双层接地网敷设及其性能仿真研究

兰正平 郑全新 郑健

摘 要：双层接地网的应用对改善接地系统的接地性能、节省土地资源、减小变电站的规划面积等均具有十分重要的意义。本文采用CDEGS仿真软件对不同条件下的双层地网的接地性能进行了仿真、分析并得出结论，为双层接地网的应用和设计提供理论依据。

关键词：双层接地网；接地性能；比较研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.124

为保证电力系统可靠运行，满足安全需要，须将电力系统中电源中性点及某些电气设备外露可导电部分经接引下线连接到接地极，即电气接地，电气接地系统成为维持电力系统正常运行，确保人身安全的基本技术措施。随着我国电力工业的快速发展，大容量、高电压等级的电力网成为现今电网建设与发展的方向。大容量、高电压等级的电力网一旦发生接地短路故障，巨大的短路流必将引起地面电位异常升高，进而产生跨步电压，严重威胁人身安全，同时造成电气设备损毁，带来巨大经济损失并影响电力系统可靠运行。

1 双层接地网的应用性与敷设方法

由于土地资源紧张，变电站尽量选址尽量偏僻，占地面积也受到限制，仅依靠水平接地网很难在选址范围内构造符合设计要求的接地体。在丘陵地区的山坡地带建设变电站，利用山坡和凹地的有利地形构建双层接地网，或在城市环网的箱式变电站处采用双层接地网，能解决由于垫土层形成的双层土壤的亲和问题，有效的降低接地电阻。

具体做法是：在原土层敷设下层接地网，下层土壤电阻率低，基本达到低接地电阻的目的。同时，在填土层做施用降阻剂，敷设上层地网，降低跨步电压和接触电势。

2 双层接地网模型构建及其仿真分析

本文应用常用的分析接地问题和电磁场、电磁干扰问题的专用CDEGS软件，采用选取接地体的几何尺寸、接地体的敷设深度、接地网格的疏密程度等参数，构建的双层接地网模型，并进行了模拟仿真，分析不同参数条件下的接地体对接地性能的影响。本研究中采用双层土壤结构形式，其中上层土壤电阻率为2000Ω·m，下层土壤电阻率为400Ω·m，网格间距为10m，导体半径为1cm。

2.1 构建不同敷设深度的接地网模型及其仿真分析

构建模型：构建下层接地网深度为4米、6m、8m、12m四种不同接地网模型，分析研究在不同土壤厚度时，接地电阻、跨步电压、接触电势等接地性能变化的趋势。

比较研究：当下层地网未达到土壤低电阻率区域时，接地电阻随敷设深度的变化曲线平滑而且明显。因为当上下层地网距离较近时，上下层地网的散流区域相重叠，降阻的效果不明显；随着敷设深度的增加，上下层地网的间距变大，屏蔽效应减弱，接地电阻明显降低，当下层地网敷设在土壤低电阻率区域时，接地电阻下降尤为明显，随着地网敷设深度的增加，接地电阻曲线渐趋饱和。原因是，随着上下层地网距离增加，屏蔽效应变弱，且下层地网已处于土壤低电阻率区域，下层地网的降阻作用占主导地位。双层接地网的均压特性的变化趋势与接地电阻的变化趋势基本一致。下层地网在上层土壤高电阻率区域时，增加下层地网敷设深度，均压特性性能可得到一定改善；当下层地网刚到达土壤低电阻率区域时，性能得到极大改善，之后便不再随敷设深度的增加而变化，即趋于饱和。

2.2 构建不同土壤电阻率的接地网模型及其仿真分析

构建模型：选取下层接地网土壤电阻率分别为200Ω·m、400Ω·m、600Ω·m、1 000Ω·m时的影响。

比较研究：当上层土壤电阻率高于下层土壤电阻率时，满足下层接地网刚到达下层土壤低电阻率区域时的理想状态，之便趋于饱和。与不同上层土壤厚度时的接地网均压性能特性曲线和降阻性能特性曲线变化趋势基本一致。对于一般接地体，增加其埋设深度，都能在一定程度上降低接地电阻。由于增加接接地网敷设深度使接地体距离增加，扩大了接地体的散流截面积，达到降阻的效果；当敷设深度达到一定值时，接地体的散流面积已足够大，再增加散流面积，其增加影响就不会太大，降阻性能也趋于饱和。由于上下层接地网的屏蔽效应和下层土壤低电阻率区域的影响，增大下层接地网埋设深度对改善接地网接性能十分明显，当下层接地网刚到达下层低电阻率土壤区域时，接地性能的出现突变，之后随着上下层接地网间距的增大，继续增大上下层接地网间距时屏蔽效应的减弱并不明显。从经济性及施工难度角度考虑，下层接接地网只须敷设在下层土壤低电阻率区域即可，为改善接地性能而继续增加敷设深度的效果并不明显。

