（高电压与绝缘技术专业论文）复杂土壤地区接地网电气特性的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 变电站接地的主要目的是为了保障供电系统能够安全可靠地运行和保 障人身及设备的安全。在我国接地规程及i e e es t d8 0 - 1 9 8 6 中均只考虑了 采用均匀土壤模型进行地网接地电阻的计算。但在工程实际中，大部分地 区的土质比较复杂，按照均匀土壤考虑设计时会产生较大的设计误差。目 前，多数研究者认为按照双层土壤对多层土壤中接地网的电气特性进行分 析可以提高设计精度，但各种参数对接地网电气特性的影响尚不清楚，因 此需要研究各种参数变化时复杂土壤结构中接地网电气特性的变化规律， 找出水平多层土壤的等效简化分析方法，为接地网的设计提供理论指导。 本文仿真分析了土壤电阻率、土壤厚度、反射系数等参数对水平双层 土壤、垂直双层土壤和水平三层土壤中地网接地电阻的影响规律。针对接 地网面积、土壤电阻率和反射系数等参数对等效均匀土壤电阻率的影响规 律，找出了影响等效均匀土壤电阻率的重要参数，建立了水平双层土壤结 构等效成单层土壤结构的求解模型。研究了复杂土壤结构中接地系统设计 的方法和步骤，提出了青藏铁路格拉段接地网的设计原则。文中重点讨论 了接地网材料的选择和接地电阻的测量方法。接地网材料选用铜还是钢要 综合考虑经济及腐蚀等各种因素的影响，同时还要依据环境条件选择合适 的防腐方法。在测量地网的接地电阻时，应了解接地系统附近土壤分层结 构情况，综合考虑各方面影响因素，选择合理的电流极引线和电压极的布 置位置及相应的测量方法，才能获得准确的测量结果。 关键词：接地网；接地电阻；土壤模型；青藏铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tt a c t t h cs u b s t a t i o ng r o u n d i n gs y s t e mi si m p o r t a n tt 0t h er e l i a b l eo p e r a t i o no f p 0 哪盯s y s t e ma n dt h es a f e t yg u a r a n t e eo fp e r s o na n de q u i p m e n t o n l yu n i f o r m s o i lm o d e li sc o n s i d e r e dt oc a l c u l a t et h eg r o u n d i n gr e s i s t a o c eo ft h eg r o u n d h a g g r i di nd i j t 6 2 1 - - 1 9 9 7a n di e e es t d8 0 - 1 9 8 6 i np r a c t i c e ，t h es o i ls t r u c t u r ei s c o m p l e xi nm a n yr e g i o n s ，ab i ge r r o rw o u l do c c u ri fo n l yt h eu n i f o r ms o i l m o d e ic o n s i d e r e d a tp r e s e n t , m o s tr e s e a r c h e r s 也i n kt h a tt h em u l t i 1 a y e rs o i l s t r u c t u r e 锄b es i m p l i f i e da sa ne q u i v a e n tt w o - l a y e rs o i ls t n l c t u r et oa n a y z e t h ec l c c t r i c a lc h a r a c t e r b u tt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e ro ft h eg r o u n d i n gg r i di sn o tc l e a r , s ot h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t p a r a m e t e r so nt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e ro ft h eg r o u n d i n gg r i di nt h em u i t i l a y e r s o i li ss t u d i e 正t h cs i m p l i f i c a t i o nm e t h o df o rt h em u l t i l a y e rs o f ts l l r n c t l l r ci s p m p o s c c lt h i sm e t h o di sh e l p f u lt 0t h ed e s i g no ft h eg r o u n d i n gs y s t e mi nt h e m u l t i l a y e rs o i l t ki n f l u e n c eo fs o i lr e s i s t i v i t y , s o f tt h i c