复杂地理条件下接地网的优化技术

刘晓

【摘 要】本文研究分析垂直双层土壤中大型变电站接地网，采用一种精确的目标函数，它是以接地网内最大接触电压为参数，计算出科学的设计大型接地网方法，另外，使用CDEGS 软件分析优化前后的对接地网安全参数，其分析结果表明该方法有很多的优点：泄漏电流密度分布得到进一步完善。以前边缘导体的泄漏电流密度非常的大，大概是中间导体的4倍，现在两者的差别不是很多；地表电位分布梯度明显的降低，以前其数值最大，并且均匀度小于百分之八十五，现在地表电位分布梯度降低了很多，均匀度在百分之九十二到百分之九十捌之间；接触电压和接地电阻的接地参数得到进一步完善，使得它们在在地表面上的分布更加的合理。

【关键词】接地网，优化，仿真

1.引言

由于现代生活方式的变化与发展，人们对于电气的使用在不断扩展，那么，电力系统的容量必然要扩大，也意味着接地网所承载的入地短路电流也在逐渐加大。以前，人们对于电力的安全意识不是很全面，只是将注意力放在接地电阻上，这种传统观念已经不能适应当今电力系统的要求。随着人们生活水平的提高，安全意识也在进一步上升，例如，接触电压和跨步电压等电位分布参数越来越受到重视。为了最大限度的保证设备安全，应当将电阻值控制在一定的范围，尽可能的减少地电位。为了最大限度的保正人身安全，应当将尽可能的避免接触电压与跨步电压，均匀铺设地表电位。从有关数据可以得知，我国与国外关于变电站接地装置相关标准，接触电压允许值普遍低于跨步电压。一般来说，跨比电压最大值通常都低于跨步电压，所以，接地网设计的要求就是，接触电压的最大值一旦符合安全标准要求，跨步电压也就符合安全标准。一般接地网的在传统的设计过程中，均压导体的间距布置大都采用五米、七米、十米、十二米等。因为端部与邻近的作用十分密切，因此，接地网的边角处泄露电流密度情况最严重。因为接地导体两者形成互为屏蔽的效果，因此，中心位置泄露电流密度情况不是很严重。也就是说，边角处的泄露电流比中心处大得多，容易造成地表电位分布极其不平衡，同时，接地网的网孔越多，面积越大，两者的差值也会随之增大。

从以往的运行情况可以得出，在设计过程中增设短路电流道路，比如，改变接地网的间距，在一些故障较为频发的变压器中性点使用加强型的集中接地装置，能够对电网形成很强的电位差，这种方式得到了普遍的认可。该论文研究的重点是借鉴XXX 综合通信大楼220kV变电站接地网的优化设计，并且利用CDEGS 软件包对有关数据加以科学的计算和合理有效的分析，力争接参数可以符合国内电力行业标准，针对变电接地优化设计进行全面系统的分析，说明其设计理念和可行性方案。

2.变电站站址处接地参数分析

XXX综合通信大楼的220kV变电站站址主要是由丘包和丘坡组成，并且其表层土壤是由第四系粉细砂构成，属于高阻地质条件；表层具有土质干燥、结构酥松，土层不厚特点；主要是由石英砂岩组成，部分地段基岩出现裸露现象；地下水可以分为基岩裂隙水、覆盖层的孔隙水。地下水埋深十米至四十米，基岩裂隙水具有中等水量。从该处抽取的地下水检测能够发现，此处地下水的离子含量很高，导电性很强。

该站土壤电阻率可以借助测量仪，利用四极法进行测量，该测量仪由上海天嵘自动化仪表有限公司生产，型号为ZC29B-2型。此次测量分别选取了168个测试点，选择晴天进行测量，测量前后地表处于干燥状态，从表1可以详细了解站址出土壤电阻率的分布情况。根据详细计算可以得知，土壤电阻率的加权平均值：十五米为394Ω·m，三十米为425Ω·m，五十米为957Ω ·m。

通过以上变电站位于的地质与土壤电阻率的相关测量数据得出，土壤的分布是不均匀的，由于地理构造的因素可以发现，并没有完全均匀的土壤，因此，在实际土壤模型描述大都采用水平或垂直分层的方式。

对于日常工程的设计与施工过程中，应当充分全面考虑各种不同的情况，由于土壤具有的分层原则，例如，厂区的地质结构分层、不同深度的土壤电阻率等因素。该站的土壤应当按照垂直双层土壤的方式进行处理，假设抽取上层土壤厚度h：30米，电阻率 ：15 m与30 m时，那么，土壤电阻率加权平均值的平均数为409.50Ω·m，抽取下层土壤电阻率 ：957Ω·m。

3.接地网的优化方法

接地网位于中间部分导体的屏蔽性是不等间距布置变电站接地网要注意的重点部分，主要是起到降低屏蔽效应，可以很好的利用所有导体，因此，在集体布置接地导体的过程中，把周边放置得价位细密，中间放置得较为稀疏。电力行业相关标准要求，常用的接地网不等间距布置方法，仅仅适用于中小的型变电站接地网。国内大型变电站接地网的面积都很大，接地网已经不能满足电位模型的需求；该文以不等电位模型为前提，制定出了符合难大型接地网的优化设计方案。

