（电气工程专业论文）变电站接地均压研究.pdf

a b s t r a c t i nt h ep a s t ，t h es o l u t i o n st og r o u n d i n gp r o b l e mw e r ea l w a y sf o c u s e do nr e s i s t a n c e r e d u c t i o n ，r a t h e rt h a np o t e n t i a le q u a l i z a t i o na n di s o l a t i o n m e a n w h i l e ，t h ef o r m u l a u s e di nc u r r e n ts t a n d a r d sc a no n l yc a l c u l a t et h er e s i s t i v i t yo fs i n g l el a y e rs o i l ，y e tn o t c a p a b l eo fd e a l i n gw i t hm u l t i - l a y e rr e s i s t i v i t yr e a s o n a b l ya n dp r e c i s e l y a tt h es a m e t i m e ，g r o u n d i n gs t a n d a r d sc a n n o tq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z eg r o u n dg r i de l e c t r i cp o t e n t i a l d i s t r i b u t i o na n ds t e pv o l t a g ed i s t r i b u t i o n ，e s p e c i a l l yt h el a t t e rw h i c hi sc o n s i d e r a b l y i m p o r t a n ti nh a n d l i n gg r o u n d i n gp r o b l e m i tr e q u i r e ss y s t e m a t i c a lp l a nt os o l v et h eg r o u n d i n gp r o b l e mi ns u b s t a t i o n st h a t a l eb u i l to nh i l l yl a n dw i t hl a r g es h o r t c i r c u i tc u r r e n t w ec a l ln o to v e r - e m p h a s i z e r e s i s t a n c er e d u c t i o na n dw o r kt h es o l u t i o ns t r a i g h ta w a y , n e g l e c t i n gt h ei d e a sb a s e d o np o t e n t i a le q u a l i z a t i o na n di s o l a t i o n t h ei d e a ls o l u t i o nt og r o u n d i n gp r o b l e mr e q u i r e sas t a r tf r o mt h ep o t e n t i a l e q u a l i z a t i o na n di s o l a t i o np o i n to fv i e w , w i t hr e f e r e n c et ot h er e s i s t a n c er e d u c t i o n s t e p i ti sg r e a t l ys u g g e s t e dt h a ta l lt h eg r o u n d i n gp r o b l e m so fac e r t a i ns u b s t a t i o n s o l v e dw i t h i nt h es u b s t a t i o n ，n o to n l yb e c a u s eo u t w a r dg r o u n d i n gc a b l i n gc a nc a u s e r e g u l a t i o na n dc o m p e n s a t i o ni s s u e s ，b u ta l s ot or e d u c et h ec o s to fg r o u n d i n ga n d r e s i s t a n c er e d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c hu s e sh i g hd e n s i t yr e s i s t i v i t ym e t h o dt ot e s tt h es