（电力系统及其自动化专业论文）山体对山顶变电站接地性能影响研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ec o n s t r u c t i o no fe l e c t r i ce n g i n e e r i n g b e c o m i n gm o r ea n dm o r ef a s t b u t ，t h es i t ea n dp a t h w a yo fe l e c t r i ce n g i n e e r i n g b e c o m eat o u g hp r o b l e mb e c a u s eo fl a n di s s u e sa n dp l a n n i n gi s s u e s i th a sg r e a t i m p a c tw i t ht h eb o d yo ft h em o u n t a i nf o rg r o u n d i n gp r o j e c t ，s om a n yt r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n sa n dl i n et o w e r sh a v et ob eb u i l to nt h ep e a kw i t hh i g l ls o i lr e s i s t i v i t y t h et r a d i t i o n a lg r o u n d i n gd e s i g nn o w a d a y sa r el e a db ye m p i r i c a lj u d g m e n t s ，t h a tc a l l n o ta n a l y z ea l lt h ei m p a c tt h a tt h eb o d yo ft h em o u n t a i nc o u l dd of o rt h ep e a k g r o u n d i n gs y s t e mi ns u b s t a t i o n s ，w h i c hw i l ll e a dt ot h ew a s t eo fm a t e r i a l s ，o re v e na s e r i e so fs a f e t yp r o b l e m ss u c ha st oe x c e e dt h es t a n d a r do fg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea n d s t e pv o l t a g e i no r d e rt o o b j e c t i v e l ya n a l y z et h ei n f l u e n c et h a tm o u n t a i nh a v eu p o nt h e g r o u n d i n gs y s t e mi ns u b s t a t i o n so nm o u n t a i nt o p ，s a f e l y , e c o n o m i cr e a l i z et h ep o w e r e l e c t r i c a l g r o u n d i n gn e t w o r ki nt h em o u n t a i na r e a , at h e o r ys y s t e mb a s e do n n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n do b j e c t i v ea n a l y s i s ，w h i c hc a ng u i d et h ed e s i g no ft h e m o u n t a i na r e ag r o u n d i n gp r o j e c t 。t h e r e f o r e ，a na n a l y z i n gm o d e la n dm e t h o du s i n g t h ew o r l d w i d ef a m o u sc d e g ss i m u l a t i o ns o f t w a r ei si n t r o d u c e d t h ee s t a b l i s h m e n t o ft h em o d e li st h ef o u n d a t i o no ft h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h ee s s e n c eo ft h i s r e s e a r c hp a p e rl i e si nu s i n gt h ea i do fh i g h t e c h n i q u es o f t w a r et op e r f o r ms e r i e so f