基于CDEGS仿真计算的变电站接地系统设计

张景翯

（国网山东省电力公司经济技术研究院，济南　250021）

基于CDEGS仿真计算的变电站接地系统设计

张景翯

（国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021）

随着接地技术研究的不断深入，接地系统各项指标参数的计算也变得越来越精确。基于CDEGS软件系统中的各个模块对典型变电站接地网设计工作进行整合。首先运用其中RESAP模块的功能对土壤视在电阻率与测量间距之间的关系进行分析计算，建立拟建址地的土壤实际分层结构模型；其次运用FCDIST模块计算故障电流在接地系统以及接入其中的架空地线或者中性线间的分布情况；最后运用MALZ模块对变电站接地系统的安全性进行分析，对各项因素对地表跨步电压分布的影响进行模拟。最终确定该变电站接地网的设计方案，并结合建成的接地网实测接地电阻反演校验仿真计算的准确性。

接地网；故障电流；地电位升高；跨步及接触电位差；安全性评估

0　引言

近年来随着用电负荷的不断增加，系统容量不断增大，导致流经地网的短路电流也愈来愈大；电网覆盖范围的扩大，促使电网规模不断复杂化，电网不可抗因素引发的事故量愈来愈多；随着西电东送、绿色能源发展，超、特高压迅猛发展，远距离输电对电力网安全要求愈来愈高。为了最大程度保证电网、人身、设备的安全，除了提高电网设计、施工、操作人员的专业技能，增强电力设备生产环节质量的监管，及时针对各种危险因素的预警防范，尽量减少发生各种短路事故。同时还需正视接地系统的重要性，在事故发生后，保证人身安全，降低设备损失。

1　接地设计研究现状

变电站接地系统设计中涉及的理论研究目前均已比较成熟，但将先进的理论研究应用于工程实际中仍有相当的难度。首先，因不同工程实地环境因素复杂，很难全面考虑各种因素对接地系统造成的影响；其次，理论研究对影响因素大多都给出了解决方法，但相对工程量大，工期紧张，详细的分析研究耗费时间过长；第三，工程中常采用现有国家标准及设计手册［1-3］给出的计算方法，该方法均是对详细理论的理想简化，计算结果会有一定误差，对超高压或枢纽变电站而言，计算误差会带来许多额外的工作量，采用成熟的软件进行仿真计算和辅助设计是必要的。

接地网设计辅助软件中，CDEGS能够分析各种电磁场问题。基于CDEGS软件包进行接地系统的设计与分析按照以下步骤进行。

1）结合工程实际情况，了解站址区域地质情况及该站在系统中的地位，掌握对侧站及线路架设情况。

2）进行站址区域的土壤电阻测量，并对测量结果整理分析。

3）根据土壤电阻实测值，建立土壤模型，选取最能反映真实土壤情况的分层模型。

4）根据系统短路电流情况，线路分流情况等具体分析该变电站的最大入地故障电流。

5）估算接地电阻值，并结合最大入地电流选择接地系统导体材质、截面等。

6）绘制接地系统设计图，通过多方案比选优化，仿真计算出接地系统的各指标参数值。

7）通过对接地电阻、接触电位差和跨步电位差允许值和计算结果进行比较，如超出阀值，需采取相应措施，如水平或竖直延伸接地网，调整水平接地体布置密度和垂直接地体数量及长度，根据地质特点打深井、采用爆破技术或填充降阻剂甚至更换土壤等措施［4］。

8）测量接地电阻实际值，通过实测值与计算值比较，校验前4步是否存在问题，如有较大误差，需返回前面相应步骤解决误差来源，如涉及安全性差异，需采取相应补救措施。

依照常规500 kV变电站设计方案（站区长约为230 m，宽为140 m），主要就土壤模型建立、变电站入地故障电流计算、变电站接地系统模型建立、安全评估、接地网接地电阻测量5个主要方面进行阐述。

2　土壤模型建立

对站址土壤进行实测，测线位置如图1所示。

图1　测线位置示意图

计算站址区对角线长度约为270 m，按照上图中测线1～6进行土壤电阻率测量。测量结果如表1所示。

表1　土壤电阻测量结果　Ω

该站位于地理位置相对平坦的郊区，附近地上无架空线路，地下无管道、电缆等。结合站址情况分析以上测量结果，在不同测线位置相同极间距的测量值基本相同，可排除干扰因素［5-6］。针对上述6条测线测量结果，可进行取数据平均值处理，求出各电极间距对应平均土壤电阻率。运用CDEGS中RESAP模块，自动决定土壤层数功能来获得等效的土壤模型。如图2所示。