o i l r e s i s t i v i t y , a n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e st h eg r o u n d i n g 鲥de l e c t r i cp o t e n t i a l ，s t e p v o l t a g ea n dt o u c hp o t e n t i a lw i t ht h ea i do fc d e g ss i m u l a t i o ns o f t w a r e a n dt h e a u t h o rd i s c o v e r st h a tt w o - l a y e rg r o u n d i n gg r i dh a sg o o dp o t e n t i a le q u a l i z a t i o n k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n p o t e n t i a le q u a l i z a t i o n c d e g s l l i g hd e n s i t yr e s i s t i v i t ym e t h o d t w o l a y e rg r o u n d i n gg r i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得浙江大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规 定：浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 日期：年月日 浙江大学工学硕士学位论文 第一章引言 变电站接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安 全的根本保证和重要措施。 随着经济的发展，土地作为一种不可再生的资源越来越受到日益关注。站址 征地问题成了工程一件头等大事，地方规划部门为了减少变电站出线等对区域经 济、公路规划等影响要求站址尽量沿山而建。为了少占土地尽量不占农田要求变 电站占地面积越来越小，甚至不得不建所于土壤电阻率极高的山地上，如我省的 2 2 0 k v 青田变、淳安变。 短路电流的不断提高以及变电站站址位置的恶劣条件使得变电所接地问题 显得特别突出了，甚至关系到站址的可行性。 而以往接地问题的处理往往单一片面地从降阻方面制定方案，其常用的降低 接地电阻的方法有，文献【1 】 2 】 3 】 4 】 5 】中都有叙述： ( 1 ) 夕 弓i 夕f 、延法 外引外延指在所址附近有电阻率较的的土壤电阻率，可敷设引外接地体或站 址附近没有低土壤电阻率区域单靠增大接地网面积，以降低厂、所内的接地电阻。 由于外引外延屏蔽效应小，所以其降阻效果相对较好。因此在特别高的土壤 电阻率地区j l 弓l j l - 延也是最有效最稳妥的降阻措施之一。 ( 2 ) 深井 由于站内深井方案在所内实施不涉及所外征地及赔偿费用等政策处理问题， 避免了政策处理给工程带来的麻烦。深井方案完全符合接地问题尽量考虑所内解 决这一原则。所以此方案最受青睐。但相对于外引来说，所内解决接地问题回旋 余地相对小，因为由于变电站场地的限制，接地深井间、主接地网与深井间有着 很强的屏蔽效应。所以不能按主网接地电阻与深井接地电阻直接并联考虑。应充 分考虑屏蔽因素，并考虑到接地电阻的不确定性。 ( 3 ) 深井爆破裂岩灌浆 深井爆破炸裂岩缝接地技术其基本原理是采用钻孔机在地中垂直钻直径为 1 0 0m i l l 、深度为几十米至几百米，并在孔中布置接地电极，然后沿孔整个深度 隔一定距离安放一定量的炸药来进行爆破，将岩石爆裂、爆松，接着用压力机将 浙江大学工学硕士学位论文 调成浆状的降阻剂压入深孔及爆破制裂产生的缝隙中，以达到通过降阻剂将地下 巨大范围的土壤内部沟通，加强接地电极与土壤、岩石的接触，从而达到较大幅 度降低接地电阻的目的。根据有关资料一般爆破制裂产生的裂纹大约几至几十米 远，对5 0 0 k v 变电站等大型接地网来说，还是杯水车薪的。若对已运行的变电 所内爆破炸裂岩缝降阻方法在爆破时是否可能会对运行设备及基础造成不良影 响需慎重考虑。 ( 4 ) 离子接地极 离子接地系统由陶瓷合金化合物组成，电极外表是铜合金，以确保高导电性 能及较长使用寿命，内部含有特制的电解离子化合物，能够吸收空气中的水份， 通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围土壤中。因为离子接地装置能不 断自动释放出活性电解离子，大大降低了土壤的电阻率，使得周围土壤的导电性 能始终保持在较高的水平，从而充分发挥接地系统的作用。而离子接地系统由于 埋深3 5 m ，受土壤电阻率不定因素的影响较小，使用寿命2 5 年以上，完全免维 护。 根据2 2 0 k v 某变电站接地施工经验：接地网不处理时实测接地电阻1 3 4 9 f l ， 使用8 套离子接地极后实测接地电阻为0 9 5 4 f l ，再用1 2 套离子接地极后接地电 阻降为0 9 f l ，可见离子接地极使用一定数量后立即表现出很强的屏蔽效果。