a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n , s u m m a r i z i n g ，t h ea f f e c t i o no fm o u n t a i nu p o nn u m b e r so f g r o u n d i n gs y s t e m st h a tm a yo c c u ri nv a r i o u sc i r c u m s t a n c e sa n dh e n c ep r o p o s i n g a p p r o p r i a t ee n g i n e e r i n gs u g g e s t i o n s t h i sp a p e ru s e sc d e g ss i m u l a t i o na sab a s i cr e s e a r c hm e a n , w i t ht h e c o n s t r u c t i o no fs i n g l eg r o u n d i n gm o d e l ，g r o u n d i n gn e t w o r km o d e la n da i rm o d e l ， e s t a b l i s h e sa na p p r o p r i a t ec m c u l a t i o nm o d e l t h e ns i m u l a t e st h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e a n ds t e pv o l t a g e ，t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r si ng r o u n d i n gs y s t e m ，r e a l i z e st h e a n a l y s i so fi n f l u e n c ef r o mm o u n t a i nt og r o u n d i n gs y s t e mi ns u b s t a t i o n so nt o po ft h e m o u n t a i na n ds u m m e du ps e r i e so fp r a c t i c i n g e n g i n e e r i n gs u g g e s t i o n s a n d c o n c l u s i o n s ，w h i c hh a db e e na p p l i e da n dp r o v e di np r a c t i c a lp r o j e c t s ，a n dm a y b e c o m eu n i v e r s a lg u i d e l i n e si ng r o u n d i n gp r o j e c t si nm o u n t a i na r e a s k e y w o r d s =m o u n t a i nc d e g ss u b s t a t i o n sg r o u n d i n gr e s i s t a n c es t e pv o l t a g e 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 1 1目的和意义 第一章引言 发、变电站的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，电力系统发生接地短路故障或其它大电流入地 时，如果接地电阻值比较大，就会造成地网电位异常升高；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。接地装置的设计是电力工 程设计的重要内容之一，其主要作用是为了保证人身和设备的安全，以及满足各 种不同电压电气设备接地的要求。在发电厂、变电站接地系统设计时，由于要对 安全、经济等诸多因素均衡考虑，所以接地系统的设计是一个极其复杂的过程。 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关注。站址问题 成了电力工程的难题，地方规划部门为了减少变电站及其出线走廊对区域经济、 地方规划的影响，要求站址远离平地、少占农田、尽量不占农田，因此许多变电 站靠山建设，甚至有时不得不建站于土壤电阻率极高的山顶上；另外，小型化设 备的大量使用，使得变电站的面积越来越小；最后，电力系统容量的迅速扩大， 入地短路电流大幅升高，为保证电力系统的安全可靠运行，对接地电阻值提出了 更为苛刻的要求。以上的问题使得众多学者认识到：接地系统的各类计算必须由 经验公式计算向以数值计算方法为主的科学分析进行转变。对山地变电站的研究 还是刚刚起步，对山顶的各类接地系统( 线路杆塔、变电站接地网) 的分析计算 应该建立在一个可信的分析平台上，并对之作必要的、客观的研究分析，得出更 切合实际的计算数据，以便于实际工程中能够准确地采用合适的接地措施。