通过测量数据形成的图案和计算的电阻率曲线可以说明该站址区域土壤层的特点：电阻率大小中等的顶层，对应测量间距≤1 m；顶层之下是电阻率非常高的第二层，间距为1～30 m；第三层电阻率小于第二层，这是因为测量间距在30 m后，测量电阻率小于第二层；底层所对应的曲线在间距非常大时的测量平缓部分，即使测量曲线没有延伸到足够远以真实的显示这一部分，仍可将其用在分析中。

图2　自动决定土壤层数的运算结果

更改土壤类型界面中土壤层数为自定义三层，进行优化计算得到的土壤模型如图3所示。

图3　定义三层土壤的运算结果

可见三层土壤模型的土壤电阻计算值与测量值误差为7.67%，仍可如实反应土壤情况，为简化后续计算，选择该站址土壤模型如表2。

表2　500 kV变电站站址土壤模型

3　变电站入地故障电流计算

根据系统远景规划，绘制变电站接线示意图，如图4所示。

电厂线或确定对侧站负荷流入本站的线路将对变电站故障提供贡献电流，依据双侧消去法理论分析［7-10］，确定这些线路的相关参数，包括线路总长度，档距、杆塔接地电阻、杆塔高度、导地线对地相对位置等。

运用FCDIST模块对线路依次定义，并填写各参数，完成后运行便可计算各条线路故障电流在各杆塔上的分路电流及变电站内入地电流。最终计算得出，入地电流幅值为13 368 A。

图4　500 kV远景接线示意

接地网入地电流的大小直接影响到接地材料及接地装置截面的选择，同时对地电位升高、接触电位差及跨步电位差的计算带来较大影响。

4　变电站接地系统模型建立

4.1接地材料选取

结合国家标准及企业标准规定［11-12］，接地装置材料主要依据站区地质勘测报告中站址区地下水类型及深度、地下水对混凝土结构及钢筋的腐蚀强度选择。该变电站地质报告中地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀强度为中度，对混凝土结构的腐蚀强度为微弱，且不涉及室内或地下站，可选用热镀锌钢、铜覆钢或铜质，分别计算接地装置导体的最小截面，结果如表3所示。表中：Ig为入地电流；Sg为导体截面积；C为导体热稳定系数；te为故障消除时间，取0.5 s。满足公式。

表3　接地装置导体最小截面计算值

考虑变电站在设计使用年限内导体的腐蚀总量，热镀锌钢腐蚀速率按0.065 mm/a，铜覆钢、铜质均按铜的腐蚀速率0.003 mm/a计算。户外变电站接地材料使用寿命达到40年，故应计算接地网40年腐蚀总厚度选择导体最小截面。热镀锌钢使用寿命内腐蚀总厚度为2.6 mm，铜覆钢、铜使用寿命内腐蚀总厚度为0.12 mm。

铜作为国内外常用的接地网材料，具有耐腐蚀性强，电气性能良好，后期少维护，性能稳定且在土壤电阻率低的地方，用铜材接地网降低接地电阻效果明显等优点。该变电站为500 kV变电站，属于地区枢纽变电站，减少因地网检修、更换带来一系列不必要的损失显得尤为重要，且考虑到拟建站址区地下水呈弱碱性，pH值为7.3，本工程采用40 mm×4 mm的铜作为主接地网。

4.2利用SESCAD绘制变电站接地网

运用SESCAD模块绘制变电站接地网，初步方案为：接地网埋设深度为0.8 m；水平接地网为24+15根，即导体间距折合等间距为10 m；接地网边缘、主要设备区引下处网格焦点，设置2.5 m长垂直接地极。

计算接地电阻为0.333 3 Ω，分析地电位升高、接触和跨步电位差最大值如表4所示。

表4　接地网性能参数计算值

4.3各参量允许值计算

1）本变电站接地电阻允许最大值为

2 000/Ig=2 000/13 368=0.15（Ω）2）通过对故障消除时间的选取，500 kV变电站一般不大于0.5 s，同时对有无表层高电阻材料等进行设置，可利用MALZ模块的安全阀值计算功能，计算安全的接触电位差和跨步电位差允许值。计算结果如表5所示。