最 后改用外引接地才降为0 5 1 f l 。 接地问题以往单一片面地从降阻方面制定方案，而忽视了从所内所外电位分 布等均压隔离角度出发来处理接地问题。而现行规程交流电气装置的接地， 其提供的计算公式只能计算单层土壤电阻率，无法合理对多层土壤电阻率进行准 确的计算分析。且我国的接地规程对地电位分布、跨步电压分布无法定量分析， 特别是对跨步电压分布的定量分析对接地问题的处理显得尤为重要。 大短路电流下山地变电站接地问题处理是一个系统的问题，不能片面强调降 阻而仅从降阻方面制定方案，从而忽视了从均压隔离角度出发来处理接地问题。 接地问题的处理更需从均压隔离角度出发结合降阻措施，尽量使变电站接地问题 所内解决，避免了接地外引处理的政策处理及赔偿问题。 因此本文结合高密度电法测量土壤电阻率，采用接地仿真计算软件c d e g s 对地电位、跨步电压、接触电势定量分析研究。 2 浙江大学工学硕士学位论文 第二章接地网的安全判据与分析工具 2 1 安全判据 不同的规程从不同的专业方面对接地电阻有各不相同的要求。 ( 1 ) 现行d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地 6 1 规程中的规定为： 一般情况下，r 2 0 0 0 1 。 r 考虑季节变化的最大接地电阻，q ； i 计算用的流经接地装置的入地短路电流，a 。 公式中计算用流经接地装置的入地短路电流，采用在接地装置内、外短路时， 经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应按5 - 1 0 年发 展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分 配，以及避雷线中分走的接地短路电流。 当接地装置的接地电阻不符合上式要求时，可通过技术经济比较增大接地电 阻，但不得大于5q ，且应符合本标准6 2 2 的要求。 该标准6 2 2 中对接地网的要求为： a ) 为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向厂、所外或将 低电位引向厂、所内的设施，应采取隔离措施。例如：对外的通信设备加隔离变 压器；向厂、所外供电的低压线路采用架空线，其电源中性点不在厂、所内接地， 改在厂、所外适当的地方接地；通向厂、所外的管道采用绝缘段，铁路轨道分别 在两处加绝缘鱼尾板等等。 b ) 考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂、变电所 内的3 1 0 k v 阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋予的能量。 c ) 应验算接触电位差和跨步电位差。 ( 2 ) 现行d i j t5 1 4 9 - - - 2 0 0 1 ( 2 2 0 k v - 5 5 0 k v 变电所计算机监控系统设计技术规 程【7 1 条文说明1 1 1 4 条对变电所接地电阻提出不大于1q 的要求。条文引述如 下： 1 1 1 4 二次系统接地的种类一般分为安全保护接地、交流接地、信号接地三 种。安全保护接地是指对设备的外壳接地，以防止漏电对人员造成的触电危险， 和屏蔽外界对设备的干扰。交流接地是交流电源中性点的接地系统，以使故障电 3 浙江大学工学硕士学位论文 流经中性线流人大地。信号接地是将逻辑信号系统的公用端接到地网，使其成为 稳定的参考零电位。由于信号地( 也叫逻辑地) 是所有逻辑电路的公用基准点，对 接地电阻要求最高( 一般不应大于1q ) ，而微机中使用的各种t t l 门电路的逻辑 “1 和“0 电平的电位差仅2 v 多，如果处理不当，在信号地线上将形成噪声 电压，造成微机不能正常工作，甚至烧毁元件，因此，信号接地是各种接地中最 为重要的一种。 而国内外运行经验表明，变电站接地电阻值低并不一定能保证安全。原苏联 在制定电气设备安装规程7 6 时认为：作为主要安全性的判据，规定接地体 电阻的标准是不合理的。美国1 9 7 6 年的变电站安全接地导则中亦指出：变电站 接地电阻值低并不是安全的保证。即使对接地电阻比较低的变电所，在某些情况 下亦可能是危险的；而对某些接地电阻很高的变电所，只要精心设计仍然是安全 的，或者可以使之达到安全。同时，当人接触接地物体时，人体可能承受的电压 和许多因素有关，如流经接地体的电流，电流的持续时间、接地体的结构、土壤 电阻率等。计算表明：在一定的条件下，当接地电阻超过o 5 0 时接触接地物体 的安全性也能得到保证。所以，许多国家不在接地设计标准中对接地网的接地电 阻做规定。 同样我国行标d l t6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地亦指出：“一般情况下， 接地装置的接地电阻应符合r 2 0 0 0 i ，若不符合r 2 0 0 0 i ，可通过技术经 济比较增大接地电阻，但须不大于50 ，且应做好其它措施如控制转移电位、接 触电压和跨步电压等等。 