降雨条件下高压变电站接地系统安全性研究

2020-09-02李军章爱凤

微型电脑应用 2020年8期

李军章爱凤

摘要：

为了研究降雨条件下的高压变电站接地系统安全性，以某220 kV变电站为例，采用数值计算的方法仿真了降雨条件下地表土壤层厚度及土壤电阻率对高压变电站接地系统安全性的影响。研究结果表明，降雨对接地系统的安全性有一定影响，降雨条件下，地表土壤层厚度变化时，会出现接地电阻的快速短暂的变换过程。此外，降雨形成的低电阻层有利于降低跨步电压，从而有利于人身安全，但其也可能引起接触电压的上升，从而增加安全隐患。

关键词：

高压变电站; 降雨; 接地电阻; 接触电压; 跨步电压

中图分类号： TM81

文献标志码： A

Study on the Safety of Grounding System of High Voltage Substation under Rainfall Condition

LI Jun， ZHANG Aifeng

（State Grid Chizhou Power Supply Company， Chizhou， Anhui 247000， China）

Abstract：

In order to study the safety of grounding system of high voltage substation under rainfall condition， the influence of surficial soil thickness and soil resistivity on the safety of grounding system of high voltage substation under rainfall condition was simulated with the method of numerical calculation， by taking a 220 kV substation as an example. The results show that the safety of the grounding system is affected by rainfall to some degrees. The grounding resistance changes rapidly in a short time when the surficial soil thickness changes. In addition， the soil layer with lower resistance formed by rainfall is conducive to reducing the step voltage， which is conducive to personal safety， but it may also cause the increase of the touch voltage， so that the risk is increased.

Key words：

high voltage substation; rainfall; grounding resistance; touch voltage; step voltage

0引言

变电站接地系统是变电站的重要安全屏障：良好的接地设计可以将故障情况下的过电流充分流散到大地系统，从而将地电位的升高限制在合理范围内，确保电压水平在设备运行条件及绝缘水平可承受的范围内，同时使跨步电压与接触电压均在人员可承受的安全范围内，从而确保变电站运维人员的人身安全[14]。然而，降雨对土壤层的电阻率及表面低阻层厚度产生较大影响，进而影响到变电站接地系统的安全性能[58]。为了留有充分的设计裕度，有必要研究降雨条件下接地系统安全性的变化规律，获取降雨对接地系统安全性的影响，从而更好地指导变电站接地系统的设计。

本研究以某220 kV高压变电站为例，采用数值计算的方法，研究了降雨条件下变电站接地系统的接地电阻、跨步电压与接触电压的变化情况，获得了降雨对高压变电站接地系统安全性的影响规律。

1降雨与土壤电阻率及接地系统安全性的关联关系

变电站所在区域的岩土电阻率主要受到水分含量、所形成的电解质溶液性质及相应浓度的影响，通常认为土壤的导电形式为离子导电[910]。已有的研究结果表明，水分含量对于土壤电阻率有重要影响，通常含水量较高的土壤电阻率较低，而含水量较少的土壤电阻率较高。通常认为含水量在10%以下时，含水量对土壤电阻率的影响相对较大，此时随着含水量的增加，土壤电阻率急剧下降：含水量从2%升高到10%，土壤电阻率降幅达80%以上;而当含水量大于10%时，例如从10%增加到25%时，土壤电阻率的下降幅度在90%左右[1112]。上述统计数据表明，含水量对土壤电阻率的影响存在边际递减的效应，即当含水量增加到一定程度时，同样的含水量增加值引起的土壤电阻率下降值却大大减小，也即土壤电阻率的下降过程存在饱和特征，这主要是因为土壤中的水分大量汇集形成导电通道后，水分的继续增加对于增加土壤电阻率导电性能的作用大大减小，因此其对土壤电阻率的改变作用也开始变得微小。