k n e s sa n dt h er e f l e c t i v ec o e f f i c i e n t o nt h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo ft h eg r o u n d i n g 班di nv a r i o u ss t r u c t u r e si s a n a l y z e d 皿ei n f l u e n c eo fg r o u n d i n ga r e a , s o i lr e s i s t i v i t ya n dt h er e f l e c t i v e c o e f f i c i e n to nt h e e q u i v a l e n ts o i lr e s i s t i v i t y i sa l s o a n a l y z e d t h ek e y p a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h ee q u i v a l e n ts o i lr e s i s t i v i t ya r ef o u n d , a n dt h e s y s t e mm o d e lo fb pa n nt oc a l c u l a t et h ee q u i v a l e n ts o i lr e s i s t i v i t yj s d s c u s s e d t h em e t h o do fd c s i g u i a gt h eg r o t m d i n gs y s t e mi nt h ec o m p l e xs o i l s t r u c t u r ei si n t r o d u c e d , a n dt h ed e s i g np r i n c i p l e so fg r o u n d i n gg r i di ng e h s e g m e n ta r ep r o p o s e d 皿es e l e c t i o no fg r o u n d i n gg r i dm a t e r i a la n dt h e m e a $ t l r c m c n to fg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea r ed i s c u s s e d t os e l e c tc o p p e ro rs t e e la s t h eg r o u n d i n gg r i dm a t e r i a ld e p e n d so no u t l a y , c o r r o s i o na n do t h e r a c t o r s , a n d t h ec o r r o s i o n p r o o fm e a s u r e sn e e dt ob et a k e na c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n l t h es o f ts t r u c t u r ea r o u n dt h es u b s t a t i o ns h o u l db es t u d i e db e f o r em e a s u r i n gt h e g r o u n d i n gr e s i s t a n c eo ft h eg r o u n d i n g 鲥d w i t ht h ep r o p e ra r r a n g e m e n to f c 柚r r e n ta n dv o l t a g ep r o b e sa sw e l l 罄p r o p e rm e a s u r e m e n tm e t h o d , t h ea c c u r a t e r e s u l tc a nb eo b t a i n e d k e yw o r d s ：g r o u n d i n gg r i d ；g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；s o i lm o d e l ； o i d g h a i t i b e tr a i l w a y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 1 1 1 接地对电力系统安全的重要意义 我国电力将在未来1 0 1 5 年内保持快速增长，根据我国电力发展规 划，到2 0 1 0 、2 0 2 0 年我国电力装机容量将分别达到6 0 0 、9 0 0 g w 。根据世 界各电网发展规律，系统容量每翻两番就必须引进一个新的电压等级【l , 2 1 。 结合西电东送、南北互供的全国联网战略，我国的特高压输变电技术取得 了蓬勃的发展：目前，国家电网公司正大力加强晋东南荆门交流1 0 0 0 千伏特高压试验示范工程的建设1 3 - 6 1 ；世界上第一个+ 8 0 0 千伏特高压直流 输电工程，我国云南至广东8 0 0 千伏特高压直流输电工程【 】也于2 0 0 6 年1 2 月1 9 日在云南楚雄正式开工 随着现代大电网向特高压和大容量的方向发展，对于电力系统安全、 稳定及经济运行的要求越来越高，为了确保电网的安全稳定运行，提高供 电可靠性，必须配备一套与一次系统相适应的安全保护系统，因此需要有 良好的发、变电站接地系统。 