即放宽了对接地电阻的数值要求，强调从技术经济的 角度以多项技术指标，如接地网的接地电阻、场区电位分布、接触电压、跨步电 压、接地引下线热稳定性、不同电气设备接地引下线之间的电气连接性和电气设 备接地引下线抽样挖掘情况等来综合评价和控制接地网的水平。显然运用这一设 计标准，一方面可提高接地网安全运行的可靠性，另一方面亦降低了接地网的建 设投资，特别是对于高土壤电阻率地区，其所节约的费用是相当大的。因此从所 内所外电位分布等均压隔离角度出发来处理接地问题的研究是很有必要的。 4 浙江大学工学硕士学位论文 2 - 2 分析工具 2 2 1 仿真工具【8 】 采用仿真计算软件c d e g s 对接地问题进行计算和分析。c d e g s 是由加拿 大s e s 公司出品。目前它是一个能全面为接地、电磁场、交直流电磁兼容，以及 阴极保护等问题服务的，具有多种组件高度集成以及多功能的通用软件工具，它可 以计算在正常运行、故障、雷击，以及操作暂态条件下，任意由地上或地下的带电 导体所组成网络中的电流和电磁场，其中土壤结构可以是非均匀的多种类型的 土壤结构，导体可以是裸导体、带绝缘层的管道或在管道中的电缆。c d e g s 软件 包应该说是截止目前世界上在该领域通用性最强，功能最为强大的软件包。 2 2 2 可靠性 对c g e d s 软件与其它软件和公式进行横向计算比较，已确定其可靠性。 计算条件 接地网面积为1 0 0 * 1 0 0 m 2 ，网格大小为1 0 m * 1 0 m ，敷设深度为0 6 m ，导体半 径为0 0 2 m ，导体材料为铜。 2 ) 接地电阻比较 采用不同计算方法的接地电阻计算结果如表2 1 所示。 表2 1 不同计算方法的接地电阻计算结果比较 分析软件 c d e g s 的i a l z c d e g s 的 土壤电阻率 解析式 ( q ) c d e g s 的 模块( q ) 地a , l z 模块 ( q m )( q )( 华北电力 m a l t 模块 中心点电流注 ( q ) ( q )次顶角电流注 大学) 入 入 5 0 0 2 2 9 0 2 2 6 0 2 2 60 2 2 60 2 2 7 1 5 00 6 8 70 6 7 80 6 7 70 6 7 80 6 7 8 3 0 01 3 。7 41 3 5 51 3 5 51 3 5 51 3 5 6 5 0 02 2 9 02 2 5 92 2 5 82 2 5 92 2 5 9 7 0 03 2 0 63 1 6 23 1 6 13 1 6 23 1 6 2 l o o o 4 5 8 0 4 5 1 74 5 1 64 5 1 74 5 1 7 1 5 0 06 8 7 16 7 7 56 7 7 46 7 7 56 7 7 6 2 0 0 09 1 6 19 0 3 49 0 3 29 0 3 49 3 0 4 嚣区柱铎燧毯眯好球砖g枢崾蕾函蠼恹 砖趔搽g器梁嗽g旺 。g耕口嗽咏h辖求状世棼蕊o叫qu暖眯仪幡缒达q 延铎辖求水罂g扑kr脚菩斟瞎 。器婆状似趟恹 砖草蝴g 瞥桀 羞嗽单g 暖米七b穴*辎嗣辎螺峨r锄：疆仪茸警g媳繇划皿聪嗽佰幻醛累艘种。舔1罂剞氓咪姆琳基g芒铎辖求水罂g扑kr脚暑井坷翠酲 删删1忙眯蚂琳右水霉g哥：*辎舞郑螺帐r1串：藿仪冥锖对醛累岬眯蟋琳右g棼铎o衄qu旺眯眯好琳砖g n式僻冥_文僻忸 n 塞拿藿| o o卜 n0 0n on寸 n _ n nl n寸n no on on o n i - - 一 n n_l n卜o 垂囊菩 _ l no 卜寸寸 - _岔 - _ _- _ n n i n寸 u n一 懈 - _ _t l 、口 0 0- _卜n 岔t - 寸 。口 - _ _n 幻 - _n - _ _岔 口 o o卜 _ _- _n nl ，、 卜 释 餍 壁，、 圜目o o o 脚。 oo o o oo o o 群a i ，、 - no o ool n o - _ f nl n卜 - _- _ _ t q 干1 。 群丑账好琳右幽脚骶留g：罩l恹琳右匿k q n 僻 。惜蓬n式僻器眯姆琳右出面埝蛰k略g燃恹 拳叵悟旺咪 释丑出串埝留k噼n 仪秘掣扑书匿扑h扑k婷餐 浙江大学工学硕士学位论文 第三章高密度电法测量土壤电阻率 3 1 高密度电法的测量原理 文献 9 】 1 0 1 1 】 1 2 1 3 】对高密度电阻率法都有详细的描述。高密度电阻率法 ( 或简称高密度电法) 最早起源于2 0 世纪7 0 年代末期的阵列电探思想，8 0 年代中 期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据 采集，但是由于整体设计的不完善性，这套设备没有充分发挥高密度电法的优越性， 所以并未引起人们的重视，直到9 0 年代随着电子计算机的普及和发展，其优点才 被越来越多的人认识，尤其是近几年，高密度电法测量在各领域得到越来越广泛的 应用。 高密度电阻率法是一种在方法技术上有很大进步的电阻率法。其工作原理与 常规的电阻率法完全相同。