尽管含水量对土壤电阻率的影响存在边际递减与饱和效应，但是干燥情况下的变电站接地系統表层土壤的电阻率仍然比降雨条件下的土壤电阻率高很多倍。此外，降雨程度的不同会引起表面低阻层厚度的变化。上述因素均会影响到接地系统的安全性，因此，有必要仿真计算降雨对上述参数的影响，获取降雨对变电站接地系统安全性的影响规律。

2接地系统安全性参数的数值计算方法

2.1等电位计算模型

假设有电流I流入铺设在变电站的接地系统中，则可根据恒定电流场理论，采用格林函数的基本原理获取电极泄流电流在点P处产生的电位[13]如式（1）。

式中以无限远处为参考点，J（Q）为泄流电流密度在电极表面上点Q处的值，G（P，Q）为相应于电极几何形状的格林函数，它表示单位电流密度流经Q点时在P点感应的电位大小。此时，从变电站接地网导体流入土壤的总泄漏电流为I可表示如式（2）。

将接地导体划分为n个微小单元，则可将上述积分形式简化为求和的形式[14]，如式（3）。

式中，UP是微小单元j的中点Cj处的泄漏电流Ij在P点感应的点位;G（P，Cj）为G（P，Q）在j上的平均值;当P位于微小单元j上时，G（P，Cj）为微小单元j的自电阻Rjj，当P位于微小单元i上时，G（P，Cj）为微小单元i和j的互电阻Rij。根据相关定义，可将式（3）改写如式（4）。

上式可进一步改写成矩阵形式如式（5）。

上式的边界条件为UP=U=定值。将式（5）进行逆运算，可得[I]=[R]-1U，此时可计算得到各个接地微小单元入地电流的列向量，从而可计算出由等电位计算方法得到的接地电阻如式（6）。

2.2仿真参数设置

仿真分析时以某220 kV变电站为原型，并对该变电站进行简化抽象与建模。最终的参数设置如下：仿真模型为100 m×90 m的水平接地网，同时假设接地网中的接地导体间距相同，且设置间距为10 m，接地网的埋设深度设置为1 m。假设不考虑降雨条件下的土壤分布均匀，其电阻率为200 Ω·m，而考虑降雨条件的土壤电阻率则在10200 Ω·m范围。为了揭示降雨条件下高压变电站接地系统的安全性，分別仿真研究降雨条件下地表土壤层厚度及土壤电阻率对接地系统安全性参数（如接地电阻、接触电压与跨步电压）的影响规律。

3降雨条件下的高压变电站接地系统安全性

3.1降雨条件下地表土壤层厚度对接地系统安全性的影响

1）土壤层厚度对接地电阻的影响

为了更加直观地对比分析，降雨条件下的土壤电阻率取值取极端情况下的值，即10 Ω·m，非降雨条件下的均匀土壤电阻率取值为200 Ω·m（下同）。上述两种条件下土壤电阻率随地表土壤层厚度h的变化规律，如图1所示。

由图1可知，在两种条件下，变电站接地系统的接地电阻均随地表土壤层厚度的增加而减小，但在不同的地表土壤层厚度区间内，其减小的规律并不一致。按照地表土壤层厚度的区间不同，可分为3个区间进行讨论分析。

①当地表土壤层厚度小于接地网埋设深度时，接地电阻随地表土壤层厚度的增加而缓慢减小。值得注意的是，降雨条件下的土壤电阻率更低，从而导致在该区段内接地电阻的下降更多。这主要是因为流经地网的故障大电流会从地表低阻层通过，低阻层的土壤电阻率与厚度越大，则对电流流通的分散作用越大，因而使得接地电阻的降低越明显。②当地表土壤层厚度与接地网埋设深度接近时，接地电阻会有一个快速短暂的减小过程，并且变化过程中接地电阻变化量大小与土壤电阻率有关。土壤电阻率越低，则这个变化量越大，因此降雨条件下的土壤电阻率的减小量明显比干燥条件下的减小量大。产生上述急剧变化的原因是地表低阻层厚度大于接地网埋设深度时，地网将处于地租层中，此时流经地网的故障大电流可以从地租层形成泄流通道，因此接地电阻急剧降低。③当地表土壤层厚度大于接地网埋设深度时，接地电阻同样随着地表土壤层厚度的增加而减小，但土壤电阻率小时，接地电阻降低的幅度更大，也即降雨条件下变电站接地电阻的减小幅度比干燥条件下的减小幅度更大。

