不同土壤结构的牵引变电所接地系统设计

丁 峰

0 前言

牵引变电所接地是维护牵引供电系统正常运行，保障设备及人身安全，防止雷电及静电危害等必不可少的措施。根据（TB10009-2005）中相关规定，牵引变电所接地电阻值不应大于0.5 Ω（当流经接地装置的入地短路电流≥4 000 A 时），在特殊条件下，接地电阻值可提高到5 Ω[1]。然而，在处于高土壤电阻率地区且地网面积受限的牵引变电所，尽管采取了相关措施，也很难达到要求；即使采取措施使接地电阻满足了要求，也不能完全排除接触电势及跨步电势的危险，甚至处于技术经济均不合理的境地[2，3]。为保障供电系统的安全可靠运行、保障操作人员的人身安全及变配电设备的安全，需要针对不同的地区、不同的土壤结构进行科学分析，合理设计，从而设计出满足安全运行要求的地网[4～6]。

由加拿大SES 公司开发的CDEGS 软件具有对土壤结构及接地系统进行分析计算的功能。本文利用CDEGS 软件，通过对不同实测土壤电阻率的分析，模拟得出不同的土壤结构模型，并根据该模型制定相应的地网结构及进行仿真计算，以更准确地评估地网性能，从而满足牵引供电系统的安全运行要求。该方法及思路可为牵引供电系统的接地设计提供借鉴。

1 接地系统设计

对于牵引变电所接地网，在以往的设计中常存在一种误区，即过渡强调接地电阻值应不大于0.5 Ω，片面地认为变电所接地电阻只要做到小于0.5 Ω即可满足接地设计要求；为了达到小接地电阻，甚至耗费极大的物力、财力。随着国内高速铁路的快速发展及与之配套的220 kV、330 kV 外电系统的接入，入地故障电流也随之不断增大，为确保人身及设备安全，维护供电系统的可靠运行，仅靠降低接地电阻来保障安全已变得越来越困难，尤其是高土壤电阻率地区。

对牵引变电所而言，其接地的主要目的是为了在正常和事故状态以及在所内遭受雷击的情况下，利用大地作为导流回路，将所内设备接地处的电位钳制在允许的安全范围之内。若所内地网设计不合理，在某些情况下，变电所接地电阻即使很低，在发生接地故障时，仍可能出现很高的电位梯度，给运行人员和设备带来危险[3]。因此，牵引变电所的接地设计，除满足小接地电阻的要求外，还应综合考虑接触电势和跨步电势的要求，即接地系统的设计应整体考虑，根据不同的土壤结构制定出不同的接地方式，以达到均衡接地[2]的目的。

接地设计的先决条件是应知道决定地中电流分布规律的牵引变电所所址所在地的土壤电阻率。由于土壤电阻率是由大地的地质结构所决定，随着地质结构的变化其常常表现出不均匀性，即变化范围很大。从现场测得的数据来看，在同一区域，随着地层的不同，土壤电阻率的变化范围在几十到上千Ω·m，因此，在工程设计中应对各实测的土壤电阻率数据进行系统的分析、处理，以确定牵引变电所所址处的大地结构等效土壤模型，并针对该结构模型进行相应的地网计算、设计，从而达到经济、合理的接地设计目的。

2 工程应用分析

2.1 工程实例1

某新建电气化铁路拟建牵引变电所，根据现场实测土壤电阻率数据，运用CDEGS 软件对牵引变电所土壤结构进行分析，结果如图1 所示。

图1 实例1 变电所土壤结构分析曲线图

由分析结果可见，该所土壤结构可大致分为4层；拟合曲线显示，其土壤电阻率值根据地层由浅入深依次呈递增趋势。据此土壤结构分别作地网导体等距分布及不等距分布2 种方案。

（1）等距分布方案。地网水平接地体采用等距离布置，边缘处设置垂直接地体。对该结构地网作仿真计算，得变电所接地电阻值2.270 9 Ω（＞0.5 Ω），另所内接触电势、跨步电势计算结果见图2和图3。