变电所的接地系统非常重要，它必须在正常及事故状态下满足两个主 要目标：将电流泄入大地，使流经接地电阻产生的过电压不超过运行设 备容许的限值；确保人站在接地设施附近免受电气冲击的危险。因此变 电所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1 9 _ 蚓 电力系统发生大电流接地短路故障时，如果接地电阻值比较大，就会 造成地电位异常升高；如果接地系统设计不合理，还会导致接地系统本身 局部电位差超过安全值【1 3 , x 4 1 。近几年来，由于我国电力网不断发展壮大， 陆续兴建了许多新的电厂，电力系统装机容量和电网的变电容量迅速增加， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 单相接地短路电流日益增大，要求变电所接地电阻值进一步降低。 当地网电位异常升高时，除了给运行人员人身安全带来威胁外，还可 能因反击或电缆外皮环流使得二次或自动化设备绝缘遭到破坏，轻则导致 二次或自动化设备发生误动或拒动，重则破坏二次或自动化设备而扩大事 故，带来巨大的经济损失和社会影响。调查表明，我国由于接地系统电位 达不到要求所导致的事故或扩大事故范围的案例不胜枚举l 冽。 1 1 2 复杂土壤结构中接地系统研究的意义 在我国接地规程【1 6 】及i e e es t d8 0 - 1 9 8 6 1 7 】中推荐采用式r - p 2 , i 对 均匀土壤中接地网的接地电阻进行近似计算。但在工程实际中，很少会遇 到均匀土壤的情况，大部分地区的土质比较复杂，按照单层均匀土壤考虑 设计时会产生较大的设计误差。目前，大多按照双层土壤考虑对多层土壤 中接地网的电气特性进行分析1 1 哆1 9 1 ，但土壤电阻率、土壤厚度、反射系数 等参数对接地网电气特性的影响尚不清楚，因此需要研究各种参数变化时 水平双层、垂直双层以及水平多层土壤中接地网电气特性的变化规律，找 出水平多层土壤的等效简化分析方法，为接地网的设计提供理论指导。 1 2 国内外现状分析 1 2 1 土壤结构的简化 接地网在变电站安全运行中起着十分重要的作用，接地性能一直是设 计和生产运行部门关注的重要性能之一。多年来国内外对接地网的分析设 计迸行了大量的研究，最早的系统研究甚至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 1 5 年f w e n n e r 就提出了现在仍广泛使 用的土壤电阻率的测量方法例。此后与变电站接地网性能分析相关的文献 大量涌现【2 1 1 ，但由于计算量庞大，对于复杂大型接地网的分析是伴随着 电子计算机的发展，从二十世纪七十年代开始才日趋成熟的。 我国的接地规程及i e e es t d8 0 - 1 9 8 6 中推荐采用式r p 2 4 s 对均 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 匀土壤中接地网的接地电阻进行近似计算，但在工程实际中，大部分地区 的土壤结构比较复杂，按照均匀土壤考虑设计存在较大的误差。目前，国 内外学者对多层土壤中接地网的接地参数进行了研究：加拿大的f a r i d d a w a l i b i 等人研究了多层土壤中接地网接地电阻的测量和计算【弘3 1 】，清华 大学的何金良等人研究了水平多层土壤中接地电阻的计算和测量 3 2 3 , q ，武 汉水利电力大学的文习山等人研究了垂直多层土壤接地电阻的计算1 3 5 l 。 但这些研究仅限于对多层土壤中接地网接地电阻的计算，没有考虑土 壤电阻率、土壤厚度和反射系数等参数变化时接她露接地电阻盼变化靛律。 国际上针对多层土壤的等效问题进行了一定的研究，研究成果为分析将多 层土壤模型等效为均匀土壤模型的可行性，没有获得多层土壤结构等效为 均匀土壤的求解模型。 1 2 2 降低接地电阻的研究 为了降低装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行，人们采用 了各种各样的措施 3 6 - 3 9 1 。常见的主要包括：扩大接地网面积、外引接地、 增加地网埋设深度、利用自然接地体、深井接地和局部换土等。 1 、扩大接地网面积 均匀土壤条件下，变电站接地网的接逾电阻与接地网面积平方根近似 成反比，地网面积越大，其接地电阻值也就越低。增大地网的面积无疑是 一种降低地网接地电阻的一种行之有效的方法。 但是通过扩大接地网面积的方法来降低接地电阻只能因地而异。对于 建在山区的变电站，无法无限制的扩大其地网面积：另外建在市区的变电 站，也无法大面积的扩大地网。 2 、外引接地 外引接地是指将变电站主接地网与主接地网区域以外某一低土壤电阻 率区域敷设的辅助接她装置相连的方法，以达到降低整个接地系统接地电 阻的目的。如在国标【1 6 】中提出：当在发电厂、变电所2 0 0 0 m 以内有较低 电阻率的土壤时，可敷设外引接地极。 但是采用外引接地的条件是必须能够在主接地网附近找到电阻率相对 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 较低的区域，这在很多地区是难以找到的，使得该方法的使用受到了一定 的限制。 