变电站(换流站)地网参数的仿真计算与分析

李 雍,郭 飞,戴玉松

(1.西华大学 电气与电子信息学院,成都 610039;2.国网河南省电力公司经济技术研究院,郑州 450052)



变电站(换流站)地网参数的仿真计算与分析

李 雍1,郭 飞2,戴玉松1

(1.西华大学 电气与电子信息学院,成都 610039;2.国网河南省电力公司经济技术研究院,郑州 450052)

为准确评估变电站(换流站)地网设计的合理性与安全性,解决地网参数解析解难以计算的问题,笔者在借鉴前人研究基础上,编写了一种可用于计算任意复杂变电站、换流站地网参数的程序。通过对比实验室比例试验和程序计算接地电阻及地面电位的结果,验证了程序的正确性,同时,结合算例计算结果来发现地网问题,从而对其实施改进,为已建成变电站(换流站) 故障分析、地网改造、防护优化提供参考意见,为后续变电站(换流站)的地网设计提供借鉴。

变电站(换流站);地网参数;仿真;计算程序

变电站、换流站是整个电力系统的心脏,其安全、稳定、高效运行与国民经济和人民生活息息相关[1]。地网是变电站(换流站)安全稳定可靠运行的守护神,它直接关系到变电站巡检人员的人身安全。所以地网的接地参数的计算对地网设计、电站绝缘验证、变电站的连续运行和巡检人员人身安全具有十分关键的意义。

国内外学者对接地网的参数计算进行了大量的研究工作。文献[2-4]对于导体半径较大的直流接地极进行了相关研究和计算,但很难应用于半径较小的交流接地网的计算;文献[5-6]提出了运用复镜像法代替经典镜像法计算地网参数的优化计算方法,对一个实际变电站(其地网结构主要为矩形方框)的接地电阻、接触电压、跨步电压进行了计算。但是随着超特高交直流的快速发展以及城市变电站面积小型化需求,地网结构呈现不等间距矩形方框、圆形、局部不规则多边形等极其复杂的结构,难以进行计算。对此,本文在前人研究的基础上[2-10],编写了一种可用于计算任意复杂变电站、换流站地网参数的程序,它根据地网的设计图纸能够快速得到接地网接地电阻、电位分布、接触电压、跨步电压,建立接地网电位和梯度分布的三维图、色阶图、灰度图和等高线图,以更加直观地评估地网设计的合理性与安全性,而且在实际接地网系统的计算过程中,对其进行了不断的改进和优化。

1 地网参数计算的原理

1.1 恒定电流场理论

设恒定电流I由某一接地点注入地网当中,根据恒定电流场理论和格林函数相关原理,假设无穷远处的某一点电位为0,可计算得电极泄漏电流在任意一点P的电位为

V(P)=∫∫SG(P，Q)*J(Q)ds

(1)

式中:J(Q)是接地极导体表面S上的Q点处的泄漏电流密度;G(P,Q)是相应接地极导体的格林函数,此处代表单位电流经过接地极导体表面Q点在P点作用的电位值。

流经地网在土壤中的泄漏电流等于注入接地极导体的电流I,即

I=∫∫SJ(Q)ds

(2)

假设接地极导体表面为一均匀等电势体,则意味着边界条件为

(3)

1.2 表面电荷法

电荷法可用来处理线状接地极导体,将线状导体均分为n段,然后针对因电流密度不同在P点产生的不同电位进行分析和研究。

假设参考电势在无穷远处,注入接地极导体的电流为恒定值I,均匀土壤电阻率为ρ;设接地极导体总长为L,通过接地极导体总的泄流电流为I,运用微积分原理均分L,第j段几何尺寸为Lj,其中心为Oj,对应的泄流电流为Ij,则有:

(4)

(5)

(6)

式中:V(P)为通过L的泄露电流I在P点作用产生的电位;G(P,Oj)为以Oj为中心的微段向地中注入单位电流时在P点产生的电位。

如果P点在电极微段i上,每个微段通过泄流均要在i点产生电位,则式(6)可修正处理,即接地体接地电阻为

R=UG/I

(7)

