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      不同土壤結(jié)構(gòu)的牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計

      2011-03-13 01:23:10
      電氣化鐵道 2011年3期
      關(guān)鍵詞:跨步土壤結(jié)構(gòu)等距

      丁 峰

      0 前言

      牽引變電所接地是維護(hù)牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行,保障設(shè)備及人身安全,防止雷電及靜電危害等必不可少的措施。根據(jù)(TB10009-2005)中相關(guān)規(guī)定,牽引變電所接地電阻值不應(yīng)大于0.5 Ω(當(dāng)流經(jīng)接地裝置的入地短路電流≥4 000 A 時),在特殊條件下,接地電阻值可提高到5 Ω[1]。然而,在處于高土壤電阻率地區(qū)且地網(wǎng)面積受限的牽引變電所,盡管采取了相關(guān)措施,也很難達(dá)到要求;即使采取措施使接地電阻滿足了要求,也不能完全排除接觸電勢及跨步電勢的危險,甚至處于技術(shù)經(jīng)濟(jì)均不合理的境地[2,3]。為保障供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行、保障操作人員的人身安全及變配電設(shè)備的安全,需要針對不同的地區(qū)、不同的土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)分析,合理設(shè)計,從而設(shè)計出滿足安全運(yùn)行要求的地網(wǎng)[4~6]。

      由加拿大SES 公司開發(fā)的CDEGS 軟件具有對土壤結(jié)構(gòu)及接地系統(tǒng)進(jìn)行分析計算的功能。本文利用CDEGS 軟件,通過對不同實(shí)測土壤電阻率的分析,模擬得出不同的土壤結(jié)構(gòu)模型,并根據(jù)該模型制定相應(yīng)的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及進(jìn)行仿真計算,以更準(zhǔn)確地評估地網(wǎng)性能,從而滿足牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求。該方法及思路可為牽引供電系統(tǒng)的接地設(shè)計提供借鑒。

      1 接地系統(tǒng)設(shè)計

      對于牽引變電所接地網(wǎng),在以往的設(shè)計中常存在一種誤區(qū),即過渡強(qiáng)調(diào)接地電阻值應(yīng)不大于0.5 Ω,片面地認(rèn)為變電所接地電阻只要做到小于0.5 Ω即可滿足接地設(shè)計要求;為了達(dá)到小接地電阻,甚至耗費(fèi)極大的物力、財力。隨著國內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展及與之配套的220 kV、330 kV 外電系統(tǒng)的接入,入地故障電流也隨之不斷增大,為確保人身及設(shè)備安全,維護(hù)供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,僅靠降低接地電阻來保障安全已變得越來越困難,尤其是高土壤電阻率地區(qū)。

      對牽引變電所而言,其接地的主要目的是為了在正常和事故狀態(tài)以及在所內(nèi)遭受雷擊的情況下,利用大地作為導(dǎo)流回路,將所內(nèi)設(shè)備接地處的電位鉗制在允許的安全范圍之內(nèi)。若所內(nèi)地網(wǎng)設(shè)計不合理,在某些情況下,變電所接地電阻即使很低,在發(fā)生接地故障時,仍可能出現(xiàn)很高的電位梯度,給運(yùn)行人員和設(shè)備帶來危險[3]。因此,牽引變電所的接地設(shè)計,除滿足小接地電阻的要求外,還應(yīng)綜合考慮接觸電勢和跨步電勢的要求,即接地系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)整體考慮,根據(jù)不同的土壤結(jié)構(gòu)制定出不同的接地方式,以達(dá)到均衡接地[2]的目的。

      接地設(shè)計的先決條件是應(yīng)知道決定地中電流分布規(guī)律的牽引變電所所址所在地的土壤電阻率。由于土壤電阻率是由大地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定,隨著地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化其常常表現(xiàn)出不均勻性,即變化范圍很大。從現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)來看,在同一區(qū)域,隨著地層的不同,土壤電阻率的變化范圍在幾十到上千Ω·m,因此,在工程設(shè)計中應(yīng)對各實(shí)測的土壤電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析、處理,以確定牽引變電所所址處的大地結(jié)構(gòu)等效土壤模型,并針對該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行相應(yīng)的地網(wǎng)計算、設(shè)計,從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理的接地設(shè)計目的。

      2 工程應(yīng)用分析

      2.1 工程實(shí)例1

      某新建電氣化鐵路擬建牽引變電所,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測土壤電阻率數(shù)據(jù),運(yùn)用CDEGS 軟件對牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1 所示。

      圖1 實(shí)例1 變電所土壤結(jié)構(gòu)分析曲線圖

      由分析結(jié)果可見,該所土壤結(jié)構(gòu)可大致分為4層;擬合曲線顯示,其土壤電阻率值根據(jù)地層由淺入深依次呈遞增趨勢。據(jù)此土壤結(jié)構(gòu)分別作地網(wǎng)導(dǎo)體等距分布及不等距分布2 種方案。

      (1)等距分布方案。地網(wǎng)水平接地體采用等距離布置,邊緣處設(shè)置垂直接地體。對該結(jié)構(gòu)地網(wǎng)作仿真計算,得變電所接地電阻值2.270 9 Ω(>0.5 Ω),另所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢計算結(jié)果見圖2和圖3。

      由圖2 及圖3 見,變電所接觸電勢及跨步電勢峰值均出現(xiàn)在地網(wǎng)邊緣處;根據(jù)二維等高線圖,所內(nèi)跨步電勢滿足要求,但接觸電勢無法滿足安全運(yùn)行需要。