2.3 不同敷设面积的接地网模型及其仿真分析

构建模型：选取上述四种下层土壤电阻率，在不同下层接地网面积的条件下，分析接地电阻、跨步电压、接触电势等接地性能随接地网面积（选取60×60、100×100、120×120、140×140（m2）四种下层接地网面积）的变化规律。

比较研究：通过仿真研究发现接地电阻大小与下层接地网的边长成反比，增加下层接地网的面积能降低接地电阻。当下层接地网面积小于上层接地网面积时，增大接地网面积具有一定的均压效果。初始时增大接地网面积，均压效果比较明显，随后均压效果逐渐趋于平缓；下层接地网面积与上层接地网面积差不多时，增大接地网面积的均压效果最好；下层接地网面积远大于上层接地网面积时，增加下层接地网的面积，均压效果会趋于饱和。从降阻的效果方面研究，增加下层接地网面积具有较好的降阻效果。通过比较研究可得出结论：降阻的效果是由上下两层接地网共同决定的，上下层土壤电阻率差异较大时，下层接地网的降阻的效果将占据主导地位。如果接地网接地电阻不能到达要求，在条件允许情况下，采用增加下层接地网面积达到降低接地电阻值的目的不失为一种比较好的办法。但为提高均压效果而增加下层接地网面积时，须注意下层接地网不得超过上层接地网面积太多。

2.4 不同疏密程度的接地网模型及其仿真分析

构建模型：选取60×60、100×100、120×120、140×140（m2）四种下层接地网面积，研究不同接地网面积时，接地性能随网格密度的变化。

比较研究：通过仿真研究发现增大网格密度对降阻的意义并不大。相同下层接地网面积的接地电阻随网格疏密的变化趋势没有影响。同样，增加下层接地网的网格密度，降低接地电阻的效果也不明显。开始增加网格密度时的降阻的效果最明显，随着网格密度的持续增大，降阻的效果减小。当下层接地网面积较大时，增加接地网的网格密度时降阻的效果较好，但材料和工時耗费变大。增加下层接地网网格密度的均压特性具有较大的影响，下层接地网面积越大，增大网格密度所产生的均压性能的改善越明显。当下层接地网面积小于或接近上层接地网面积时，增大网格密度对均压性能的改善不明显。当下层接地网面积比上层接地网面积大时，增大网格密度的均压效果比较明显，单边网格数量达到10时，均压效果趋于饱和。

3 结论

下层接地网的敷设深度。从经济性的角度，双层接地网的下层只

需埋设在低电阻率的土壤区域即可，继续增加敷设深度对降低接地电阻的效果不明显。

下层接地网的面积。接地网面积的设定的主要依据是达到预定的降阻效果，当下层接地网面积与上层接地网面积差不多时，接地网的均压性能最佳；当下层接地网面积远小于上层接地网敷设面积时，增加上层接地网面积均压效果不明显；当下层接地网面积远大于上层接地网敷设面积时，增大下层接地网敷设面积的均压效果具有饱和效应。

下层接地网的网格疏密程度。从降阻的效果来看，下层接地网网格的疏密程度对接地网的电阻影响不大。从经济角度来看，下层接地网只须敷设外框；因考虑到接地体会腐蚀，从可靠性来讲，适当增大网格密度可靠性更高；下层接地网敷设面积小于或接近上层接地网敷设面积情况下，网格疏密对接地网的均压效果影响较小；下层接地网敷设面积大于上层接地网敷设面积时，网格疏密对均压性能影响明显。

参考文献：

[1]邓辉.发电厂变电站接地系统优化研究[D].长沙理工大学，2013.

[2]沈扬.变电站接地均压研究[D].浙江大学，2008.

[3]姜俊峰.发电厂变电所接地设计研究[D].郑州大学，2004.

作者简介：兰正平（1994-），男，湖北松滋人，本科，主要从事建筑电气工程研究。