它是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法，根 据施加电场作用下地中传导电流的分布规律，反映地下不同的地质体分布。和常 规的四极法一样，它工作时通过a 、b 电极向地下供电，供电电流为i ，然后在 m 、n 极间测量电位差y ，从而可以测得m 、n 之间的视电阻率值只2 k a v i ， 如图3 1 所示。根据多点测得的数据，经过计算分析后得出断面的电阻率分布情 况。 图3 - 1高密度电阻率法测量原理 只有当地面为无限大的平面，地下为均匀各向同性的导电介质时，测得的视 电阻率值才是真电阻率值，当地下导电介质分布不均匀时，需要经过反演才能得 到真电阻率值。反演就是要寻找一个地电模型，使其对应的理论计算值( 即正演 7 浙江大学工学硕士学位论文 计算结果) 与实测视电阻率值重合最好。最常用的反演算法有最速下降法、最小 二乘法。反演的一般步骤如下： ( 1 ) 给定初始地电模型 ( 2 ) 计算理论拟断面( 正演计算) ( 3 ) 通过正演计算值和实测视电阻率值的拟合差来评定拟合程度，若满足要 求，则该模型为最终反演地电模型；若不满足要求，则修改模型参数值，返回( 2 ) 重新计算直到达到事先给定的精度为止。 3 2 高密度电法的电极排列方式及测量过程 二维高密度电法测量有固定断面测量和变断面测量两种，其中固定断面测量 中最常用的电极排列方式有a 排列( 温纳装置a m n b ) 、1 3 排列( 偶极装置 a b m n ) 、y 排列( 微分装置a m b n ) 【1 4 】。它们均为四极排列，差异在于电极a 、 m 、b 、n 排列顺序不一样。其中q 排列为a m n b ，和传统的四极法布极一样。 b 排列为a b m n ，y 排列为a m b n 。其中，a b 极为供电电极，m n 极为测量电 极。测量时，相邻电极为一个单位电极距，四个电极逐点从左向右移动，得到第 一条剖面。然后相邻的电极同时增大一个单位电极距，再从左到右逐点同时移动， 得到另一个剖面线。这样不断的测量下去，得到最后的倒梯形断面，如图3 2 所 示。 - - - - - + - + ( 1 ) q 排列q 岸k _ 片一l 去去片一一毒丢告* 日一 - - - + - - - - - - - - 卜 ( 2 ) b 排列q 爿毛 胃一l 去去胃一 ( 3 ) y 排列 - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 一l ! j ! 一l = ：产= ：7 ：。 q 掣删品击* 毒* 4 1 1 图3 - 2固定断面测量电极排列方式及测量过程示意图 变断面测量时以滚动线为单位进行测量，滚动线是一条沿深度方向的直线或 斜线，一个断面由若干滚动线组成。一般用于测量较深和测线较长的断面。其中 8 浙江大学工学硕士学位论文 变断面测量中常用的有a m 二极排列，a m n 三极排列。测量时a 不动，m ( 或 m n ) 逐点向右移动，得到一条滚动线；接着a 、m ( 或m n ) 同时向右移动一 个电极，然后a 不动，m ( 或m n ) 再逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样 不断滚动测量下去，得到平行四边形断面，如图3 3 所示。 a _ p ，v _ 粕hn 镰怒劈精一 ( 1 ) a - m 二极排列匕之i = = ：t 了之l 上一一l 一一 ( 2 ) a - n 三极排列l _ 了b ：l 上j - ： 主 薹 薹薹= 图3 3变断面测量电极排列方式及测量示意图 3 3 高密度电法系统的组成 高密度电法系统由数据采集部分和数据处理部分组成，如图3 - 4 所示，其中 测量主机、分布式开关适配器( 多路电极转换器) 、分布式开关电缆、电极等四 部分组成数据采集部分。而数据处理部分则由计算机、数据格式转化软件、数据 预处理、反演、解释成图5 部分组成。测量时，先设定好测量的参数，然后由主 机通过r s 2 3 2 通讯接口控制多路电极转换器进行测量，数据采集结果自动存入 主机，主机通过通讯软件将主机内的测量原始数据导入计算机，计算机通过数据 格式转化软件将原始数据转化为反演软件要求的数据格式。在反演前，可以通过 滤波等方式对数据进行预处理，减小噪声或者偶然误差，然后用反演软件反演， 得到测量断面的电阻率等值线图，并结合钻探、地质调查等资料，得出更准确的 电阻率等值线图。 9 浙江大学工学硕士学位论文 广一燃聚豢系统 广黼处理系娆1 ； 图3 - 4 高密度电法系统组成示意图 3 4 高密度电法相对于传统四极法的优点 ( 1 ) 电极布设是一次完成的，测量中无需跑极，因此不仅大大减少人工 跑极的工作量，而且可以减少因电极移动而引起的故障和干扰。 ( 2 ) 测量同一个断面时，可以选择固定断面测量和变断面测量，还可以 选择不同的测量方法( 电极排列方式) 。 ( 3 ) 可以进行数据资料的现场实时处理和成图解释，而且测得的数据还 有较丰富的关于断面结构特征的地质信息。 ( 4 ) 野外数据采集实现自动化或者半自动化，采集数据快( 测一点只需 2 5 秒) ，还可以避免人工操作出现的错误。 ( 5 ) 成本低、效率高、测量信息更加丰富，更利于接地网设计。 3 5 高密度电法应用实例分析 2 0 0 7 年8 月1 3 日，浙江大学高电压实验室与浙江省电力设计院，在杭州富 阳市灵桥镇姜家弄村拟建的荷花变电所所址，用重庆奔腾数控研究所研制的 w g m d - - - 6 分布式三维高密度电阻率成像系统对拟建变电所所在地进行土壤电 阻率的测量。 荷花变电所工程位于富阳市灵桥镇光明村姜家弄北侧，所址东北侧为小源 溪，东南侧为民居，西南约2 5 m 为灵桥镇中学。该站四面环山，处于一个山沟 1 0 浙江大学工学硕士学位论文 里，土壤电阻率比较大，因此准确地测量该所周边土壤电阻率对设计变电所的接 地网是十分重要的。 3 5 1 数据采集 按照当地的地形，选择一条比较直的田间小路作为测线，南北方向布线。测 量起始点：n 3 0 。0 0 7 8 3 ，e 1 2 0 。0 1 8 6 1 测线终点：n 3 0 。0 0 6 4 8 ，e 1 2 0 。0 1 9 8 1 。 测线的后半段( 2 2 0 , - 3 0 0 米) 是一条很干燥的有很多碎石的小路，而测线的前半 段( 0 - - - 2 2 0 米) 为水稻田间的间隙。测线总长3 0 0 米，电极数为6 0 根，单位极 距为5 米，测量方法为c i 排列( 温纳装置a m n b ) 固定断面测量，剖面数为1 9 ， 共5 7 0 个测点。采用汽油发电机发电经过整流器后供给测量系统，供电电压达到 2 5 0 v 。布置好电极后，连接电源、测量主机和分布式开关适配器，设置主机的 工作参数，接通电源进行测量，测量完成约需1 5 分钟，测量得到的数据将自动 存储在测量主机中。 3 5 2 数据分析处理 ( 1 ) 数据格式转化：用数据接收与格式转换软件b t r c 2 0 0 4 将测量主机里 存储的原始数据f d a 文件导入计算机，并转化数据格式为二维高密度电法反演软 件2 d r e s 可识别的d a t a 文件。 ( 2 ) 数据预处理：采用数值滤波程序对转换格式后的视电阻率数据进行差 值滤波，这样可以减小那些测得视电阻率值与正常值差异很大，并且具有不连续 性的数据对反演结果的影响。 ( 3 ) 反演：采用2 d r e s 反演软件进行二维反演，在反演前，利用反演软件 自带的删除坏点功能将数据中的坏点删除。根据不同的测量方法、测点数和测量 所得视电阻率数据，合理设置反演软件的各种参数以得到较为准确的反演结果， 如图3 5 所示。 渐 学t 学顾1 学位论立 正演枧电阻宰拟断面 。 i n _ _ - i i i i i i i i 口 _ f口n i 1 ， ! 一 + j = 一 一搿哩。电i _ ： ti 酗3 4 测量断面反演结果( 反演深度为l o o m ) ( 4 ) 解释成图：由上面反演得到的电阻率断面图可以看出，在地表的水平坐 标0 2 2 0 m 段，电阻率比较低，2 2 0 m 3 0 0 m 段电阻率相对比较高。这t f 与布线 时，前半段为水稻田，后面2 2 0 m 到3 0 0 m 段为一条比较干燥的碎石路的地质情 况相吻合。在l 一2 5 m 深层电阻率比较低，为r 验证反演结果的准确性，我1 c 1 参 阅电力设计院的钻探资料和当地的地质资料得知，该层为圆砾，卵石地层，透水 性好，地f 水丰富，地f 水主要降水和地表水补给，以地表蒸发、地下迳流排泄 为主，地下水位般埋深在10 15 m 左右，预计雨季接近地表。2 5 m 深以f 电 阻牵连渐增大，到5 0 m 深时电阻牢变化不大。从电力设计院钻探结果知，3 0 m 左右时已经钻探到基岩。反演得到3 0 r e 深层的电阻率值与钻探得到岩石电阻率 吻合。从上面的分析可以看出，反演得到的结果是比较准确的，与地质勘探结果 相吻合。 由图3 - 5 可看出，该地的士壤结构为水平层状结构，在接地网设计时，可以 将该地模型分为水平三层结构，表层1 0 0 1 5 0 0 m 深度2 5 米左右，计算取值 1 5 0 q m ；中f u j 层3 0 0 1 5 0 0 0 m 深度2 5 m ，右计算取值1 0 0 0 0 m ：底 层2 0 0 0 q m 。也可以分更多层，如可以参考正演和视电阻率断面图，将土壤模 浙江大学工学硕士学位论文 型分为5 层模型进行接地网设计。 3 5 3 高密度电法测量主意事项 ( 1 ) 测量时应尽量保持电极间距离相等且不要大于电缆上的电极长度、测线 保持直线、地形起伏不能太大； ( 2 ) 提供较高的供电电压，这样入地电流相对较大，可以提高测量结果的信 噪比； ( 3 ) 同一条测线重复测量几次，最后反演时取其平均值，这样可以降低误差； ( 4 ) 要根据不同的测量原始数据合理设置二维反演软件参数； ( 5 ) 要同时运用其他的物探和非物探方法，综合多种方法的资料得到最后的 结果； ( 6 ) 在打入电极的时候尽量增加电极入地深度，保证电极良好接地，如果地 表比较干燥，可以给电极周围撒些水减小电极的接触电阻。 