3 、增加地网的埋设深度 在我国黑龙江等少数地区，为了避开永久冻土带，会增加接地网的埋设 深度，有时会达到1 2 m 。通过仿真计算表明，在接地网其他参数不变的情 况下，增加地阿的埋深会使得接地电阻减小：但是其降阻效果不是很明显， 而且会大量增加施工量和施工难度，这在高土壤电阻率地区更是如此。因 此工程中一般不建议采用这种方法，接地网的埋深一般取为0 6 加8 m 。 4 、深井接地 在i e e es t d 8 0 - 1 9 9 7 1 3 7 t 和我国国标f 1 叼中均提到“当地下较深处的土壤电 阻率较低时，可采用深井接地方式来降低接地电阻”。土壤的电阻率通常沿 纵深分布是不均匀的，不同深度得到电阻率是不同的。一般接近地面几米 以内的电阻率并不稳定，要随季节气候的变化而变化，土壤越深电阻率越 稳定，特别是在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接地装置的地区，采 用深并接地与主接地网并联是一种有效降低接地电阻的方法。在有地下含 水层的地方，接地体可能深入穿透水层，这时其降阻效果将更好。同时由 于深井接地方式可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有 效的方法。 5 、局部换土 土壤电阻率的高低直接影响到接地装置接地电阻的大小。某些位于高 土壤电阻率地区的接地装置，如果采用其他方法降阻困难，可以采用局部 换土的方法。用土壤电阻率较低的土壤来置换接地装置周围的高土壤电阻 率土壤，以获得较低的接地电阻。这种方法的使用必须从技术经济上做全 面的比较，以避免造成经济上的浪费。 6 、降阻剂 降阻剂是一种辅助性材料，在接地工程中大量使用，并取得了较好的 降效果。在我国电力行业标准 1 6 o e 提到，在高土壤电阻率地区，可以采 用填充电阻率较低的物质和降阻剂来降低接地电阻。降阻剂的降阻机理主 要包括：( 1 ) 增大接地体的有效截面；( 2 ) 消除接触电阻；( 3 ) 改善周围 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 土壤的电阻率；( 4 ) 吸水性和保水性，改善并保持土壤导电性能。 目前，降阻剂主要分为化学降阻剂和物理降阻剂两大类。化学降阻剂 以电解质为导电主体，其导电机理类似于土壤的导电机理，即只有在水参 与时，电解质才能电离出带电的离子，从而成为导电主体。电介质浓度越 高，其降阻效果也越明显。然而化学降阻剂的这种导电性能不可避免的会 对金属电极发生腐蚀，使得其应用范围受到了一定程度的限制。物理降阻 剂是以非电解质的固体粉末为导电材料，并以强碱弱酸为胶凝物，其降阻 性能不受季节性雨水的影响，使得其导电特性不受酸碱度、高低温和干湿 度的影响，主要是本身的导电粉末起到降阻作用。 7 、其他方法 在高土壤电阻率和冻土地区，为了最大限度的提高接地装置的降阻效 果，有些学者提出了一些思路： ( 1 ) 深孔爆破制裂一压力灌降阻剂法【氍h 1 l ：是指采用钻孔机在地中垂直 钻一定直径，深度一般为1 0 8 0 m 的孔，在孔中插入电极。然后沿孔的整个 深度隔一定距离安放一定的炸药迸行爆破。将岩石爆裂、爆松，接着用压 力机将调成浆状的降阻剂压入深孔中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及加强接地电极与土壤( 岩石) 的 接触，从而较大幅度肄低接地电阻的目的。 ( 2 ) 电加热法【4 2 j ：在永冻土地区，利用太阳能或加热电缆等使接地体周围 土壤保持融化状态。将接地装置敷设在熔化地带或熔化地带的水池、水坑 中，但是需专门的供电系统以满足长期发热的要求，给变电站的运行带来 了很大不便。 以上介绍的各种降低接地电阻的方法多为平原地区常用的降阻措施， 均有其应用的特定条件。对于高土壤电阻率地区的接地系统设计，应依据 变电站周围的地质情况采用相应的接地降阻措施。 1 2 3 接地电阻的测量 对于接地电阻的测量，二十世纪六十年代发展起来的电位降测量理论 得到了广泛的认可a n s v i e e e 标准推荐使用电位降法( f a l lo fp o t e n t i a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 m e t h o d ) ，通过测量接地体与电流极之间的电位降曲线，分析得到接地电阻 的测量值f 协4 4 l 。我国接地电阻测量规程嘲推荐使用电位降法进行各种结构 接地系统的测量。但是由于电位降法测量相对比较复杂，因此在我国供电 部门一般都采用电位降法衍生出的0 6 1 8 法和3 0 4 夹角法进行接地电阻测 测量。 电位降法在理论上实现了对接地电阻的准确测量，解决了辅助电极引 起的电流场畸变问题，因此得到了普遍的接受，成了事实上接地电阻测量 的标准方法。但电位降法的理论基础建立在均匀土壤和半球接地极模型的 基础上，这首先与现场的真实地质情况不符，从模型来说有误差，又要求 测量引线足够长，测量装置也存在耦合干扰1 4 3 j 。 针对上述问题，研究人员提出了一系列的修正理论或调整措旌。在多 层土壤的情况下，基于0 6 1 8 法的测量可能导致错误的结果，误差甚至高 达4 4 1 4 刀。