由图2 及图3 见，变电所接触电势及跨步电势峰值均出现在地网边缘处；根据二维等高线图，所内跨步电势满足要求，但接触电势无法满足安全运行需要。

图2 接地体等距分布接触电势二维等高线图

图3 接地体等距分布跨步电势二维等高线图

（2）不等距分布方案。地网水平接地体采用边缘密集、中部稀松布置方式，且仍在地网边缘处设置垂直接地体。根据仿真结果，变电所接地电阻值2.265 0 Ω（＞0.5 Ω），其接触电势、跨步电势见图4 和图5。

由图4 和图5 可见，采用导体不等距分布方案后，变电所接地电阻值虽变化不大，但地网接触电势性能明显优于等距分布地网，已基本能满足安全运行要求。

图4 接地体不等距分布接触电势二维等高线图

图5 接地体不等距分布跨步电势二维等高线图

2.2 工程实例2

另新建电气化铁路牵引变电所，根据实测土壤电阻率得牵引变电所土壤结构如图6。

图6 实例2 变电所土壤结构分析曲线图

图6 显示，本所土壤电阻率值由浅入深依次递减。作等距分布及不等距分布地网仿真，分析如下。

（1）等距分布方案。根据仿真计算，变电所接地电阻值0.432 58 Ω（＜0.5 Ω）。所内接触电势、跨步电势结果如图7 及图8。由各仿真结果可知，采用等距分布方案设置地网，接地系统各项指标可满足安全运行要求。

图7 接地体等距分布接触电势三维视图

图8 接地体等距分布跨步电势三维视图

（2）不等距分布方案。对不等距分布方案进行仿真计算，得变电所接地电阻值为0.436 15 Ω（＜0.5 Ω）。所内接触电势、跨步电势结果见图9和图10。

图9 接地体不等距分布接触电势三维视图

图10 接地体不等距分布跨步电势三维视图

由上述各图可见，采用导体不等距分布方案亦可满足安全运行要求，但与等距分布方案相比，不等距分布方案地网接触电势及跨步电势值较高。

2.3 仿真结果分析

根据上述仿真结果可见，牵引变电所接地，在无其他降阻措施时，其地网面积一经确定，则接地电阻值就已基本确定，地网结构及导体数量的变化对减小接地电阻值作用极小（实例1 中地电阻值由2.270 9 Ω降至2.265 0 Ω仅变化了0.26%），故对于高土壤电阻率地区接地系统的设计，应从均衡电位入手，统一考虑接地电阻、接触电势及跨步电势，进行整体设计，以使接地设计经济、合理，并满足安全运行要求。

另对变电所内接触电势及跨步电势而言，由于最大跨步电势安全门槛值常高于接触电势，因此满足了所区内接触电势的安全要求，也即可满足跨步电势的安全要求；仿真结果亦显示，与接触电势相比，跨步电势的安全要求通常较易满足。

此外，根据仿真结果，对于不同土壤结构、不同电阻率分布地区的接地设计，应考虑以下2 个方面：

（1）当表层土壤电阻率小于深层土壤电阻率时，应在接地网边缘区放置较多的导体，以减小接触电势及跨步电势，达到均衡接地。

（2）当表层土壤电阻率大于深层土壤电阻率时，接地网内导体应均匀布置，以使地网达到最佳效果。

3 结束语

牵引变电所接地系统是否能够满足安全运行要求，技术经济指标是否合理，取决于地网设计方法的正确性。对接地系统的设计，应结合工程具体情况整体考虑，既应避免仅从理论出发，脱离实际，也应避免只简单注重低接地电阻，而忽视对地电位分布的分析；系统设计应从实际出发，根据工程实施地区的土壤结构状况，具体分析，具体设计，做到安全可靠，技术先进，经济合理，从而达到均衡电位接地，满足安全运营的需要。

[1] TB 10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] 邹建明.大型地网接地技术的研究[D].浙江大学，2003.

[3] 陈先禄，刘渝根，黄勇.接地[M].重庆大学出版社，2002.

[4] 黄玲珍.高速铁路牵引变电所接地系统影响因素的研究[J].电气化铁道，2009，（4）.

[5] 徐华，文习山，黄玲.大型变电站接地网的优化设计[J].高电压技术，2005，（12）.

[6] 刘荣洲，刘力，陶相普.多层土壤接地系统设计的简化和综合[J].广西电力，2006，（5）.