变电站新型临时接地端的模拟仿真研究

吴 超，张紫薇，吴永聪，程芳锐，王明禹

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南昆明 650200）

0 引言

变电站使用应急发电机、发电车和高架车等用电设备时，需要对这些设备接地。目前这些设备的接地方式有：①接地线连接线夹，线夹卡在变电站接地扁铁上进行接地；②通过接地线连接接地针，接地针埋入土壤进行接地。两种接地方式应用情况不同，作业现场有接地扁铁，且线夹可以卡在接地扁铁上时，通过接地扁铁进行接地；作业现场无接地扁铁或接地扁铁不便连接时，可以通过接地针接地。目前市场上常用的接地针结构简单，只能应用在单一环境。本文基于原接地针结构，发明一种变电站新型临时接地端。用电设备的接地属于保护接地，保护接地的接地电阻应小于等于4 Ω。日常工作中，一般使用接地电阻测试仪测量接地电阻，这种方法受场地限制，测量过程比较复杂，但是测量结果较仿真结果更为精确。本文使用ANSYS 软件建立模型进行仿真，计算临时接地端通过接地针接地时的接地电阻值。只需要知道当地土壤类型，就能够快速模拟出接地电阻值，对现场使用临时接地端的安全性具有一定参考意义。

1 变电站新型临时接地端

变电站新型临时接地端的制造过程如图1 所示，在原接地针上焊接一块带孔钢片，将线夹与接地线通过螺钉连接在接地针的两块钢片上。这是一种既能通过接地扁铁接地，又能通过接地针接地的多功能接地端。

图1 改进后的接地端

改进后的接地端，将接地线，线夹和接地针等3 个部件集成在一起，环境适应性有所提高。各部件“化零为整”，减少站内人员管理的复杂性。使用新型临时接地端时，安装步骤减少，节约人力与时间。

2 变电站新型临时接地端的接地电阻

接地电阻是电流由接地装置流入大地，再经大地另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻。接地电阻体现电气装置与“地”接触的良好程度和反映接地网的规模。影响接地电阻的因素主要包括土壤电阻率、接地体的尺寸、接地体的形状及埋入深度、接地线与接地体的连接等。以下分析这些因素。

（1）土壤电阻率。影响土壤电阻率的因素包括导电离子浓度、含水量、土质、温度和致密性等。随着土壤深度改变，其电阻率也会发生变化。受控站所在地的土壤为黄壤，根据表1，确定黄壤的电阻率近似值为200 Ω·m。

表1 土壤电阻率 Ω·m

（2）接地体的尺寸、形状及埋入深度。《中国南方电力安全工作规程》中规定，临时接地体的截面积不应小于190 mm2（如Φ16 mm 圆钢）、深埋不应小于0.6 m。本文研究的临时接地针，材料为304 圆钢，直径为16 mm，埋入土壤长度可达1 m，满足公司要求。

（3）接地线与接地体的连接。接地线材料为铜，通过螺钉与接地针连接在一起。

3 接地电阻的建模仿真

新型临时接地端有两种接地方式，第一种是接地线连接线夹，线夹卡在变电站接地扁铁上进行接地；第二种是通过接地线连接接地针，接地针埋入土壤进行接地。第一种接地方式相当于将待接地设备直接连接在变电站接地网上，接地电阻较小，接地可靠性与安全性有保障，所以不对其进行研究。本文主要研究第二种接地方式下的接地电阻值。

本文使用ANSYS 进行建模仿真。新型临时接地端的接地电阻主要包括接地线的电组、连接导线和接地针的接地电阻、接地针本身的电阻，以及电流流入大地时的电阻。前三项与最后一项相比太小，可忽略不计，因此接地电阻为电流从接地体流入大地时具有的电阻。接地针模型可以进行简化，只保留其埋入土壤的那一部分。无穷大土壤模型也无法建立，研究表明，离开接地极距离为接地极尺寸10 倍以内的土壤对接地电阻值有较大影响，因此在有限资源的前提下，为保证模拟精度，构建的模型如图2所示。

模型中，接地针简化为长度0.6 m、直径16 mm 的圆柱体，材料为304 钢，电阻率为7.3×10-7Ω·m。土壤简化为高度20 m、长度和宽度都为10 m 的长方体，电阻率为200 Ω·m。接地针完全垂直插入长方体土壤的中心，接地针上表面与土壤上表面在同一水平线。在接地针上表面中心施加100 A 的直流电流，仿真得到接地体的最大电压，即可计算出接地电阻值。

仿真时，对建立的模型施加边界条件，上表面无约束，其他面电压设置为0 V，划分网格时选取四面体形状，网格数量大概57万个（图3）。

图2 几何模型

图3 网格划分

仿真时的电位分布是对称的，且从电流施加的中心到正方体土壤边缘电位逐渐降低（图4）。仿真得到的最大电压为1000 V。根据公式R=U/I，其中，R 为接地电阻，U 为仿真得到的最大电压，I 为仿真施加的直流电流100 A，计算得到R 为10 Ω。

图4 电位分布

4 总结与展望

根据实际考察，本文设计的变电站新型临时接地端具有结构紧凑、环境适应性强的优点，可很好应用在变电站应急发电机、发电车和高架车等用电设备的保护接地上。使用ANSYS 建立模型仿真得到的接地电阻值，较真实接地电阻值有一些误差。误差来源于模型的大小、形状和土壤放电游离等因素，但是使用ANSYS 建模仿真比实际测量更加快捷方便。因此，在今后的研究中可以建立更为精确的模型，以便得到更准确的接地电阻值。对于土壤电阻率较高的地区，应采取增加接地体根数、长度、截面积或埋地深度等措施来改善接地电阻。