j m a 和ed a w a h b i 等人率先提出了土壤分层理论，研究了 不同土壤分层时，0 6 1 8 法的误差，并计算出了误差修正曲线。进入9 0 年 代以后，清华大学、东北电力学院等国内大学和研究部门相继发表了大量 的部均匀土壤接地电阻测量的研究文献。事实上，科学的测量方法应该由 土壤结构和地网参数确定，关键是找出电压极补偿点的位置，并且若把电 压极布置在电流极的反方向，只能通过理论上的补偿才能得到正确结果闻。 1 3 本论文的主要工作 本文综述了复杂土壤结构中接地系统的研究情况，仿真分析了土壤电 阻率、土壤厚度、反射系数等参数对复杂土壤结构中接地网接地电阻的影 响规律，获得了双层土壤结构等效为均匀土壤的求解模型，最后对复杂土 壤结构中接地系统的设计进行了探讨。 本论文共分四章，文中个章的研究内容为： 第一章介绍了复杂土壤结构中接地网仿真分析的研究意义，并综述了 国内外复杂土壤结构中接地系统的研究现状，明确了本文的研究对象，提 出本文的研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章仿真分析了各种参数对复杂土壤结构中接她电阻的影响规律， 包括各种参数对水平双层土壤结构、垂直双层土壤结构和水平三层土壤结 构中接地网接地电阻的影响规律。 第三章首先仿真分析了各种参数对等效均匀土壤电阻率的影响规律， 找出了影响等效均匀土壤电阻率的重要参数，最后使用b p 神经网络来求解 等效均匀土壤电阻率。 ” 第四章研究了复杂土壤结构中接地系统设计的方法和步骤，然后重点 讨论了接地网材料的选择和接地电阻的测量。 论文工作得到了以下项目的资助： l 、青藏线防雷接地技术的研究( 铁道部科研项目) 2 、天府广场地铁综合接地系统的研究( 横向课题：与铁二院合作) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章土壤结构对接地网电气特性的影响 变电站接地的目的主要是为了保障供电系统能够安全可靠地运行和保 障人身及设备的安全。接地装置的设计和改造主要是通过降低接地电阻， 确保故障时地电位升小于电气设备安全所需求的数值。在我国接地规程及 i e e es t d8 0 - 1 9 8 6 中推荐采用式r p 2 f s 对均匀土壤中接地网的接地电 阻进行近似计算，在接地系统初步设计时及对接地系统的接地电阻进行粗 略估计时，采用该式进行计算是非常方便的。但在工程实际中，很少会遇 到均匀土壤的情况，大部分地区的土质比较复杂，按照单层均匀土壤考虑 设计时会存在较大的设计误差。目前，在实际设计施工中，大多按照两层 水平，垂直土壤结构进行考虑，为了得到两层土壤结构对接地网接地电阻 的影响，采用从加拿大引进的c d e g s 软件包仿真分析了接地网面积、反射 系数、上层土壤厚度等参数变化对接地电阻的影响，得出了规律性原则， 为接地网的设计提供了理论指导和工程建议。 2 1 水平双层土壤中接地电阻仿真分析 2 1 1 接地网参数对接地电阻的影响 1 、接地网面积的影晌 接地网的埋深为1 m ，导体等效半径为0 0 1 m ，均压带间距取1 0 m ，均 匀土壤的电阻率为5 0 2 m ，双层土壤的上层土壤电阻率为5 0 0 r e ，厚度为 5 m 。下层土壤电阻率为2 0 2 m 。分别针对均匀土壤及水平双层土壤模型中 接地网面积变化时仿真计算的接地电阻值如表2 - 1 所示。 表2 - 1 中s 为接地网的面积，墨为均匀土壤中接地网的接地电阻，r 为双层土壤结构中接地网的接地电阻。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 - 1 接地网面积变化时的接地电阻值 s ( m ? )2 5 0 05 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 01 5 6 2 52 2 5 0 0 4 0 0 0 0 墨( q ) 0 4 6 3 n 3 1 5o 2 2 60 1 8 2n 1 舳o 1 4 9 0 1 1 1 r ( q ) 0 2 7 0o - 1 7 20 1 1 6o 0 9 00 0 8 9o 0 r 7 2 0 0 5 2 从表2 - i 可知，对于相同的接她网，在均匀土壤和水平双层土壤中有 不同的接地电阻，且两者之间最大可以相差5 0 以上。可以看出适合均匀 土壤计算的公式足= o 5 p 4 - g ，不适合估算双层土壤中接地网的接地电阻。 所以须研究双层土壤结构各参数对接地网接地电阻的影响， 面积( m 】) 图2 1 面积对接地网接地电阻的影响 图2 1 所示为土壤结构固定时，接地网面积变化对其接地电阻的影响。 由图可知，当接地网面积小于1 0 0 0 0 m 2 时，接地电阻下降得较快，大于 1 0 0 0 0 m 2 以后，接地电阻下降趋势变得平缓。随着接地网面积的增加，导体 数量增多，导体之间的屏蔽作用变得显著；另外，随着面积的增大，电流 密度的不均匀也在增加，从而使降阻的效果逐渐趋于饱和。 哺 懈 m g v 噩脚掣鞯 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 、长宽比的影晌 接地网埋深为1 m ，导体等效半径为0 o l i n ，均压带间距为l o m ，土壤 电阻率为2 0 q m 。