對接地網(wǎng)腐蝕后性能的仿真研究

付娟,丁濤

摘 要：為了分析接地網(wǎng)腐蝕后的性能，采用場路結(jié)合的算法，建立了一種接地網(wǎng)不等電位模型并進(jìn)行仿真計算。利用節(jié)點(diǎn)電壓方程和導(dǎo)體之間的互阻關(guān)系，形成ATP-EMTP仿真電路。通過對接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕變細(xì)，電流注入點(diǎn)附近導(dǎo)體腐蝕斷線和接地網(wǎng)邊沿邊角處導(dǎo)體腐蝕斷線等情況下地表電位分布的仿真計算可以看出，接地網(wǎng)電流注入點(diǎn)附近及邊沿邊角處導(dǎo)體腐蝕斷線會造成接地網(wǎng)內(nèi)部巨大的電位差。研究表明，接地網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)電流注入點(diǎn)附近及邊緣邊角處的抗腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)； 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)； 地表電位分布； 腐蝕破壞； EMTP； 電流注入點(diǎn)

中圖分類號：TN710-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0136-03

Simulation Research of Grounding Grids′ Capability on Bad Case

FU Juan1,DING Tao2

(1.Department of Electrical Engineering，Xian Railway Vocational Technical Institute,Xian 710014,China；

2. The Logistics Service Management Center of the Schools in Xian,Xian 710016,China)

Abstract： A grounding system with unequal-potential model is built and simulated using field road combination algorithm to analyze the capability of the corrosion grounding grids. A model for computation of equivalent simulation grounding system ATP-EMTP is established. The distribution of the earth′s surface potential is computed in the case of distributing conductor corrosion and thinner. It shows that the entrance of electric current and the grounding system border′s conductor break off can result in a huge potential difference in the grounding system. The research indicates that the corrosion grounding grid should reinforce its borders′ capability in the entrance of electric current and anti corrosion.

Keywords： grounding system； node of grids； the earth′s surface potential； distributing corrosion destruction； EMTP； entrance of electric current

接地網(wǎng)是變電站安全運(yùn)行的重要保證，它不僅為變電站內(nèi)的各種設(shè)備提供公共參考地，而且在系統(tǒng)故障時能迅速排泄掉故障電流，降低變電站地電位升，保證人身和設(shè)備的安全［1-2］。在我國,接地網(wǎng)所用的材質(zhì)主要為普通碳鋼，其抗腐蝕性較差［3］，常因施工時焊接不良，漏焊或土壤的腐蝕、接地短路電流電動力作用等原因，造成接地網(wǎng)均壓導(dǎo)體之間或接地引線與均壓導(dǎo)體之間存在電氣連接不良的故障點(diǎn)［4］，從而使接地網(wǎng)接地性能變壞。工程上對地網(wǎng)接地性能好壞的檢測經(jīng)常通過對接地電阻的大小來間接判斷。但大量的事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，接地電阻不是判斷接地網(wǎng)性能的惟一標(biāo)準(zhǔn)［5］。對于大型接地網(wǎng),當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,接地網(wǎng)上的電位分布是不均勻的，接地網(wǎng)上不同點(diǎn)之間的電位差可能在不同儀器間形成電流［6］,造成干擾。因此，國內(nèi)外學(xué)者對于接地網(wǎng)不等電位進(jìn)行了大量研究，但其研究都是基于接地網(wǎng)完好的情況下進(jìn)行的，而對接地網(wǎng)在腐蝕和破壞情況下的性能研究很少，因此，有必要研究接地網(wǎng)在腐蝕和破壞情況下的性能。

1 對接地網(wǎng)模型的建立

假設(shè)接地網(wǎng)處于無限大的土壤介質(zhì)當(dāng)中，由四根導(dǎo)體組成“口”字形［7-8］，接地電流從其一角注入。注入到接地網(wǎng)中的電流在沿導(dǎo)體軸向流動的同時會向大地中泄漏，假設(shè)電流都是從每段導(dǎo)體的中點(diǎn)泄漏的，如圖1所示。

圖1 接地網(wǎng)簡化模型

根據(jù)圖1，可得4個電流泄漏點(diǎn)之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2中四段導(dǎo)體的泄漏電流［I］=［I5，I6，I7，I8］，相對于無窮遠(yuǎn)處的電位［U］=［U5，U6，U7，U8］。［U］,［I］與自阻抗和互阻抗的關(guān)系為：

圖2 接地網(wǎng)自電導(dǎo)和互電導(dǎo)示意圖

I5I6I7I8=

G11 G12 G13 G14

G21 G22 G23 G24

G31 G32 G33 G34

G41 G42 G43 G44

U5U6U7U8

(1)

式中： ［G］ 中Gii為自電導(dǎo);Gij為互電導(dǎo);i,j為電導(dǎo)的編號。

2 對腐蝕后接地網(wǎng)的仿真

本文使用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立了仿真模型［9-10］，進(jìn)行了大量仿真試驗(yàn)。如圖3所示。