满足 接地系统安全运行的需要。 1 2 存在的问题 在我国，接地网设计是依靠经验公式( 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【l 】。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 浙江大学工学硕士学位论文 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，在设计复杂条件下接地网时存在明显的缺陷，如： ( 1 ) 经验公式没有考虑土壤的不均匀性。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 ) 经验公式没有考虑接地网上的不等电位分布，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 ) 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。 ( 4 ) 经验公式没有考虑周围环境如山地的影响，接地体的散流除了和接地 体自身有关以外，还和它下面承载它的土壤的形状有一定的关系，因为山顶的缘 故，使得散流在侧面方向与平地不同，必然对接地网的电阻和跨步产生影响，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地形无关，因而 不适于山地接地系统。 1 3 主要工作 本报告针对当前山顶变电站接地设计中普遍不考虑的山体影响的问题，利用 规程和国际著名的接地仿真计算软件c d e g s 对山体影响进行计算和分析，为山 顶变电站接地的设计提供更为准确依据。本报告主要从以下几方面的问题进行分 析和研究： ( 1 ) 接地系统的安全评价对接地系统性能的具体要求。 ( 2 ) 接地系统的接地性能指标以及主要影响因素，山体地形对接地系统接 地性能的影响。 2 浙江大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 介绍当前用于接地系统分析和计算的各类方法和工具，并分析比较各 自的计算特点。 ( 4 ) 山体形状对山顶变电站接地的影响。通过对山体高度、坡度以及接地 体在山顶的位置等因素的分析，得出山体形状因素对接地电阻和跨步电压分布等 的影响情况。 ( 5 ) 通过对一个布置在山包上变电站的接地系统设计进行具体工程实例的 分析计算，将本报告的一些理论分析应用于实际。 浙江大学工学硕士学位论文 第二章接地系统的安全评价 有关接地系统的安全评价，一直存在着比较大的分歧，一种是按设计手册认 为只要接地电阻不大于o 5q ，不用校验最大接触和最大跨步就可以了：一种是 按规程认为只要接地电阻不大于5q ，校验最大接触和最大跨步满足( 或采取一 定措施满足) 就可以了，学术上对此有着比较激烈的讨论，有些工程接地条件好， 比较容易满足设计要求，矛盾不突出；但对于接地目标难以实现的如高土壤电阻 率地区的工程，该问题的争议比较大。 2 1 跨步、接触校验为主的判据 中华人民共和国电力行业标准d l t6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地指出： 1 ) 一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式 r 2 0 0 0 i ( 2 1 ) 式中：r 一考虑到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( 1 ) 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。 2 ) 当接地装置的接地电阻不符合式( 1 ) 要求时，可通过技术经济比较增大接 地电阻，但不得大于5q ，且应符合的要求： 幻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 一- , 1 0 k v 阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋与的能量。 4 浙江大学工学硕士学位论文 c ) 设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差： 在1 1 0 k v 及以上有效接地系统和6 3 5 k v 低电阻接地系统发生单相接地或 同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过 下列数值 u t ：17 4 + 1 0 ：1 7 一p f ( 2 - 2 )= ；一 以= 1 7 4 百+ 0 一7 p t ( 2 3 ) 式中：i t _ 接触电位差，v ； u s 跨步电位差，v ； p 卜_ 人脚站立处地表面的土壤电阻率，q m5 t _ 接地短路( 故障) 电流的持续时间，s 。 