1 3 浙江大学工学硕士学位论文 第四章单层简单接地网均压问题研究 4 1 仿真模型与参数 4 1 1 接地网的模型 接地系统工频参数的数值计算是接地系统设计的基础，目前已从过去的基于 均匀土壤模型利用经验公式对接地电阻值进行估计，发展到采用数值计算进行分 析研究，可见文献 1 5 - 2 u 。 假设一个接地网：1 0 0 m x1 0 0 m ，网格l o m ，s = l o o xl o o m 2 ，l = 2 2 0 0 m ，水平 接地体等效直径d = o 0 3 m ，材料是热镀锌扁钢，接地网埋深0 8 m 。土壤电阻率 按单层考虑取1 0 0 f l m 。入地电流2 5 k a 。接地网所在地为( 一5 0 ，5 0 ) ，( 5 0 ，5 0 ) ， ( 5 0 ，5 0 ) ，( 5 0 ，5 0 ) 地点围成的区域，埋深o 8 m 。接地网的平面图如图4 1 所示。 - 4 5- 1 51 6 x x i so 咖毽) 图4 1 接地网的平面图 4 1 2 计算参数 本章分别仿真计算了以下因素对变电所地表跨步电压的影响，其中包括： 1 4 基h昙h】【ji 浙江大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 短路电流入地点的影响，短路电流入地点在变电所地网中心以及边角 地带时的最大跨步电压的变化。 ( 2 ) 土壤电阻率的变化，土壤电阻率变化对变电所接地电阻和最大跨步电 压的影响。 ( 3 ) 网格间距的变化，地网的网格间距5 m 、1 0 m 、2 0 m 以及地网导体不等 间距 3 2 ，3 3 时地表跨步电压的分布。 ( 4 ) 垂直接地体，本文将仿真在接地网的边缘加2 5 m 长，间距为1 0 m 的 垂直接地体以及在地网的四个顶点打下几十米的深井接地体时的变电所地表跨 步电压的分布。 ( 5 ) 圆弧形边角，变电所边角直角地网用圆弧代替。 ( 6 ) 变电所的表面铺一层电阻率2 5 0 0 f l m 、大约3 0 c m 厚的砾石或者沥青。 4 2 单层简单接地网均压的影响因素分析 4 2 1 短路电流入地点的影响 当不考虑短路电流入地点的影响时，根据d i j t6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的 接地计算，接地电阻为0 5q ，地表最大跨步电压为7 6 0 8 v 。 由于大型接地网中接地网导体是不等电位的，所以要考虑短路电流入地点的 影响。本节对短路电流入地点分别在( 0 ，0 ) ，( 2 0 ，3 0 ) ，( 4 0 ，4 0 ) ，( 5 0 ，5 0 ) 的情况进行仿真，分析地表跨步电压的分布情况。 ( 1 ) 短路电流入地点坐标为( 0 ，0 ) 时，接地电阻0 4 6 1q ，在( 一5 3 ，5 3 ) ， ( 5 3 ，5 3 ) ，( 5 3 ，5 3 ) ，( 5 3 ，5 3 ) 所确定的地表跨步电压分布情况如图4 - 2 所 示，步长为0 8 m 。 浙江人学i 学硕上学位论空 a ) 变电所地表跨步电压的分布：二维崮 4 。 叶- p 目i 、 一 b ) 变电所地表跨步电压分布：一维色块幽 ( c ) 边角地带地表跨步电压的分布 图4 2 变电所跨步电压分布留 浙江大学t 学颤1 袍女 由圈4 - 2 可见，较大的跨步电压分布在接地网边缘和顶角地带，因此在设计 接地网时，应重点考虑变电所边缘的均压。几条特殊观测线上的跨步电压分布如 图4 3 所示。 。 ，j ， ，矸一 l a ) 儿条特殊观测线所在的位置 ( b ) 观测线 上的跨步电压分布 新上学t 学坝l 岸止论立 ( c ) 现测线2 上的跨步电压分布 ( d ) 观测线3 上的跨步电压分布 ( e ) 观测线4 上的跨步电压分布 围4 3 儿条特殊观测线上的跨步电压分布 浙人学t 学颤十位论空 由图4 - 2 和4 - 3 可见，跨步电压的最大值出现在正方形变电所的对角线上， 变电所的顶角处，从仿真结果的数据中可以找到( 4 99 6 ，4 9 9 6 ) 到( 5 05 3 ，5 05 3 ) 这一步的跨步电压值最大，为6 9 87 v ，从( 4 99 6 ，4 9 9 6 ) 沿着对角线方向向外 跨第二步的跨步电脏减小到了5 3 47 v ，跨第三步的跨步电压减小到了3 8 2 0 v ， 说明问题的关键在于降低顶点处第一步的跨步电压，因为如果围墙内边缘距离接 地网大于o5 3 m 时，这一点恰好在围墙之内，这会给人身安全造成威胁。 ( 2 ) 短路电流入地点坐标为( 2 0 3 0 ) 时，接地电阻0 4 6 3 0 ，在( 5 3 ，5 3 ) ， ( 5 3 ，一5 3 ) ，( 5 3 5 3 ) ，( 一5 3 ，5 3 ) 所确定的地表面上，变电所地表跨步电压分 布情况如图4 _ 4 所示，步长为08 m 。 虹 a ) 整个变电所地表的跨步电压分布嘲 b ) 变电所边角地带跨步电压的分布 新 学i 学颤l ：学位论史 c ) 沿地蹦对角线的跨步电压分布 图4 4 变电所跨步电压分布 由图4 _ 4 可见，跨步电压的较大值仍然分布在接地旬9 边缘所对应的地表面， 其中最大跨步电压位于变屯所的对角线上，与短路电流入地点在地网中心时所不 同的是，此时的跨步电压分布不是关于变电所中心完全对称的，而是短路电流入 地点所在位置一侧稍微偏大。