圖3 接地網(wǎng)示意圖

算例為一個4×4個網(wǎng)格的正方形接地網(wǎng)，邊長為80 m，每個網(wǎng)格的邊長為20 m，地網(wǎng)的埋深為1 m，接地導(dǎo)體的等效半徑為0.01 m。假設(shè)土壤電阻率為100 Ω?m，接地導(dǎo)體為電阻率1.69×10-8 Ω?m的銅材，注入電流為10 000 A的工頻電流，注入點(diǎn)為地網(wǎng)角的A點(diǎn)，如圖3所示，假設(shè)10 000 A的故障電流由A點(diǎn)流入。

首先假設(shè)接地網(wǎng)導(dǎo)體全面腐蝕，導(dǎo)致所有導(dǎo)體的等效半徑變小，經(jīng)過計算可得出圖4。

圖4中線2為接地導(dǎo)體半徑是0.01 m時沿地網(wǎng)對角線的地電位升，線1為接地導(dǎo)體半徑是0.002 m時沿地網(wǎng)對角線的地電位升。從圖中可以明顯看出，線2要比線1平緩，且線2最高電位升比線1的低，這可能是由于導(dǎo)體尺寸過小時，電流不能快速有效地流入大地造成的。

圖4 導(dǎo)體腐蝕變細(xì)后地表電位升與原值的比較

以往的經(jīng)驗(yàn)和很多現(xiàn)場事實(shí)表明，在電流注入點(diǎn)處的接地網(wǎng)往往比其他點(diǎn)腐蝕的快些，因此首先模擬A點(diǎn)附近處的斷線情況。圖4中與A點(diǎn)連接的有兩條線，如果兩條線都被腐蝕斷線的話，則整個接地網(wǎng)將與電流注入點(diǎn)脫離，A點(diǎn)的電位升變得很大，接地網(wǎng)將失去作用。再模擬與A點(diǎn)連接的兩條線中一條斷線，另一條腐蝕變細(xì)為原來的1/4的情況，計算出圖3中虛線各交點(diǎn)的地電位升，結(jié)果如圖5(a)所示。

當(dāng)發(fā)生上述故障時，電流注入點(diǎn)附近的地電位升變得很高，而且斜率很大，這就增大了跨步電壓的危險和多點(diǎn)接地設(shè)備受損的可能。當(dāng)導(dǎo)體通過很大的電流時，導(dǎo)體因發(fā)熱斷裂的可能增大，會加劇對地網(wǎng)的破壞，由此可見電流注入點(diǎn)處地網(wǎng)的強(qiáng)度非常重要。

模擬B點(diǎn)周圍發(fā)生部分?jǐn)嗑€和全部斷線的情況，計算出圖4中每點(diǎn)的地電位升，可作圖5(b)和圖5(c)。從圖5(b)和圖5(c)可以看出，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)中心處的B點(diǎn)附近的部分導(dǎo)體斷裂時，B點(diǎn)上方的地電位稍有下降，其他點(diǎn)的變化不大。當(dāng)B點(diǎn)四周全部斷裂時，B點(diǎn)上方的地電位下降較大，但與其周圍的非導(dǎo)體正上方的地電位的差值反而變小。地網(wǎng)內(nèi)部的個別導(dǎo)體的損壞對地網(wǎng)影響較小。

模擬E點(diǎn)周圍發(fā)生部分?jǐn)嗑€和全部斷線的情況，計算出圖5中每點(diǎn)的地電位升，結(jié)果如圖5(d)和圖5(e)所示。從圖5(d)和圖5(e)可以看出地網(wǎng)邊緣處部分?jǐn)嗑€所引起的地網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)電位差的值比地網(wǎng)內(nèi)部分?jǐn)嗑€的情況要大。地網(wǎng)邊緣處全部斷線會造成地網(wǎng)內(nèi)部巨大的電位差，對安全構(gòu)成很大的威脅。

模擬F點(diǎn)周圍發(fā)生全部斷線的情況，計算出圖4中每點(diǎn)的地電位升，結(jié)果如圖5(f)所示。從圖5(f)可以看出，地網(wǎng)邊角處的損壞會把地網(wǎng)外部的強(qiáng)烈的地電位下降引到地網(wǎng)內(nèi)部，造成巨大的網(wǎng)內(nèi)電位差，這樣的情況對安全很不利。

由以上分析可得：地網(wǎng)邊緣邊角地區(qū)的接觸電壓、跨步電壓最大，為“危險區(qū)”，應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，保護(hù)人身安全。

圖5 對腐蝕后接地網(wǎng)的仿真

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用場路結(jié)合的思想將接地網(wǎng)導(dǎo)體間的互阻抗加入到接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓方程中，而后把節(jié)點(diǎn)電壓方程還原成等效電路，通過電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建了仿真電路。分別對接地網(wǎng)腐蝕變細(xì)的情況、電流注入點(diǎn)附近的導(dǎo)體腐蝕斷線的情況、接地網(wǎng)中心非電流注入點(diǎn)附近導(dǎo)體部分?jǐn)嗑€和全部斷線的情況、接地網(wǎng)邊緣和邊角導(dǎo)體部分?jǐn)嗑€和全部斷線的情況下地表電位的分布情況進(jìn)行了仿真計算。研究表明，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)接地網(wǎng)邊緣邊角處的抗腐蝕性能。

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