从上面可以看到，该规程对电阻的规定是宽松的( 5q 的上限相当于没有限 制，对于大型地网，5q 很容易达到) ，实际上就是把跨步电压和接触电压作为安 全判据( r 2 0 0 0 i 的要求，对当今的变电站几乎是太不可能，故几乎所有的变 电站都要校验跨步和接触电压) ，这和很多国家的规程规定有相似之处，如前苏 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站，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站，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 5q 时接触接地物 体的安全性也能得到保证。事实上，许多国家甚至不在接地设计标准中对接地网 的接地电阻做规定。 2 2 电阻阻值为主的判据 设计手册一次手册【2 1 提出对一般土壤电阻率地区，r r d 时 8 浙江大学工学硕士学位论文 耻南( 1 i l 詈1 ) ( 3 - 1 ) 式中：r v 垂直接地极的接地电阻，q： p 土壤电阻率，q m： 卜一垂直接地极的长度，m ； d 接地极用圆钢时，圆钢的直径，m 当用其他型式钢材时，其 等效直径应按下式计算( 图3 - 2 ) ：钢管，d = d l ；扁钢，d = 冬；等边角钢，d = 0 8 4 b ； 不等边角钢，d = 0 7 1 b l b ：( 砰+ 酲) 。 图3 - 1 垂直接地极的示意图 a 2 不同形状水平接地极的接地电阻可利用下式计算 山 1 l 图3 - 2 几种型式钢材的计算用尺寸 耻乞( 1 1 1 等删( 3 - 2 ) 式中：磁水平接地极的接地电阻，t ； i - 一水平接地极的总长度，m ； 卜水平接地极的埋设深度，m ； d 水平接地极的直径或等效直径，m ； a 水平接地极的形状系数。 9 i 4 a饼蛊 浙江大学工学硕士学位论文 水平接地极的形状系数可采用表3 1 所列数值。 表3 - 1 水平接地极的形状系数彳 水平接地 l人o _口 火 * 港米 极形状 形状系数 旬60 。1 8 00 4 8o 8 9l2 1 9 3 0 3 4 7 15 6 5 a a 3 水平接地极为主边缘闭合的复合接地极( 接地网) 的接地电阻可利用下 式计算 r 。= 口l 疋 ( 3 3 ) 铲c 3 h 去- o 2 ，荨 耻o 2 1 3 芳( 1 埘+ 轰( 1 1 1 嘉铷) 曰。i 趸1 0s 式中：r n 任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，q ； r r 等值( 即等面积、等水平接地极总长度) 方形接地网的接地电 s 接地网的总面积，m ? ； d 水平接地极的直径或等效直径，m ； h 水平接地极的埋设深度，m ； i 广接地网的外缘边线总长度，m ； i 水平接地极的总长度，m 。 a 4 人工接地极工频接地电阻的简易计算，可采用表3 2 所列公式。 1 0 浙江大学工学硕士学位论文 表3 - 2 人工接地极工频接地电阻( q ) 简易计算式 接地极型式简易计算式 垂直式r o 3p 单根水平式 r 0 0 3p r 0 5 堡：0 2 8 - ； _ s r 复合式 或 ( 接地网) r 坚名+ 旦：旦+ 旦 40sl4 rl 注1 垂直式为长度3 m 左右的接地极； 2 单根水平式为长度6 0 m 左右的接地极； 3复合式中，s 为大于1 0 0 m 2 的闭合接地网的面积；r 为与接地网面积 s 等值的圆的半径，即等效半径，m 。 我国在s d j 8 电力设备接地设计技术规程【l l 】中对部分电力系统电气设备 接地电阻合格值有明确的规定，如表3 3 所示，用它可作为埋设接地装置时检查 接地电阻是否合格的依据。 表3 - 3 接地阻的合格值 名称接地装置使用特点接地电阻 备注 合格值 ( q ) l k v 及以上接地接地装置仅用于该系统 0 5 电流系统 l k v 及以上小接接地装置仅用于该系统1 0 地电流系统 接地装置与l k v 以下系统共用 1 0 l k v 及以下的直接地装置与总容量在1 0 0 k v a 4 相应的重复接地电 接地与非直接接以上的发电机或变压器相连阻小于等于1 0 q 地系统接地装置与总容量在1 0 0 姚a1 0相应的重复接地电 以下的发电机或变压器相连 阻小于等于3 0 q 浙江大学工学硕士学位论文 3 1 2 跨步电压 接地短路( 故障) 电流流过接地装置时，地面上水平距离为o 8 m 的两点间的 电位差，称为跨步电压差。接地网外的地面上水平距离0 8 m 处对接地网边缘接 地极的电位差，称为最大跨步电压差。 跨步电压的大小与两脚跨距、人体与接地体之间的距离有关。跨距越大，跨 步电压就越大。当人的一脚踩在接地体上、另一之脚远离时，跨步电压有最大值： 当两脚同时踩在接地体或远离电流入地点时，跨步电压趋于零。一般取人的跨距 为o 8 m 计算跨步电压。 这里还应该提到接触电压，其定义为：在地面上离设备水平距离为0 8 m 处 与设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1 8 m 处两点间的电位差，实际工程 中应该校核，鉴于接触电压一般比较容易采取措施满足且为了研究方便，故作简 化处理，这里着重以跨步电压来评价接地性能。 