      圖2 接地體等距分布接觸電勢二維等高線圖

      圖3 接地體等距分布跨步電勢二維等高線圖

      (2)不等距分布方案。地網(wǎng)水平接地體采用邊緣密集、中部稀松布置方式,且仍在地網(wǎng)邊緣處設(shè)置垂直接地體。根據(jù)仿真結(jié)果,變電所接地電阻值2.265 0 Ω(>0.5 Ω),其接觸電勢、跨步電勢見圖4 和圖5。

      由圖4 和圖5 可見,采用導(dǎo)體不等距分布方案后,變電所接地電阻值雖變化不大,但地網(wǎng)接觸電勢性能明顯優(yōu)于等距分布地網(wǎng),已基本能滿足安全運(yùn)行要求。

      圖4 接地體不等距分布接觸電勢二維等高線圖

      圖5 接地體不等距分布跨步電勢二維等高線圖

      2.2 工程實(shí)例2

      另新建電氣化鐵路牽引變電所,根據(jù)實(shí)測土壤電阻率得牽引變電所土壤結(jié)構(gòu)如圖6。

      圖6 實(shí)例2 變電所土壤結(jié)構(gòu)分析曲線圖

      圖6 顯示,本所土壤電阻率值由淺入深依次遞減。作等距分布及不等距分布地網(wǎng)仿真,分析如下。

      (1)等距分布方案。根據(jù)仿真計算,變電所接地電阻值0.432 58 Ω(<0.5 Ω)。所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢結(jié)果如圖7 及圖8。由各仿真結(jié)果可知,采用等距分布方案設(shè)置地網(wǎng),接地系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)可滿足安全運(yùn)行要求。

      圖7 接地體等距分布接觸電勢三維視圖

      圖8 接地體等距分布跨步電勢三維視圖

      (2)不等距分布方案。對不等距分布方案進(jìn)行仿真計算,得變電所接地電阻值為0.436 15 Ω(<0.5 Ω)。所內(nèi)接觸電勢、跨步電勢結(jié)果見圖9和圖10。

      圖9 接地體不等距分布接觸電勢三維視圖

      圖10 接地體不等距分布跨步電勢三維視圖

      由上述各圖可見,采用導(dǎo)體不等距分布方案亦可滿足安全運(yùn)行要求,但與等距分布方案相比,不等距分布方案地網(wǎng)接觸電勢及跨步電勢值較高。

      2.3 仿真結(jié)果分析

      根據(jù)上述仿真結(jié)果可見,牽引變電所接地,在無其他降阻措施時,其地網(wǎng)面積一經(jīng)確定,則接地電阻值就已基本確定,地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)體數(shù)量的變化對減小接地電阻值作用極?。▽?shí)例1 中地電阻值由2.270 9 Ω降至2.265 0 Ω僅變化了0.26%),故對于高土壤電阻率地區(qū)接地系統(tǒng)的設(shè)計,應(yīng)從均衡電位入手,統(tǒng)一考慮接地電阻、接觸電勢及跨步電勢,進(jìn)行整體設(shè)計,以使接地設(shè)計經(jīng)濟(jì)、合理,并滿足安全運(yùn)行要求。

      另對變電所內(nèi)接觸電勢及跨步電勢而言,由于最大跨步電勢安全門檻值常高于接觸電勢,因此滿足了所區(qū)內(nèi)接觸電勢的安全要求,也即可滿足跨步電勢的安全要求;仿真結(jié)果亦顯示,與接觸電勢相比,跨步電勢的安全要求通常較易滿足。

      此外,根據(jù)仿真結(jié)果,對于不同土壤結(jié)構(gòu)、不同電阻率分布地區(qū)的接地設(shè)計,應(yīng)考慮以下2 個方面:

      (1)當(dāng)表層土壤電阻率小于深層土壤電阻率時,應(yīng)在接地網(wǎng)邊緣區(qū)放置較多的導(dǎo)體,以減小接觸電勢及跨步電勢,達(dá)到均衡接地。

      (2)當(dāng)表層土壤電阻率大于深層土壤電阻率時,接地網(wǎng)內(nèi)導(dǎo)體應(yīng)均勻布置,以使地網(wǎng)達(dá)到最佳效果。

      3 結(jié)束語

      牽引變電所接地系統(tǒng)是否能夠滿足安全運(yùn)行要求,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否合理,取決于地網(wǎng)設(shè)計方法的正確性。對接地系統(tǒng)的設(shè)計,應(yīng)結(jié)合工程具體情況整體考慮,既應(yīng)避免僅從理論出發(fā),脫離實(shí)際,也應(yīng)避免只簡單注重低接地電阻,而忽視對地電位分布的分析;系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)從實(shí)際出發(fā),根據(jù)工程實(shí)施地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)狀況,具體分析,具體設(shè)計,做到安全可靠,技術(shù)先進(jìn),經(jīng)濟(jì)合理,從而達(dá)到均衡電位接地,滿足安全運(yùn)營的需要。

      [1] TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

      [2] 鄒建明.大型地網(wǎng)接地技術(shù)的研究[D].浙江大學(xué),2003.

      [3] 陳先祿,劉渝根,黃勇.接地[M].重慶大學(xué)出版社,2002.

      [4] 黃玲珍.高速鐵路牽引變電所接地系統(tǒng)影響因素的研究[J].電氣化鐵道,2009,(4).

      [5] 徐華,文習(xí)山,黃玲.大型變電站接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2005,(12).

      [6] 劉榮洲,劉力,陶相普.多層土壤接地系統(tǒng)設(shè)計的簡化和綜合[J].廣西電力,2006,(5).

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