3.1 电力行业标準中的不等间距优化

根据文献[2] 《交流电气装置的接地》相关标准可以得知，等电位数学模型下，关于接地网不等间距情况下的布局，详见公式1。接地网的网孔电位的波动控制在一定范围内，接地导体不受面积的影响，只是随着接地网的长度与宽度横纵向的导体数量发生变化。

当确定了接地网长方向的导体根数 和宽方向的导体根数 后，接地网长和宽方向上的分段数也就确定了。长方向上的导体分段数 ，宽方向上的导体分段数 ， 的取值则查下表1，从而可以通过计算分别得出接地网在长和宽方向上的每个网孔的具体尺寸。应当指出的是，由于接地网的对称性，如果某方向的导体分段数k为奇数，则列出了（k+1）/2个数据；当k为偶数，则列出了k/2个数据，其余数据可以根据对称性赋值。

我国电力行业相关标准要求，等电位模型是保证等间距布置的基本条件，特别是国内大型变电站接地网的面积都很大，大量实验数据能有得知，接地网的各个电位点是有差异的，即可得知，接地网已经不能满足电位模型的需求；如若采用上述规律加以布置，那么，极易产生地表电位分布不均，难以达到优化设计的标准。所以，这种优化设计方式仅仅适用于中小的型变电站接地网。

3.2采用指数分布的不等间距优化

根据上面大型变电站接地网优化问题的内容，本小结主要是分析如何进行优化设计。其主要采用不等电位数学模型，首先，选择一个目标函数，可以采用网内最大接触电压差最小，然后，使用曲线拟合的方法，来分析出接地网中水平导体的布置规律。分析出的结果表明：接地网中水平导体的间距是以边缘至中心，根据按指数规律逐步加大。

4.接地网优化后的结果分析

4.1泄漏电流密度分布均匀度

针对220kV 变电站接地网进行研究，如果其土壤电阻率是400Ω·m，电流达到 1 000A ，可以根据工频节点电压法的方法进行测算，等间距下接地网电压峰值是310V，跨步电压峰值是 152V，不等间距下接地网电压峰值是216V，跨步电压峰值是 148V，两者的电压相比较，接地网不等间距的电压降低了 30%。

通过上面两个表格可以分析出：等间距布置的接地网存在严重泄漏电流现象，其每段导体的泄漏电流密度数值不一样，相差很大，边缘导体尤为突出，其泄露电流密度为中间导体的四倍以上；不等间距布置的接地网中，将中间导体的泄露电流密度进行了增加布置，同时，边缘导体的泄漏电流密度布置进行了减少，有效的将各段导体的泄露电流进行了均匀的布置，因此，边缘导体的泄漏电流密度与中间导体数值没有很大的差别。以接地网中心处的泄露电流密度而言，随着接地导体的间隔加大，屏蔽效应减小逐步增加；所以，边缘导体的泄漏电流密度与中间导体差值也相应的减小。

4.2接地网建设的经济效应

根据上文研究分析的结果可以明显得知，若接地网条件下相同时，如果水平接地导体的数量相同，那么间距相等布置的接地网相比不等间距布置的接地网的接触电压高；在安全指标的要求下，最好使用不等间距布置，因为可以尽量少采用水平接地导体。通过对比分析表明，在相同的条件下两者的钢材量是不同的，利用不等间距布置能够节约至少百分之三十的钢材量。

采用指数规律来优化接地网，有很多的优势，比如说，可以完善泄漏电流密度分布，同时，也是科学的设计方法。：

5结论

新型接地网是一种利用指数规律将变电站进行铺置的方式，对于垂直双层土壤的变电接地网而言，起到一个很好的优化作用，该方式巧妙的运用了曲线拟合法进行计算。本文对XXX综合通信大楼接地网技术的进行研究，接地系统辅助设计软件包可以将前后接地参数进行的模拟运算，将数据进行合理的计算与处理，最终利用所得的数据加以优化配置。

参考文献：

[1]鲁志伟，常树生，东方，周秧. 引外接地对降低接地网接地阻抗的作用分析.高电压技术. 2006，32（8）：119～121

[2]袁锦平. 利用深水井接地极方法降低变电站接地电阻的研究. 北京： 清华大学电机工程与应用电子技术系（博士毕业论文）. 2001

[3]李景禄， 郑瑞臣， 杨廷方， 李志强. 关于接地工程中相关参数取值的探讨.高压电器. 2004， 40（4）： 264～266

[4]李景祿， 杨廷方， 周羽生. 接地降阻剂应用及存在问题分析. 高电压技术.2004， 30（3）： 65～66， 68

[5]苏福庆， 李景禄. 接地降阻措施的应用分析. 电力科学与技术学报. 2007，22（2）： 84～88

[6]梁伟， 王辉， 翟明翰. 接地网设计和施工中合理使用降阻剂的研究. 水电能源科学. 2009， 27（3）： 212～214