在电力行业标准交流电气装置的接地中，对跨步电位差进行了如下的规 定： a ) 在1 1 0 k v 及以上有效接地系统和6 3 5 k v 低电阻接地系统发生单相接地 或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超 过下列数值 ，t1 7 4 七0 7 p f 玑= 百旦 ( 3 4 ) p 卜人脚站立处地表面的土壤电阻率，q m ； 卜接地短路( 故障) 电流的持续时间，s 。 b ) 3 - - 6 6 k v 不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障 后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电 位差不应超过下列数值 玑= 5 0 + 0 2 p i ( 3 5 ) 1 2 浙江大学工学硕士学位论文 3 2 影响接地性能的因素 构成接地系统的水平接地体主要有扁钢、圆钢、铜铰线等；垂直接地体主要 有角钢、铜棒、深井接地极等。另外，还有土壤、导电介质( 包括降阻材料) 等 等，根据目前的研究，影响接地网接地电阻和跨步电压的因素有很多，如土壤状 况、接地网面积、接地体的类型、接地网格的大小等等。 3 2 1 影响接地电阻的因素分析 由d l t6 2 1 1 9 9 7 标准中人工复合接地网的简易计算式r = 0 5 p 4 - ；，接地 网的接地电阻近似与其面积的开方成反比，与所在处的土壤电阻率成正比。因此 接地网面积和土壤电阻率是影响接地电阻的最主要的因素。 除此以外，垂直接地极，尤其是长垂直接地极( 深井) 对接地电阻的影响还 是比较明显的【5 1 。文献研究资料表明垂直接地极可以降低冲击电阻，而加密垂直 接地极效能不明显，最多可降阻2 0 o , , , 8 4 2 1 。 接地装置的接地电阻包括接地体金属电阻和接地体散流电阻两部分，选用不 同的接地材质对金属电阻会产生不同的影响，但是金属电阻只占总接地电阻的 2 ，由此，接地体的材质对接地电阻的影响很小。 文献 3 5 】对接地体直径和接地电阻的关系作了研究，结果表明：接地电阻随 着接地体直径的加大而下降，下降趋势逐渐趋向平缓。另外，该文献还得出一个 结论，接地网埋设越深，接地电阻越小。当接地网的埋设深度达到一定时，接地 电阻减小趋缓。 3 2 2 影响跨步电压的因素分析 由d l t6 2 1 1 9 9 7 标准等间距布置的跨步计算公式如下： 最大跨步电位差u s m a x = k s m a x u g 式中：u g _ 吨地装置的电位，v ； 鼬m a x 最大跨步电位差系数。 正方形接地网的最大跨步电位差系数可按下式计算 g x i ) l x 0 s 一口2 ) h 篇i n 警 1 3 浙江大学工学硕士学位论文 口2 - o 3 5 ( 孚) l i l 4 ( 争 夕= 0 1 4 n 而t - - - - o 8 m ，即跨步距离。 对于矩形接地网，n 值由下式计算 脚( 丢) ( 击) l ，2 从各系数中能够看到，最大跨步电位差和等效直径、埋深、形状、网孔数都 有关。 对大型地网，采用长孔地网对跨步电压校验明显不利，很容易造成地网局部 地电位升高，采用方孔地网就能明显改善，说明网孔的形状对跨步影响比较大。 根据地网散流的特点，不等间距地网使故障电流分布均匀，有效降低接触和跨步 电势 4 1 。地网的四角做成r = d 2 弧型，能比较显著地减小接地网外直角处的跨 步电压，在变电所的进、出口处，埋设帽檐形辅助均压带，可使跨步电压下降2 0 4 0 ，改善这些地面上的电位分布；也可结合道路的施工，采用高电阻率的路面 作为安全措施。 长垂直接地极对于降低接触电位和跨步电位差具有非常显著的作用。长垂直 极的引入，降低了地电位升，而接触及跨步电位差均与之有着直接的关系隋1 。 3 3 山体对接地的影响 接地系统性能指标受3 2 节描述的各因素影响，这是科学工作者多年研究的 成果，并越来越为更多的人所接受，随着科学技术的进步，接地难题的不断出现， 地形的因素开始得到重视，近年来山地变电站的大量出现，变电站接地问题也随 之突出。一方面由于土壤电阻率升高了，另一方面，地形因素也在当中起了一定 的作用，让我们分析山体对接地的影响。 1 4 浙江大学工学硕士学位论文 3 3 1 接地计算模型 假设有一个与地面齐平的半球型接地体( 图3 3 ) ，半径为a ，注入电流为i ， 则有 离开球心为r 处的土壤电流密度为万= 7 吾7 ： 半球型接地体电位驴p 办2 户p 办可苁；口d 一 。 故接地电阻r = v i = l ； 己瓦a 3 3 2 山体对接地的影响 图3 3 现改变土壤的形状，便得两边的部分土壤为至气代替( 图3 - 4 ) ，则有： 离开球心为r 处的土壤电流密度等于电流i 除以表面积，因为周围部分土壤 为空气代替，散流面不再是半球面，设比平地情况( 图3 3 ) 减少表面积为s ，则 电流密度为万= 虿i i 丁芦； 半球型接地体电位v _ 。e 办= 。 艿 p o d r i - 。p - ，- 。； 故接地电阻r = v i = r ； z 刀口 图3 4 通过计算，可以得出，接地电阻r 比r 大，由此可以推想到，山体对接地 电阻有一定的影响。 