应于电 极几何形状的格林函数，这里，它代表当单位电流流过电极地面q 点在尸点产生的电位。 经地网导体流入土壤的总泄露电流，等于接地电极的注入电流几 ，= 护( q 瑚 占 设电极地面等电位( 略去金属导体压降) ，则边界条件为： 。 vi r = c， 式中c 为常数。 。 3 2 对地网地面电位的计算 ( 3 2 ) 对地网地面电位的计算，运用的是地面电荷法。先将线状的接地电极分成n 段，由 于地中电流密度不同，要对每一段分别研究其对p 点所产生的电位。 由于大地可看做一个线性的媒质，空间地面电位代表的是电荷在某点产生的电场能 量大小，是一个标量。这样，地中、电极地面及地面等空间的任意一点的电位，就可看 成是复杂接地电极的各微段在该点产生电位之叠加。因此可以把复杂电极分成很多线状 微段来进行计算。 设接地电极的长度为三，通过电极泄流的总电流为，将电极划分为刀个微段， 第歹微段的长度为三j ，其中心为g ，第_ ，段泄流电流为，则有： 。 、 疗 。l = l j ( 3 4 ) j = l 7 1 0 西华大学硕士学位论文 一 。 i = 1 j - 。： ( 3 5 ) 产l ， 则由叠加定理得到通过电极三泄漏的电流，在尸点产生的电位：1 。：“，一 咯= g ( 尸，o j ) i s ( 3 6 ) 弘，? t 一，j j 一二4p 户1 t 二ii ，j 一- 、一 ，、式中g ( p , o ，) 为以d ，为等效中心的单位点电流源在p 点产生的电位一。矗；、 为了得到各微段上的电流分布，设p 点在电极微段f 上，其它各微段的泄露电流就 都会在微段j 处产生电位，可用互电阻概念表示。当f = 歹时，为自电阻? 则式( 3 。6 ) 可表示为： ，一 j 。f 州：n ； t2 、一t i 。 。一 月 、，? 、i ：， ， 、。； 形= 民t ( - - 1 ，2 ，谚。， ，= l i f 一 ，+ ： i 由边界条件( 3 ) ，设电极电位为吃，则式( 3 7 ) 为：。?7 ： ， 。 ，一 ；，j ，一； 。 、 _ = o ，：o = 1 ，2 ，功 、，- ： ? 由式( 5 ) 和式( 3 8 ) 构成了n + l 阶方程缉，。，i 。 写成矩阵形式为； 写。+ r 2 之+ 墨3 j 3 + r 。+ 一十r 2 2 幺一圪= 0 是。+ r 苁+ 也，毛+ 心+ + r ，丝乞一圪= o ，一 足，+ 咫z 如+ 足以+ 如+ 一+ 足，2 2 _ 圪= o 一 ! ： 一 ， ： 一 一 是2 ，l j l + 是，2 2 乞+ r 2 ，3 屯+ 如，4 + + 如2 2 乞一匕= 0 一 + ：一 、-， “ ( 3 9 ) 呵 、 j 、 3 尺，一e 圪= 0 。( 3 1 0 ) + t 式中：e 为单位矩阵，圪是列矢量 ： 。 、-f r ! r ； r 。s ：r 。 r m 心2 ：灭。 11 1 )t ，3l 、 r ， l 、 f 大型接地网地面电位分布计算与改进 一 yi ，= i “ j oj p 一 i = 1 ( 3 1 2 ) 则接地体的接地电阻为：，o 。“。j ”1 ：、：。：，；乓- ； r = 攻i ，一 ( 3 1 3 ) u 由上分析可以看出，只要求出互电阻r , j ，再求解方程组( 3 1 0 ) 得到沿电极的泄 流电流分布，以及接地电极的接地电位升与接地电阻，就可通过式( 3 7 ) 得到土壤 中任一点p 的电位。，、：j j r z ? 1：“?。：， 一i c 。2 3 3 。计算互电阻心和g ( p ，d _ 一。 由前分析可知，格林函数g ( p ，0 j ) 代表一个单位电流由一个微段单元_ ，注入土壤时 在点产生的电位：r ：。j 、j j ： 当点p 距离微段很远时，即这一微段本身的线性尺寸远远小于该段与点尸之间的距 离时，则可将电极看成一今点模型，若土壤为均匀土壤，则有： 。一- g ( p ，d 户乞( * r t ) ( 3 1 4 ) 式中，和，- 分别为点p 到微段中心点和点t p 到微段镜像的中心点的距离，如图3 1 所示。 ：) ： 一- j 卜。 ：。 l 二。一二t 一 ，h ，j 二“ 7 o j ，甲、。 “一一。h i ! 、 ， t “。t ：_ 、 l ，- 吣、 v 。_ 一 。