长方形接地网长宽比变化时的接地电阻值及相同面积的 正方形接地网的接地电阻值如表2 2 所示。 表2 - 2 长宽比变化时的接地电阻值 不同形状面积( 0 )接地电阻( q )导体长度( m ) 正方形长方形正方形长方形 正方形长方形 3 0 3 02 0 4 5 0 3 1 50 3 0 62 4 02 3 5 4 0 4 02 0 8 00 2 3 30 2 1 24 0 0 4 2 0 5 0 5 02 0 1 2 50 1 8 5 0 1 4 2 6 0 0 7 1 5 6 0 x 6 02 0 x 1 8 0 0 1 5 30 1 2 18 4 09 2 0 7 0 x 7 02 0 x 2 4 50 1 3 10 0 9 71 1 2 01 2 1 5 g v 皿 脚 掣 辅 一- 一8 正方形 1 0 0 02 0 0 03 0 0 0柏o o5 0 0 0 面积( m 2 ) 图2 - 2 长室比对接地网接地电阻的影响 由图2 2 可知，接地网的形状对接地电阻的影响很小，面积相同时， 长方形接地网的接地电阻比正方形的略小，这是由于正方形接地网的导体 分布褥较为密集，导体相互之甸的屏蔽使得导体的数流作用相对减弱。 嘣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 2 土壤结构参数对接地电阻的影响 1 、上层土壤电阻率的影响 接地网的面积取1 0 0 1 0 0 m 2 ，埋深为1 m ，导体等效半径为0 0 l m ，均 压带间距为1 0 m ，上层土壤厚度为5 m 。反射系数k = ( p 2 一p 1 ) ( n + p ：) ， p 为上层土壤电阻率，p ，为下层土壤电阻率。上层土壤电阻率变化时的接 地电阻值如表2 3 所示。 表2 - 3 中, o l 为上层土壤电阻率，冠为下层土壤电阻率为2 0 f 2 m 时接地 网的接地电阻，见为反射系数取一0 5 时接地网的接地电阻，r 为反射系 数取0 5 时接地网的接地电阻 表2 - 3 上层土壤电阻率变化时的接地电阻值 p l ( t i m ) 5 01 0 0 2 0 03 0 05 0 0l o o o r ( q ) o 1 1 8o 1 5 20 2 2 00 2 8 7o 4 2 1 0 7 5 5 r 2 ( o ) 0 1 0 30 2 0 5o 4 1 10 6 1 61 0 2 7 2 0 5 玛( q ) 0 5 2 91 0 5 82 1 1 63 1 7 45 2 9 0 1 0 5 7 9 2 o 巳8 爱 脚 舞e 鞲 4 2 o o2 枷6 8 0 01 0 0 0 上层土壤电阻率( o m ) 图2 3 上层土壤电阻率对接地网接地电阻的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 由图2 - 3 可知，随着上层土壤电阻率的增大，接地电阻不断增大。无 论上层土壤电阻率大于下层土壤电阻率，还是下层土壤电阻率大于上层土 壤电阻率，接地电阻与上层土壤电阻率二者之间均呈线性关系。 2 、上层土壤厚度的影响 接地网的面积为1 0 0x1 0 0 m z ，埋深为l m ，导体等效半径为0 0 1 m ，均 压带间距为1 0 i n 上层土壤电阻率取5 0q m 。上层土壤厚度变化时的接地 电阻值如表2 - 4 所示。 表2 _ 4 中h 为上层土壤厚度，冠为下层土壤电阻率为2 0 q m 时接地网的 接地电阻，见为下层土壤电阻率为1 0 0 q m 时接地网的接地电阻。 表2 _ 4 上层土壤厚度变化时的接地电阻值 h ( m )235i o1 52 03 05 0 r ( q ) 0 1 0 60 1 1 00 1 1 80 1 2 90 1 3 90 1 4 80 1 6 10 1 7 9 r 2 ( q ) 0 4 1 20 4 0 20 3 8 70 3 6 00 3 4 10 3 2 70 3 0 60 2 8 2 g 、 盔 粤 鞭 辎 一日下晨土囊电阻车身2 0 c ) 正 of口口3 0柚50 上层士壤厚度( m ) 图2 - 4 上层土壤厚度对接地网接地电阻的影响 由图2 - 4 可知，当上层土壤电阻率大于下层土壤电阻率时，随着上层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 壤厚度的增大，接地电阻不断增大，但随着上层土壤厚度的增加，接地 电阻的增大趋势变得越来越缓慢；当下层土壤电阻率大于上层土壤电阻率 时，随着上层土壤厚度的增大，接地电阻不断减小，但随着上层土壤厚度 的增加，接地电阻的减小趋势变得缓慢。这是由于随着上层土壤厚度的增 加，接地网散流主要受上层土壤影响，因而有所增加或减小。 3 、反射系数的影响 接地网的面积为1 0 0 1 0 0 m 2 ，埋深为1 m ，导体等效半径为0 0 1 m ，均 压带间距为1 0 m 。上层土壤电阻率为5 0 h ，上层土壤厚度为5 m 。反射系 数鬣= ( p ，一矶) ，( n + m ) ，“为上层土壤电阻率，p ：为下层土壤电阻率。 反射系数变化时接地网的接地电阻值如表2 5 所示。 表2 - 5 中k 为反射系数，r 为接她网的接地电阻。 表2 - 5 反射系数变化时的接地电阻值 k_ o 8- o 6o 5- 0 3吨loo 1o 3o 5 o 6o 8 r ( q ) o 0 6o 0 90 1 00 1 4o 1 9o 2 3o 2 6o 3 70 5 3 o 6 6l 1 5 g v - 蛊 霎” 鞘。 - 正- o m 石屯- a ，o j b 口2口d ja j 正 反射系数 图2 - 5 反射系数对接地网接地电阻的影响 由图2 - 5 可知，随着反射系数的增大，接地电阻不断增大。当反射系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 数大于0 时，接地电阻的增大趋势加快，这是由于当反射系数大于0 时， 下层土壤电阻率超过了上层土壤电阻率，不利于接地网的散流，下层土壤 电阻率越大，对接地网接地电阻的影响就越大。 由以上图2 - 1 至图2 - 5 可知，对于水平双层土壤结构而言，上层土壤 厚度、反射系数、上层土壤的电阻率对同一接地网的接地电阻均有一定的 影响。其中反射系数和上层土壤的电阻率对接地电阻的影响较为明显，在 设计时可加以考虑。 2 2 垂直双层土壤中接地电阻仿真分析 2 2 。1 接地网面积的影响 接地网的埋深为1 m ，导体等效半径为0 0 1 m ，均压带间距取1 0 m 。垂 直双层土壤中接地网面积变化时接地网接地电阻值如表2 - 6 所示。 表2 喝中s 为接地网的面积，玛为左边土壤电阻率5 0 q m 、右边土壤 电阻率为2 0q m 时接地网的接地电阻，曼为左边土壤电阻率5 0q m 、右边 土壤电阻率为1 0 0 c h n 时接地网的接地电阻。 表2 - 6 接地网面积变化时的接地电阻值 s ( m 2 ) 5 0 5 01 0 0 x 1 0 01 2 5 x 1 2 51 5 0 x 1 5 0 2 0 0 x 2 0 0 墨( q ) 0 2 6 50 1 2 90 1 0 30 0 8 5 0 0 6 4 足( q )0 。6 1 80 3 0 20 2 4 1o 1 9 9 0 1 4 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 一一日左边土壤电阻搴5 0 0 n 毛近2 0c h d5 0 d o1 8 0 0 0 5 0 0 02 0 d d d 2 5 0 0 03 0 0 0 03 5 0 d d 柏0 d o4 5 0 0 0 面积( m 9 图2 _ 6 面积对垂直分层土壤中接地网接地电阻的影响 由图2 - 6 可知，当接地网面积小于1 0 0 0 0 m 2 时，接地网的接地电阻下降 得较快，大于1 0 0 0 0 m 2 以后，接地电阻的下降趋势变得平缓。这是由于随着 接地网面积的增加，导体数量增多，导体之间的屏蔽作用变得显著：另外， 随着面积的增大，电流密度的不均匀也在增加，从而使降阻的效果逐渐趋 于饱和。 2 2 2 接地网位置的影响 接地网的面积取i o ox1 0 0 m 2 ，埋深为l m ，导体等效半径为0 0 l m ，均 压带问距为1 0 m 。接地网位置变化时接地网的接地电阻值如表2 - 7 所示。 表2 7 中k 为接地网在左右分层中所占面积对比，墨为左边土壤电阻 率5 0 q m 、右边土壤电阻率为2 0 l o m 时接地网的接地电阻，恐为左边土壤 电阻率5 0 k 2 m 、右边土壤电阻率为l o o q m 时接地网的接地电阻。 拍加矸”幅柏笳舯勰如博伯瞄啪珊哪懈啪蝴懈呦 g v 盟脚营鞲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 - 7 接地网位置变化时的接地电阻值 接地电阻( q ) k 墨r 2 0 ：1 0 0 0 1 0 50 3 8 8 1 0 ：9 0 0 1 1 00 3 5 6 3 0 ：7 0 0 1 1 90 3 2 5 5 0 ：5 0 0 1 2 90 3 0 2 7 0 ：3 0 0 1 4 20 2 8 3 9 0 ：1 0 0 1 6 1 0 ，2 6 6 1 0 0 ：0 0 1 8 40 2 5 6 3 ： 盥0 , 3 4 留0 3 2 掣0 , 3 0 鞲0 2 8 一_ 一日主墟土壤电甩5 0 0 曩专边2 0 口匾 o , o0 2o _ 4 06 o e1 o 接地网在左边土壤中所占比例 图2 7 接地网位置对接地电阻的影响 由图 7 可知，随着接地网在土壤电阻率较大的层中面积比例增加， 接地网接地电阻不断增大。当接地网的面积在土壤电阻率较大的层中所占 比例在0 8 0 时，随着比例的增大，接地网接地电阻呈线性增大；当 接地网的面积在土壤电阻率较大的层中所占比例在8 0 1 0 0 时，随着 比例的增大，接地网接地电阻增大趋势较快。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3 三层土壤中接地网仿真分析 2 。3 。1 接地网面积的影响 接地网的埋深为1 m ，导体半径为0 0 1 m ，均压带间距取l o m 。 选取的典型三层土壤结构模型的参数如表2 8 所示。 表2 - 8 三层土壤模型结构参数 层数土壤电阻率( q m )厚度( m ) 11 0 05 25 0 01 35 0 在三层土壤模型中接地网面积变化时的接地电阻值如表2 - 9 所示。表 2 - 9 中s 为接地网的面积，r 为接地网的接地电阻。 