表5　允许接触、跨步电位差

4.2节的接地方案接触电位差与表5允许值比较，无法确保人身安全，需对设计方案优化。

4.4布置优化方案

主接地网优化设计方案为：接地网埋设深度为0.8 m；综合作用效果及投资成本水平接地网为30+ 20根，即等间距布置情况下导体间距约7.5 m开展设计；接地网边缘及主要设备区引下处网格焦点，设置2.5 m长垂直接地极。根据征地红线，适当扩大接触网面积，每边扩大1 m。接地网方案如图5所示。

图5　接地系统设计方案

根据该主接地网设计方案，运用CDEGS的MALZ模块，计算接地电阻为0.331 6 Ω，分析地电位升高、接触和跨步电位差如图6～8。

图6　接地系统地电位升高分布

图7　接地系统接触电位差分布

图8　接地系统跨步电位差分布

优化后，不等间距接地网较优化前接地电阻及地电位升高有一定降低，接触电位差、跨步电位差显著降低，接触电位差降低约42.1%，跨步电位差降低约55.9%，安全性能得到大大改善。如表6所示。

表6　接地系统电气性能参数比较

5　安全评估

接地网接地电阻R=0.331 6 Ω，不满足小于0.15 Ω的要求。因此，需验算接触电位差和跨步电位差。

变电站内地面无高阻层时，跨步电位差可以满足要求，但接触电位差仍有大面积不满足要求，如图9所示，有色区域均超出允许值。

图9　无高阻表层时接触电位差数值分析

考虑表层增加碎石或高阻瓷砖等措施，即采用表层电阻率1 000 Ω·m时的允许接触电位差值为348.2 V，高于284 V，经校验满足安全要求。

6　接地电阻测量

接地系统的设计需要上述大量的数据支撑及复杂的仿真计算，设计的准确与否直接关系到接地系统的性能，接地电阻的测量可以用来衡量设计的接地系统是否达到预期值。按照我国现行的变电站检修规程规定，接地电阻测量是一个持续的，周期性的工作。

接地电阻测量结果的准确性是一个至关重要的问题。采用有效的测量方法、排除周围环境因素干扰、对测量结果进行校正都是确保测量结果准确的有效手段。目前常采用的有：采用大电流测量从而降低噪声干扰程度［13］；使用45～55 Hz不等的非工频电源信号多次测量，消除工频信号对地网的干扰；通过控制电压、电流极间角度，测量后进行校正消除两极引线互感产生的误差等方法来提高测量的准确度［14］。

对该变电站进行投运后接地电阻测量，采用变频电源消除干扰信号，测量得到的接地网接地电阻为0.323 9 Ω，与计算值0.331 6 Ω相比较，误差仅为-2%。

可见，所设计的500 kV变电站接地系统采集的各种资料均接近工程实际情况，计算的各项参数结果及安全性评估结果均有参考价值。

7　结语

结合一个500 kV变电站，对变电站接地系统设计做了系统的研究，分析单层土壤模型的缺陷，并从土壤电阻率测量入手，保证站区土壤电阻率测量的准确性，为后续工作打下坚实基础。利用CDEGS中RESAP模块对实测值进行仿真计算，构建合理、真实的土壤模型；考虑到系统短路电流日益增大，精确分析接地网入地故障电流的大小变得尤为重要。采用CDEGS中FCDIST模块搭建系统模型仿真分析；依据土壤模型及接地网入地故障电流，进行接地系统设计，并参照仿真结果进行优化，最终得出了满足安全性要求的500 kV变电站接地网布置方式及安全措施。并于变电站建成后的接地电阻测量值校验设计方案准确性。

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Grounding System Design Based on Simulation of CDEGS in Substations

ZHANG Jinghe
（Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

With the development of grounding technique，parameters calculation of the substation grounding system become more and more precise.The design of grounding system is integrated based on modules of CDEGS software system.Firstly，the soil texture of proposed substation is modeled with the RESAP module.Secondly，distributions of fault current in the grounding system and the overhead earth wire which accessed to the grounding system or neutral point wire are calculated by using the FCDIST module.Thirdly，the security of grounding system is analyzed，and the variation of step voltage with the factors transformation is simulated using the MALZ module.Finally，the final design proposal is confirmed，and the accuracy of simulation is verified by the actual testing of ground resistance.

grounding grid；fault current；ground potential rise；touch and step voltages；safety evaluation

·专题论述·

TM63；TM862

A

1007-9904（2015）09-0014-05

2015-07-13

张景翯（1986），女，从事电气一次设计工作。