_ 7 7 乃修i 7 丁万乃7 7 7 _ 力砭_ 7 7 丁，一一。4 ， 、 。【i j 一 一 ! 。，：、二、，一一一一 p i ，一一 ：一- 7 r ：，。- 、，。 ， 。j 吉一一：7 ，工t - ， 一 一一k 图3 1p 点到微段中心距离镜像图 1 2 西华大学硕士学位论文 当点p 距离微段很近时，尤其是点p 在微段地面上时，采用点电源的电位计算公式 将会带来很大的误差，若将电极微段当做一段有一定长度的线电源处理，- i 沿该微段方向一 的泄露电流分布却是不均匀的。如果假设该微段的电流密度为均匀分布，则会给计算结 果带来一定的误差。所以，当p 点与微段电极很近时，尤其在靠近电极地面时，就不能 将场源处理为线状电源。 j- h ：，jk i 这时可采用将电极微段用二次分域的技巧再次分段，即将微段电极按长度分为m 个 大小相等的微分段，见图3 2 ，其中的一个微分段为移：，。， ； t ! 。： i 一； 一，、二 ：j 。， j ，j 、。：， 7 只个穆分段，j_ 。卜。，。卜 ， # ，l 一 ，l t ， ，_ _ ：j ，。 jo 一。r _ - i l 1 ，。o 0 _ ：、 ， _ i 1 _ 一。_ 二二匝豆卫皿二。，_ “”o 、 1 卜l j l ，。一 图3 2 电极再分段示意图 i ! h 、 。：h 9 3 2 t h es e c o n d o f a e l e c t r o d ed i a g r a m + 。 ， 设以为由微分段钐流入大地的电流，将从歹段流入土壤的电流定义为单位电流，因 此：。” if t ：j ! ：；、10 、 吨、：二一。一，： t f ：h 。：i m ：，- ： ：小 。 ! ：一 ，- h 。：，i ：i m “：7 ， f 1 ： ” 。 ： ， = 1、( 3 1 5 ) ， k = 1 一 当单位电流由微分段钐流入土壤，在p 点产生的电位为v ，j 七( 懈) ，微分段的坐标及几 何尺寸如图3 3 。 ， _ 一 7 。”0 ：互、 j i 二寸。 图3 3 微分段坐标与尺寸示意图 ，“ ； f i 9 3 3 c o o r d i n a t e sa n ds i z eo f m i c r 争s e g m e n t a t i o nd i a g r a m 一舀立+、 ， ， ， ， 扣 “ 大型接地网地面电位分布计算与改进 一；一图中a 是导体半径，b 是微分段长度，r 和z 为点p 的横坐标和纵坐标。 ：，则有电磁场理论可得嗡( ，：) 、；。一- 、：。、n 。t ，、- ： 一! i ! ：tc 一j l ，；“j 。 ，、 ：j 摹妒、_ ，毛- + 0 ? ，! 一一ii j 一、。j t 、7 “：、j i _ _ 一。j ? 嗄j 力二南主嚣筹c 。s c ? s 血c t b 万d t1 0 ：- - c 毒9 一，式牟蠢。和霞。夯别为毒阶和一阶第兰类修正贝赛乐函数，o + 毫正无穷小，衾示积分 下限不能为零。 “。4 “ 一 - 。“h 一。 其中式( 3 1 6 ) 是接地体在三维空间均匀介质中的情况。对于地平面下半个空间， 土壤电阻率为p ，由于上半个空间为空气，计算可由镜像法求得，另外还要求p ，少) ， 其中( 厂，) 是以大地为对称面的镜像微分段的中心轴线，与p 点组成的平面上，以镜像 微分段中心为圆点，中心轴线为z 轴，镜像导线半径方向为，轴的坐标系中，点p 的坐 ? 标。一一，予一。一一一 一 t 一 。 当点尸与微段很接近时，有：_ 。一一， ： g ( 尸，g ) = 【略( _ z ) + 略( ，z 1 ) 磁； ( 3 1 7 ) k = l 。这时只要再求得即可得到p 点与该微段接近时的格林函数g ( p ，q ) 。、 设有单位电流由第微段流入大地，即有，= 1 ，则第歹微段导体上的电位升就升高 为：凡毛= 呜。将点p 分别固定于各微分段上，再冉导体等电位的边界条件，可得到如 7 下；17 个方程组： 一吃= 6 ：；沏= 1 2 ，柳“ 。 r1 ， 。 ，己：( 3 1 8 ) 尺土为第微段的各微分段之间的互龟阻，当七= 历时，尺乏就为第后微分段的自电 阻。在式( 3 1 8 ) 中砧为将尸点固定在微分段肌上，单位电流注入j | 微分段时在点历产 生的电位。可以采