表2 - 9 接地网面积变化时的接地电阻 s ( m 2 ) 5 0 5 05 0 1 0 01 0 0 x 1 0 01 0 0 x 1 5 01 5 0 x 1 5 02 0 0 x 2 0 0 r ( q ) 0 7 00 4 5o 3 0o 2 3 5o 1 9o t 3 0 5 0 0 01 0 0 0 0 1 5 0 0 0 2 0 0 0 02 5 0 0 0 3 0 0 0 03 5 0 0 0 o o4 5 0 0 0 面积( m 9 图2 - 8 面积对水平三层土壤中接地网接地电阻的影响 5 3 2 ， 口 d o o o o 口 ( u 一盅删簧辅 西南交通大学硕士研究生学位论文4第1 8 页 由图2 8 可知，当接地网面积小于1 0 0 0 0 m 2 时，接地电阻下降得较快， 大于1 0 0 0 0 m 2 以后，接地电阻下降趋势变得平缓。随着接地网面积的增加， 导体数量增多，导体之间的屏蔽作用变得显著；另外，随着面积的增大， 电流密度的不均匀也在增加，从而使降阻的效果逐渐趋于饱和。 2 3 2 上层土壤厚度的影响 接地网面积取1 0 0 l o o m ，接地网的埋深为l m ，导体半径为0 0 1 m ， 均压带间距取l o m 。 所选用的土壤模型参数如表2 1 0 所示。 表 10 三层土壤模型结构参数 层数土壤电阻率( f j m )厚度c m ) 11 0 0变化 25 0 01 3 5 0 在三层土壤模型中上层土壤厚度变化时接地网的接地电阻值如表2 一l l 所示。 表2 - 1 1 中h 为上层土壤的厚度，r 为接地网的接地电阻。 表2 - 1 1 上层土壤厚度变化时的接地电阻值 h ( m ) 2 3 51 0 1 52 03 05 0 r ( q )0 2 9 20 2 9 5 0 3 0 3 1 70 3 30 3 40 3 60 3 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 0 0 0 g 盘o j 删 簧 辅o j 2 0 0 0 o j 0 o d2 03 04 06 0 上层土壤厚度( m ) 图2 - 9 上层土壤厚度对接地网接地电阻的影响 由图2 - 9 可知，随着上层土壤厚度的增大，接地电阻不断增大，但随 着上层土壤厚度的增加，接地电阻的增大趋势变得缓慢，这是由于随着上 层土壤厚度的增加，接地网散流主要受上层土壤影响。 2 3 。3 中层土壤厚度的影晌 接地网面积取1 0 0xl o o m 2 ，接地网的埋深为l m ，导体半径为0 o l m ， 均压带间距取l o m 。 所选用的土壤模型参数如表2 1 2 所示。 表2 - 12 三层土壤模型结构参数 层数土壤电阻率( q m )厚度( m ) 11 0 05 25 0 0变化 35 0 不 三层土壤模型中中层土壤厚度变化时接地网的接地电阻值如表2 - 1 3 所 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表2 1 3 中啊为中层土壤的厚度，r 为接地网的接地电阻。 表2 _ 1 3 中层土壤厚度变化时的接地电阻值 j i l lc m ) 12351 01 52 03 0 r ( q ) o 30 3 30 3 5 7o 4 1o 5 10 6 0o 6 8 o 7 9 o t ot 5如3 0 土壤厚度( m ) 图2 - 1 0 中层土壤厚度对接地网接地电阻的影响 由图 1 0 可知，随着中层土壤厚度的增大，接地电阻不断增大，但随 着中层土壤厚度的增加，接地电阻的增大趋势变得缓慢。上层土壤与中层 土壤厚度变化相同时，中层土壤厚度变化对应的接地电阻增大得较快，这 是由于中层土壤电阻率比上层土壤电阻率大。 g u 匝哲菪辎 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章土壤结构参数的简化 接地电阻值是变电站接地系统的重要技术指标，是确认接地系统的有 效性、安全性以及鉴定系统是否符合设计要求的重要参数。目前，我国接 地规程及i e e es t d 8 0 - 1 9 8 6 均采用式r o 5 p 。s ( 1 ) 对均匀土壤中接 地网的接地电阻进行近似计算，其中以为均匀土壤的土壤电阻率，s 为大 于1 0 0 m 2 的闭合接地网的面积。但是在进行实际的接地网设计时，大部分 地区的土质结构比较复杂，如青藏铁路望楚段变电站的土壤结构1 4 9 1 ，如果 按照公式( 1 ) 进行计算，误差可达5 0 以上。为了减小计算误差，可采 用双层的等效土壤模型对任意复杂的土壤结构中接地网的接地电阻进行计 算，虽然目前有些研究者提出了双层土壤结构中接地网接地电阻的计算公 式，但是这些公式比较复杂i s o - s 4 1 ，不便于工程人员进行设计和估算。因此， 将双层土壤结构模型等效为均匀土壤模型，就可以利用公式( 1 ) 求取双层 土壤结构中接地网的接地电阻，使问题得到简化。本章首先对比分析了各 参数对等效均匀土壤电阻率的影响，找出了影响等效均匀土壤电阻率的重 要参数，然后使用b p 神经网络求解等效均匀土壤电阻率。 3 1 等效均匀土壤电阻率的影响因素 从原则上来讲，要得到一个复杂土壤结构的等效均匀土壤电阻率只有 一个方法，就是将一个半球或水平地网埋设在该土壤中，测量半球或接地 网的接地电阻，从半球接地极或水平接地网在均匀土壤中的接地电阻计算 公式反推得到的土壤电阻率就是与该半球接地极或水平接地网的结构相对 应的土壤的等效均匀土壤电阻率。 任何一个复杂土壤结构的等效均匀土壤电阻率都与接地装置的结构有 关。任意一个水