1.3 Rij和G(P,Oj)的计算

由上述可知,G(P,Oj)代表一个微段单元注入土壤一单位电流时,在P点产生的电位。当P点与电极微段j相距无限远时,则电极可以看成一个点模型,则有:

(8)

式中:r和r′分别为点P到微段和到微段镜像的中心之间的距离。 镜像法计算示意图如图1所示。

图1 镜像法计算示意图

(9)

微段i和微段j的互电阻Rij关系为

(10)

假设根据地面上任一P点的电位Vp,可算出P点的电位梯度值VP,以及P点的接触电压UTP。

(11)

UTP=Vg-VP

(12)

式中:Vg为接地设备离地面1.8 m处的对地电位升。

设人脚如果接触地表点P和距离点P为0.8 m的点M两点,则跨步电压US为

US=VM-VP

(13)

式中:VM为M点的电位值。

基于以上物理学、数学、电力学相关原理,编制了相关的接地参数计算程序,经过不断的优化和改进,该程序可以根据地网结构计算出任意杆塔、任意接地极、任意交流变电站、任意直流换流站地网的接地电阻,在确定注入地网电流后计算电位分布、接触电压、跨步电压等,并将计算结果以三维图形呈现出来,使计算结果更加直观、全面。

2 方法与程序的合理性验证

2.1 接地电阻的验证

接地电阻的测量可以确定因电力系统接地故障电流引起的地面电位升高及在整个地段内的电位变化等一系列问题[11],是地网参数的重要数据。所以通过对比实验室比例模型试验法得出的接地电阻和本文编程计算得出的接地电阻,判断程序的准确性。

220 kV某变电站(A)地网结构如图2所示,圆圈以及×分别代表3.5 m、2.5 m垂直接地体,其它代表水平接地体。地网埋深0.8 m,帽檐式均压带埋深由内及外依次为0.8 m、1.6 m、2.4 m,土壤电阻率为450 Ω·m,恒定电流为10 kA。将地网导体半径、导体长度等数据导入已编制的程序进行计算,计算结果如表1所示。

图2 某220 kV变电站(A)地网分布图

项目实验室测量程序计算接地电阻/Ω1.611.626

由表1可知,实验室比例模型测量和程序计算之间的误差在0.9%左右(实验室试验受到仪器精确度、仪器布置准确度等一系列不确定性因素影响,与实际值有细小误差。),计算结果与试验结果的高度吻合验证了程序计算接地电阻的可行性与正确性。

2.2 电位分布的验证

为了更加直观简便地验证程序计算地网电位分布的正确性,设计了具有对称性能的杆塔接地体并对地面电位进行计算,接地极如图3所示,中间是一垂直接地体,十字架为水平接地极。杆塔接地体地面电位分布色阶图,如图4所示,地面电位等势线如图5所示。

图3 杆塔接地体分布图

图4 杆塔地面电位分布色阶图(32色阶)

图5 杆塔地面电位分布等势线图

从图4、5可知,杆塔中间垂直体处电位最高,可达18 000 V左右,地面电位由内向外逐渐减小,且呈现出明显的对称性。受水平接地体的影响,中间电位分布呈现出以水平接地体为对角线的正方形形状,但由内向外,这种影响逐渐减小。由此可以看到,计算结果和理论非常吻合,验证了程序计算地面电位的合理性。

3 算例

3.1 交流变电站的计算

运用已经编制的程序计算某220 kV交流变电站(B),其地网分布如图6所示,黑色圆点代表垂直接地体,其他网格表示水平接地体,水平接地体埋深0.8 m,变电站(B)右下大门处,设置帽檐式均压带,两个圆弧所埋深度不同,计算结果如图7-9所示,X、Y、Z轴分别表示地网横坐标、纵坐标、相应坐标点电位。计算步长选择0.25 m,计算步长越小,计算结果精度越高,但是步长过小会使得程序死循环,引起死循环的本质原因是过小的计算步长会引起第一节中数学方程无解。

图6 某220 kV交流变电站(B)地网分布图

图7 某220 kV交流变电站(B)地面电位分布色阶图(46色阶)

由图7可知,电位分布与地网分布相似,呈现出矩形网格状,网格中心点电位比网格线上电位低,这是屏蔽效应的结果;变电站右下角大门处,地面电位变化比较平缓,这是设置了帽檐式均压带的结果。