1 5 浙江大学工学硕士学位论文 由于电流沿山体的分布和平地情况不同，导致了地电位分布的不同，因而也 可以推想到跨步电压发生了变化。 3 4 本章小结 接地电阻和跨步电压作为反映接地性能的重要指标，分别又受到不同的外部 或内部条件的影响。 从内部条件看，接地体自身在一定程度上影响着接地系统的电阻或跨步电 压。其中，水平接地体主要在降低工频接地电阻上有一定的作用，短垂直接地体 对降低冲击电阻有帮助，但对降低接地电阻、减少跨步电压也是有限的。接地的 选材对改善接地性能影响不大，但接地体的网格对接地系统的均压和跨步特性影 响较大。接地网埋设的深度加深，则可减少接地电阻。采用长垂直接地极，能够 降低电阻，并改善电流分布，减少跨步电压。 外部条件的制约，主要是土壤电阻率，其次就是接地网的面积，对于山顶变 电站接地，有着其独特的一面：由于向地心的散流并不能象平地情况下的均匀散 射，故接地系统的接地电阻和跨步电压等性能均会发生变化。 1 6 浙江大学工学硕士学位论文 第四章接地系统的计算和分析方法 4 1 几种数值计算方法 自1 9 7 2 年以来，国内外学者对接地系统接地参数的数值计算进行了大量研 究，将各种数值计算方法应用到接地参数的计算中来。如早期出现的有限差分法、 有限元法、模拟电荷【1 0 1 、边界元法、矩量法，9 0 年代后出现的基数镜象法、复 镜象法【3 9 ，4 3 1 、对称复镜象法m 】。其中，模拟电荷法和边界元法适合于处理无穷边 界的电磁场，而差分法和有限元法适合于处理有限区域的电磁场，矩量法适合于 分析金属构架周围的电磁场，但难以处理介质部均匀的情形。复镜象法适用于多 层大地模型中任意结构接地网的模拟，但在分析大型接地网时采用对称复镜象则 可大大减少计算量。 变电站接地网的接地参数由于受到接地网形状和大地结构等因素的影响，很 难得到解析解。采用数值计算方法，能够比较全面考虑地网的实际结构及故障电 流流散的实际情况，既考虑到地网不同部分导体散流的非均匀性，对于任意复杂 接地网都能得到比较精确的计算结果；同时也使技术可行的前提下，对地网设计 的方案进行经济比较成为可能，解决了采用经验公式进行计算中的许多问题。 接地系统的数值计算方法是接地系统分析设计的基础，数值计算方法一般是 基于恒流场的理论，即当直流或交流电流流经接地系统时，根据恒定电流场的理 论，任一点电位满足拉普斯方程，基本原理是将接地系统剖分，求出通过每段导 体的电流。可以证明地中和电极的表面任意点的电位是电极每一线段独立在该点 产生的电位之和。因此可将复杂的接地电极分为许多线性微段来进行计算 各种数值计算方法的不同点及其改进方法，主要在于求解电阻系数与沿接地 系统泄漏电流分布的计算精度、计算繁杂程度、计算时间的长度及占用计算机内 存的大小等方面的差别。目前随着计算机的发展，计算速度及占有内存的大小己 经不再是数值计算所要考虑的因素，数值计算方法则更多的向计算精度、与实际 情况的吻合程度等方面进行改进。 1 7 浙江大学工学硕士学位论文 4 2 仿真计算软件c d e g s 目前在国内，变电站接地网的设计主要是依据文献【1 】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) 的接地电阻可以用此解 析公式计算。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，如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 ，可以 对接地网性能进行分析；还有国际著名的接地系统辅助设计工具c l l 砌t d i s t r i b u t i o n e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e g r o u n d i n g a n ds o i ls 仃u c t u r e a n a l y s i s ( c d e g s ) ，它是目前世界上电磁仿真方面功能最强的系统之一，可在正 常、故障、雷电、暂态条件下，计算地上或地下任意位置的带电导线及其网状结 构产生的接地电位、导线电位和电磁场，还可为简单或复杂的土壤结构中的各种 导线建立计算模型。m a l z 子模块是进行频域接地分析的软件，它可以方便准确 地确定地下导线产生的泄漏电流、地电位、电场和磁场，具有较高的计算精确度 和模拟真实度，因而仿真结果有较高的可信度。 c d e g s 计算软件是由d a w a l i b i 创立s e s 公司研制的接地网参数计算软件， c d e g s 已在世界各国广泛应用，该软件不仅能比较精确地计算各种地网接地对 数，同时也考虑了土壤分层的情况，能对分层土壤中的地网接地参数进行比较精 确的计算。本文主要采用c d e g s 进行仿真计算。 4 3 标准接地网的几种方法的计算结果比较 4 3 1 计算条件 接地网面积为1 0 0 1 0 0 平方米，网格大小为1 0 * 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。 