从仿真结果的数据中可以找到( 4 99 6 ，4 99 6 ) 到 ( 5 05 3 ，5 05 3 ) 这一步的跨步电压值最大，为7 1 17 v ，比沿地网对角线上远离 短路电流注入点侧的地表跨步电压极大值大1 83 v 。从( 4 99 6 ，4 99 6 ) 沿着对 角线方向向外跨第二步的跨步电压减d , n 了5 4 46 v ，跨第三步的跨步电压减小 n t3 8 89 v 。说明问题的关键同样在r 降低短路电流入地点侧顶点处第一步的 跨步电压。 ( 3 ) 短路电流入地点坐标为( 4 0 ，4 0 ) 时，跨步电压分布情况如图4 5 所 示，步长为08 m 。 浙江 学t 学坝f 学位论立 a ) 整个变t b 所所在r 域的跨步电压 b ) 变电所边角地带的跨步电压分布 c ) 沿地网对角线的跨步电压分布 圈斗5 变电所跨步电压分布 m m m ： _；r-=t uij，z “ ，j，l；-v5 z 新 学t 学顾i j 学位论立 由图4 - 5 可见，跨步电压的较大值仍然分布在接地网边缘所对应的地表面， 其中最大值位于变电所的对角线上，与短路电流入地点在地网中心时所不同的 是，此时的跨步电压分布不是关于变电所中心完全对称的，而是短路电流入地点 所在位簧一侧稍微偏大。从仿真结果的数据中可以找到( 4 99 6 ，4 99 6 ) 到( 5 05 3 ， 5 05 3 ) 这一步的跨步电压值最大，为7 3 44 v ，比沿地网对角线上远离短路电流 注入点侧的地表跨步电压极大值大4 25 v 。从( 4 9 9 6 ，4 99 6 ) 沿着对角线方向 向外跨第二步的跨步电压减小到了5 6 16 v 跨第i 步的跨步电压减小到了 4 0 06 v 。 ( 4 ) 短路电流入地点坐标为( 5 0 ，5 0 ) 时，接地电阻0 4 7 8 0 ，变电所区域 跨步电压分句和对角观测线上跨步电压分柿如图4 - 6 所示。 a ) 整个变屯所地表跨步电压的分粕 b ) 变电所边角地带跨步电压分布 * 江学工学碗学论文 c ) 沿地网对角线的跨步电压分布 图4 - 6 变电所跨步电压分布图 由图4 6 可见，晟大跨步电压位于短路电流入地点侧的顶角处，跨步电压最 大值高达9 3 38 v 。比沿地网对角线上远离短路电流注入点侧豹地表跨步电压极 大值大4 25 v ，高出短路电流八地点在其他位置时最大跨步电压2 0 0 v ，相当危 险，要避免出现这种情况。 表年l 短路电流入地点对最大跨步电压的影响 由表4 - 1 可见，短路电流入地点在接地网边角地带时接地电阻和最大跨步电 压的值较大，短路电流入地点位于接地网中心时较小，因此应尽量避免短路电流 在变电所的边角地带入地。 我们在计算时应该考虑最坏的情况，因此在以下的仿真计算中，短路电流入 地点取在可能发生的造成跨步电压最严重的情况，即变电所接地耐的顶点处。 4 2 2 土壤电阻率的影响 本小节仿真计算了土壤电阻率变化对接地电阻和最大跨步电压的影响。计算 结果比较如图4 7 所示。 浙大学t 学碗学位论文 1 0 ；8 。6 雪t 蠹z 。 圈 土壤电阻率对接地电阻和跨步电压的影响 由图47 町见，接地电阻、最大跨步电压均与土壤电阻率呈线性关系 423 网格间距的影响 接地网均压网格间距分别为5 、1 0 、2 0 m ，短路电流入地点位于接地网的顶 点经计算得出网格间距对接地电阻影响根小。对角线上的跨步电压的分布如图 4 - 8 所示。 a ) 网格同距5 m ：目口妻 斯大学工学顾学位论立 ( b ) 网格间距l o r e ( c ) 网格间距2 0 m 幽牟8 网格问距对沿地网对角线的跨步电压分布的影响 当接地网均压带网格不均匀时，其中均压导体数日与网格间距为l o r e 时的 完全相同，接地网的导体布置以及此情况下变电所对角线上跨步电压分布分别如 图4 - 9 和4 1 0 所示。 晰 学t 学颤l 学位论土 幽斗9 小等日】距的接地州结构幽 削牟l o 接地网不等间距时沿地网对角线的地而跨步电压分布 均压带网格怕j 距对最大跨步电压值影响如表4 - 2 所示 表42 接地网的阿格间距埘最人跨步电压值的影响 “ jj*，f f ，- 浙江大学工学硕士学位论文 表4 3 接地网费用( 镀锌扁钢) 由图4 - 9 和表4 2 可见，当网格间距为5 m 时的最大跨步电压比l o m 时的低 1 0 1 2 ，均压效果相差不大，但当网格间距为2 0 m 时，最大跨步电压比网格间 距l o m 时高出1 8 4 9 ，说明接地网网格间距2 0 m 时的均压效果较差，因此网格 间距不能太大。接地网的导体不等间距布置时，所用的材料等同于网格间距l o m 的情况，而最大跨步电压值为8 3 3 1 v ，比网格间距5 m 时的情况下还小。 由表4 2 和表4 3 结果可得，通过技术经济比较，对一般接地网可选l o m 左 右网格或不等间距的接地网具有较好的性价比。 4 2 4 垂直接地体的影响 在接地网的边边缘处打下2 5 m 长垂直接地棒，材料为j | 5 角钢，垂直接地体 间距l o m ，接地体的布置如图4 1 1 所示。短路电流入