图8 某220 kV交流变电站(B)地面电位分布三维图

从图8可以看出,除右下角外地面电位总体变化均匀;左下角处平均电位较高,这是因为此处没有铺设地网,且处于刚刚离开电网的边缘部位;右下角平均电位较高是因为布置了均压带的原因。

图9 某220 kV交流变电站(B)地面电位梯度分布图

从图9可以看出,整个变电站(B)的地面电位梯度变化总体均匀、较低,但在X=650,Y=260处梯度呈现出最大值在1200 V左右,原因是此处垂直接地体较多、增加了交叉布置的水平接地体,使地网结构复杂,这间接地说明了地网并不是接地体越多,梯度电压越低。

3.2 直流换流站的计算

某500 kV直流换流站地网分布如图10所示,运用本文所述的计算程序计算的地面电位分布色阶图和梯度图如图11、12所示。

图10 某500 kV直流换流站(C)地网分布图

由图11可知,直流换流站呈现出和交流变电站同样的规律:网格线上电位较高,网格中心点电位较低,原因是屏蔽效应的作用。不同的地网得出相同的规律,也可以从侧面印证程序的正确性。

由图12可以看出,该直流换流站(C)地面电位梯度总体呈现出平滑均匀的规律,验证了地网设计的正确性,在坐标点(300,220)到(300,650)区域有相同的毛刺,这是因为此处处于变电站铺设地网和不铺设地网的交界点缘故。所以需借鉴圆形均压带降压的措施对地网进行改进,也可以在分界点铺设电阻率较高的砾石、碎石等介质,从而降低此处的电位梯度,保证巡检人员的人生安全以及换流站的安全稳定运行。

图11 某500 kV直流换流站(C)地面电位分布色阶图(32色阶)

图12 某500 kV直流换流站(C)地面电位梯度分布三维图

4 结 论

1) 通过实验室试验、程序运算以及变电站与换流站计算结果呈现的相同规律,验证了计算方法与程序的合理性、正确性。

2) 基于恒流场、表面电荷法的地网参数计算方法克服了解析解难以计算的问题,可用于不同形状接地极的地网参数计算,求解简便、适用范围广、实用性强。

3) 本文编制的程序可以计算任意杆塔接地体、交流变电站、直流换流站地面电位分布,可以计算规则矩形地网、不规则地网、圆形地网(如帽檐式均压带),有较强的实用价值。

4) 图2中变电站(A)计算得到的接地电阻为1.61 Ω,不满足规程要求,需要采取降低电阻的措施,可以考虑和相邻地网并联或者增加地网面积等措施;为防止转移电位引起的危害,可将接地网的高电位引向站外或将低电位引向站内设施,也可采取隔离措施。

5) 地网分界点处电位梯度较高,可以借鉴圆形均压带降压的措施进行地网改进,也可以在分界点铺设电阻率较高的砾石、碎石等介质。

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(责任编辑 郭金光)

Simulation calculation and analysis of grounding grid parameters in substation (converter station)

LI Yong1, GUO Fei2, DAI Yusong1

(1.School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihu University, Chengdu 610039, China; 2.State Grid Henan Economic Research Institute, Zhengzhou 450052, China)

To accurately evaluate the security and rationality of grounding grid design for substation (converter station) and to solve the difficulty in calculating the analytic solution of grounding grid, the author wrote a program for calculating complicated grounding grid parameters of any substations or converter stations based on the previous studies.Through the comparison between the grounding resistance and potential calculated by laboratory scale experiment and that by the program mentioned above, the correctness of the program was verified.Meanwhile, combined with the results of calculation example, the problems of grounding network were found and transformed, so as to provide the reference about fault analysis, grounding network transformation, prevention and protection optimization for the established substations (converter stations), and the advice on grounding network design for the subsequent ones.

substation (converter station);grounding grid parameters;simulation;calculation program

2016-04-27。

本课题由西华大学研究生创新基金资助项目(ycjj2016160)。

李 雍(1990—),男,硕士研究生,研究方向为电力系统雷电防护、接地及过电压监测技术。

TM63

A

2095-6843(2016)05-0418-05