4 3 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4 1 所示。 浙江大学工学硕士学位论文 表4 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 c d e g s 的 土壤电阻率解析式( q ) c d e g s 的m a l z 模块m a l z 模块 ( q m )( q ) ( 华北电力 m a l t 模( q )( q ) 块( q )中心点电流次顶角电流 大学) 注入注入 5 0 0 2 2 90 2 2 60 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 4l 3 5 5 1 3 5 51 3 5 5 1 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 1 3 1 6 23 1 6 2 1 0 0 04 5 8 0 4 5 1 7 4 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 4 3 3 最大跨步电压比较 采用不同计算方法的最大跨步电压计算结果如表4 2 所示。 表4 - 2 不同计算方法的跨步电压计算结果比较 土壤电 规程 文献 分析软件 c d e g s 的 c d e g s 的m a l z c d e g s 的 阻率 公式 接地技术 ( v ) m a l t 模块 模块( v ) m a l z ( 华北电中心点电流 模块( v ) ( q 啊)( v )解广润著( v )次顶角电流 力大学)注入 注入 5 01 9 11 8 81 7 31 7 2 3 21 7 2 3 91 7 3 2 8 1 5 05 7 25 6 25 2 05 1 6 9 75 1 7 3 05 1 8 1 7 3 0 01 1 4 31 1 2 51 0 4 01 0 3 3 9 41 0 3 4 6 71 0 3 5 6 2 5 0 01 9 0 61 8 7 51 7 3 31 7 2 3 2 31 7 2 4 5 01 7 2 8 。5 8 7 0 02 6 6 8 2 6 2 52 4 2 6 2 4 1 2 5 3 2 4 1 4 3 2 2 4 1 5 5 5 l 0 0 03 8 1 13 7 5 03 4 6 63 4 4 6 4 73 4 4 9 0 53 4 5 0 5 0 1 5 0 05 7 1 75 6 2 45 1 9 95 1 6 9 7 15 1 7 3 6 l5 1 7 5 4 2 2 0 0 07 6 2 3 7 4 9 96 9 3 26 8 9 2 9 46 8 9 8 1 76 9 0 0 3 4 由表4 1 和表禾2 的计算结果，采用c d e g s 软件的计算结果与规程公式和 文献接地技术中的相关计算结果有一定差距，但与华北电力大学的相关分析 软件的计算结果完全相一致。考虑规程公式是源自经验法的修正，文献接地技 术中采用的也是比较粗略的近似计算，而华北电力大学的相关分析软件采用的 是精确的数值计算方法，因此，后者的计算结果应该较前两种方法更为精确。 综上所述，本报告采用c d e g s 软件作为分析工具是可靠的。 1 9 浙江大学工学硕士学位论文 第五章c d e g s 分析山体形状改变对山顶变电站接地影响 在实际工程中，有时需要在山顶处建设发、变电站，而这些发、变电站的接 地系统设计施工往往是工程中的难点。与此同时，电力系统的线路经常穿越各种 不同的复杂地形，在多山地区往往需要在山顶处架设杆塔，而山顶杆塔接地系统 的设计往往也是工程难关之一。以往，对于高土壤电阻率的山顶，人们会充分考 虑山体的高电阻率对接地装置接地电阻的影响，但对于山体形状会对这些接地系 统性能产生多大影响的问题，则一直都被国内外的设计施工者以及研究人员所忽 略，这为实际工程的设计施工带来了一定的不确定因素。为了解决上述问题，我 们使用c d e g s 软件专门对上述问题进行了建模仿真分析，分别从山体的高度、 坡度和接地系统与山体边缘的距离对接地系统的接地性能影响三个方面进行了 探讨，总结出了一系列的结论，对于实际工程设计施工有着很好的指导意义。 5 1 山地高度与接地电阻的关系探索 土壤电阻率对接地电阻影响很大，在做接地设计时需要准确的土壤电阻率 值。对于地理地貌比较特殊的区域很难准确的计算，使得接地网的设计接地电阻 值与实际值偏差较大。近阶段很多的研究表明，土壤电阻率、土壤分层、降阻方 法与接地电阻值有密切关系，前辈们对不同土壤电阻率与接地电阻间的关系作了 许多系统分析与研究，但是对于相同土壤电阻率不同地形、地貌接地电阻的系统 研究和理论分析较少。本报告采用加拿大s e s 公司的c d e g s 接地分析软件，建 立高于平地的土壤模型，探索接地网建设位置高于平面时接地电阻的差异，为在 类似区域内建设接地网提供计算依据。 5 1 1 不同高度山体平台模型对单一水平接地体性能的影响 在不同的山体平台模型中敷设一根长度为1 0 0 m 的水平接地体，材料为镀锌 扁钢，敷设深度0 8 m ，接地体等效直径0 0 5 m 。土壤模型：顶面边长