基于变电站接地网雷电冲击暂态特性的研究
2017-03-30梁湛原
梁湛原
摘 要:接地网对变电站的安全运行起着重要的作用,其接地性能一直是设计和生产运行部门关注的重要点。采用接地分析软件CDEGS搭建了接地网雷电冲击暂态响应计算模型,分析了雷电流注入点、接地网参数和土壤结构对雷电冲击下接地网暂态电位的影响规律。研究发现,减小网格间距有利于减小地网冲击特性参数,当网格间距从20 m缩短到10 m时,地网冲击特性参数下降比较明显。
关键词:CDEGS软件;变电站;接地网;雷击冲击;
中图分类号:TM76 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.105
随着我国电网的发展,变电站越来越多地采用了HGIS、户内或户外GIS等紧凑型配电装置,变电站的面积越来越小,使变电站接地设计的多种问题越来越明显。本文介绍了一种先进的CDEGS软件,可监测电流分布、电磁场、接地、土壤结构等,用于精确分析接地、电磁场、电磁干扰(包括降低交流/直流干扰、阴极保护和阳极床分析)等问题。在CDEGS软件中,变电站地网雷击暂态计算的过程分为雷电波频域分解、地网电磁场频域响应计算、地网电磁场频域响应计算。为了反映雷击暂态对人身地网的威胁,必须在CDEGS中对地网冲击接地电阻、最大电位升、接地网地表电位和接触电压数值进行分析。
1 变电站地网雷击暂态的计算方法
1.1 网格间距的影响
运用CDEGS软件建立200 m×200 m的地网模型,分别在接地网中心(A点)、角点(B点)、边缘中点(C点)注入雷电流,计算不同间距条件下地网冲击特性参数,分析网格间距对地网雷电冲击特性的影响。
利用CDEGS软件计算网格间距为3 m、5 m、8 m、10 m、12 m、15 m、20 m时的接地网雷击特性参数,随着网格间距的增大,地网冲击特性参数均增大。从地网中心注入雷电流时,其冲击特性参数最小,从地网角点注入雷电流时,冲击特性参数最大。当网格间距从3 m增大到8 m时,虽然减小了雷电流的散流通道,但地网电感效应减弱,地网冲击特性参数变化幅值较小;当网格间距增大到10 m之后,继续增大网格间距,接地网散流导体减少,冲击接地电阻、地网最大电位升、跨步电压、接触电压等冲击特性参数均明显增大。
1.2 地网雷击的有效面积
在雷电流冲击电流的作用下,由于变电站接地网呈现出明显的电感效应,地网接地性能在工频电流的作用下产生了不同。雷电流注入接地网时,只能在一定的范围内散流,即存在地网雷击有效面积,以(10~100 m)×(10~100 m)地网为例,网格为10 m×10 m时角点注入雷电流,网格为5 m×5 m时中点注入雷电流,并设地网注流点为坐标原点,水平方向为x轴,垂直方向为y轴,具体如图1所示。仿真计算参数如表1所示。
随着地网面积的增加,冲击接地电阻和地网最大电位升逐渐降低,并趋于饱和。对于边长为5 m的网格,当地网边长为10 m时,冲击接地电阻为7.69 Ω,地网最大电位升为384.31 kV。当地网边长为30 m时,冲击接地电阻降为3.76 Ω,地网最大电位升下降为188.12 kV,下降幅度为51.1%;继续增大地网面积,冲击接地电阻和地网最大电位升下降幅度很小,变化幅度小于5%.
对于边长为10 m的网格,当地网边长为10 m时,冲击接地电阻为10.02 Ω,地网最大电位升为500.9 kV;当地网边长为30 m时,冲击接地电阻降为9.56 Ω,地网最大电位升下降为472.5 kV,下降了10.6%;继续增大地网面积,冲击接地电阻和地网最大电位升下降幅度小于5%.因此,地网雷击有效面积为30 m×30 m。
1.3 垂直接地体的影响
通过对地网雷击有效面积的分析可知,雷电流主要在注流点附近30 m×30 m 的范围内散流,增大地网面积对改善接地网的雷击冲击特性的意义不大。在此情况下,可以考虑在注流点附近增设短垂直接地极来增加雷电流散流通道,从而改善接地网的雷击冲击特性。以200 m×200 m接地网为例,网格间距为10 m,在注流点周围15 m的范围内增设2.5 m长的垂直接地体,a点即为注流点位置,b点与注流点空间、电气的距离为10 m,c 点距注流点空间的距离为14.41 m,距电气的距离为20 m,分别在a点、b点、c点以及多点位置组合安装垂直接地体,运用CDEGS软件建立地网模型,仿真分析垂直接地体对地网雷击特性的影响。
仿真计算安装垂直接地體前、后变电站地网冲击接地电阻、地网最大电位升以及地表最大电位升如表2所示。加装垂直接地体对地网冲击接地电阻和地网电位升影响非常小。加装垂直接地体前地网的冲击接地电阻和地网最大电位升分别为4.974 Ω 和248.7 kV,加装3根2.5 m长的垂直接地极后,地网冲击接地电阻和地网最大电位升分别为4.952 Ω 和247.6 kV,下降了0.4%.在注流点周围加装垂直接地体可降低地表电位,加装垂直接地体前地表最大电位为189.8 kV,注流点周围加装2根垂直接地体后,地表最大电位为175.57 kV,下降了7.3%.
加装垂直接地体前后,变电站内跨步电压和接触电压变化情况如表3所示。
加装垂直接地体前、后对接触电压的影响很明显。在不装垂直接地体的情况下,最大接触电压为118.49 kV,在a点与b点之间加装2根垂直接地体后,最大接触电压下降幅度最大,降至88.798 kV,下降了25.06%.
2 结束语
综上所述,CDEGS是国际领先的接地设计软件,完全秉承IEEE设计规范,设计成果易于被国际同行理解和采纳,有着广泛的应用前景。通过上述仿真结果可得,雷电流从地网中心注入时地网冲击特性参数最小,地网角点注流时雷电冲击特性参数最大。减小网格间距有利于降低地网冲击特性参数,当网格间距从20 m缩短到10 m时,地网冲击特性参数下降比较明显;继续缩短网格间距,虽然增加了雷电流散流通道,但地网电感效应增强,地网冲击特性参数下降幅度变小;加装垂直接地体,对接触电压影响明显。
参考文献
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〔编辑:张思楠〕