2）土壤层厚度对接触电压与跨步电压的影响

不同土壤层厚度h下的接触电压Ut随土壤电阻率的变化规律，如图2所示。

为了更加直观地对比分析，本研究中均将接触电压与跨步电压的值进行归一化处理，并以非降雨条件均匀土壤情况下的接地网接触电压与跨步电压值作为标准参考值。由图可知，当h小于接地网埋设深度时，地表低阻层将导致接触电压的增加，且这种影响程度随着低阻层电阻率的降低而增大。当h大于接地网埋设深度时，接触电压将随着电阻率的减小而急剧减小，且变化幅度与土壤电阻率的大小有关，土壤电阻率越大，其减小幅度越大。

降雨条件下与非降雨条件下（对应于不同的土壤电阻率ρ）跨步电压随土壤层厚度的变化规律，如图3所示。

由图3可知，跨步电压随着土壤层厚度的增加而减小，但这种减小规律随着土壤电阻率与土壤层厚度区间的不同而不同。两种条件下跨步电压均随土壤层厚度的增加而减小，但在土壤层厚度较小时，降雨条件下跨步电压的下降速度明显更快，这表明在降雨情况下，低阻层会引起地表跨步电压小于正常情况下的跨步电压，这对人身安全较为有利。

3.2降雨条件下土壤层电阻率对接地系统安全性的影响

1）土壤层电阻率对接地电阻的影响

降雨条件下接地电阻随地表低阻层电阻率ρ的变化规律，如图4所示。

可以看到，当土壤层较薄时，接地电阻几乎不随电阻率的变化而变化。但随着降雨的发生，地表土壤层的厚度增加，接地电阻减小，且在不同的土壤层厚度水平下，接地电阻的减小速度差别不大，总体上均随着土壤电阻率的增加而增加。

2）土壤层电阻率对接触电压的影响

降雨形成的地表低阻层电阻率ρ与接触电压的关系图，如图5所示。

由图5可知，当地表低阻层的厚度低于接地网埋设深度时，接触电压将随土壤电阻率的减小而增加，当电阻率较小时，地表低阻层将导致接触电压的增幅超过40%。而当低阻层的厚度大于接地网埋设深度时，接触电压则随着低阻层电阻率的减小而减小。降雨条件下跨步电压随地表电阻的减小而减小，且此时受到影响的土壤层越薄，则影响程度越小。例如，当地表低阻层的电阻率为10 Ω·m且地表土壤层厚度为0.1 m时，接触电压比正常情况下的接触电压增加40%左右，但是降雨条件下土壤层厚度为1.25 m且电阻率保持不变时，接触电压只有正常情况下接触电压的35%左右。

4总结

根据某220 kV变电站进行抽象建模，利用数值仿真的方法，研究了降雨条件下的高压变电站接地系统安全性。仿真结果表明：① 降雨条件下，地表土壤层厚度从地网上表面跨越变化到地网下表面时，会引起接地电阻的快速短暂变化过程，且降雨条件下的土壤电阻率越低，则接地电阻减小的幅度越大。② 地表低阻层厚度小于接地网埋设深度时，接触电压高于正常情况时的接触电压，且其影响随着低阻层电阻率的减小而增大。当低阻层厚度大于接地网埋设深度时，接触电压随低阻层电阻率的减小而减小，且低于正常情况下的接触电压。③ 降雨形成的地表低阻层有利于减小跨步电压，对人身安全有利，但是其可能引起接触电压的上升，因而增加安全隐患，必须加以防范。

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