變電站地網(wǎng)參數(shù)的仿真計(jì)算與分析

摘 要：地網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算直接關(guān)系到變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行與運(yùn)檢人員的人身安全。文章運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室基于恒定電流場(chǎng)理論、表面電荷法等理論編制的計(jì)算地網(wǎng)參數(shù)的FORTRAN編程，根據(jù)某220kV變電站地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算了其地網(wǎng)參數(shù)。將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ORIGIN軟件繪制出地網(wǎng)的地面電位色階圖、地面電位三維圖、電位梯度三維圖，使得計(jì)算結(jié)果更加的直觀。計(jì)算結(jié)果可用于評(píng)估該變電站設(shè)計(jì)的合理性以及可靠性，為該站故障分析、地網(wǎng)改造、防護(hù)優(yōu)化提供參考意見(jiàn)，為后續(xù)變電站的地網(wǎng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地網(wǎng)參數(shù)；FORTRAN；ORIGIN；地面電位

引言

變電站、換流站是整個(gè)電力系統(tǒng)的心臟，其安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活息息相關(guān)[1]。地網(wǎng)是變電站（換流站）安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行的守護(hù)神，它直接關(guān)系到變電站巡檢人員的人身安全。地網(wǎng)的接地參數(shù)（地面電位分布、電位梯度分布等）的計(jì)算對(duì)地網(wǎng)設(shè)計(jì)、電站絕緣驗(yàn)證、變電站的連續(xù)運(yùn)行和巡檢人員人身安全具有十分關(guān)鍵的意義。

文章根據(jù)實(shí)驗(yàn)室基于恒定電流場(chǎng)理論、表面電荷法編制的可用于計(jì)算任意復(fù)雜變電站、換流站地網(wǎng)參數(shù)的FORTRAN程序[2～4]，對(duì)某220kV變電站實(shí)際工程進(jìn)行計(jì)算，得出了地面參數(shù)，并導(dǎo)入ORIGIN程序得出接地網(wǎng)電位和梯度分布的三維圖，可以更加直觀的評(píng)估地網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性與安全性，對(duì)地網(wǎng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、改造、維護(hù)具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1 交流變電站地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算

1.1 接地電阻的計(jì)算

220kV某變電站地網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1。圖中圓圈以及×分別代表3.5m、2.5m垂直接地體，其他代表水平接地體。地網(wǎng)埋深0.8m，變電站右上角帽檐式均壓帶埋深由內(nèi)及外依次為0.8m、1.6m、2.4m，土壤電阻率450？贅？鄢m，恒定電流為10kA。將地網(wǎng)導(dǎo)體半徑、導(dǎo)體長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)導(dǎo)入已編制的程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)受到儀器精確度、儀器布置準(zhǔn)確度等一系列不確定性因素影響，與實(shí)際值有細(xì)小誤差。由表1可知，實(shí)驗(yàn)室比例模型測(cè)量和程序計(jì)算之間的誤差在0.9%左右，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的高度吻合可以驗(yàn)證程序計(jì)算接地電阻的可行性與正確性。

1.2 地面電位計(jì)算

運(yùn)用已經(jīng)編制的程序計(jì)算該220kV交流變電站地面電位情況。計(jì)算結(jié)果如圖2、3、4。X、Y、Z軸分別表示地網(wǎng)橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)電位。計(jì)算步長(zhǎng)選擇0.25米，計(jì)算步長(zhǎng)越小計(jì)算結(jié)果精度越高，但是步長(zhǎng)過(guò)小會(huì)使得程序死循環(huán)，引起死循環(huán)的本質(zhì)原因是過(guò)小的計(jì)算步長(zhǎng)會(huì)引起恒定電流場(chǎng)相關(guān)數(shù)學(xué)方程無(wú)解。圖2中不同的顏色代表不同的電位，單位是伏特。由圖可知，電位分布與地網(wǎng)分布相似，呈現(xiàn)出矩形網(wǎng)格狀，網(wǎng)格中心點(diǎn)電位比網(wǎng)格線上電位低，這是屏蔽效應(yīng)的結(jié)果；變電站右上角大門處，地面電位變化比較平緩，且圖3顯示此處電位較低，圖4顯示此處電位梯度不大，這是設(shè)置了帽檐式均壓帶的結(jié)果。

從圖3可以看出除右上角外地面電位總體變化均勻；X=200，Y=350處，地面電位最大，最大值為16000V，是因?yàn)榇颂幋怪苯拥伢w布置較多，地網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的原因，另外也可以說(shuō)明地網(wǎng)并不是接地體越多，梯度電壓越低。

從圖4可以看出整個(gè)變電站的地面電位梯度變化總體均勻、較低，但是在地網(wǎng)四周有突出毛刺（表示電位梯度較高），是因?yàn)榇颂幬挥谧冸娬镜鼐W(wǎng)的邊界，地網(wǎng)與非地網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接處引起的電位升使得此處電位梯度較大。

2 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)比實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)計(jì)算電阻和程序計(jì)算接地電阻驗(yàn)證了程序的合理性和正確性；（2）文章程序可以計(jì)算規(guī)則矩形地網(wǎng)、不規(guī)則地網(wǎng)、圓形地網(wǎng)（如帽檐式均壓帶），實(shí)用性較強(qiáng)；（3）圖1中變電站計(jì)算得到的接地電取降低電阻的措施，可以考慮和相鄰地網(wǎng)并聯(lián)或者增加地網(wǎng)面積等措施；為防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，對(duì)可能將接地網(wǎng)的高電位引向站外或?qū)⒌碗娢灰蛘緝?nèi)設(shè)施，進(jìn)一步采取隔離措施；（4）地網(wǎng)分界點(diǎn)處電位梯度較高，可以借鑒圓形均壓帶降壓的措施進(jìn)行地網(wǎng)改進(jìn)，也可以在分界點(diǎn)鋪設(shè)電阻率較高的礫石、碎石等介質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]周浩.特高壓交直流輸電技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2014.

[2]王士鑫，任小花，繆志農(nóng).220kV變電站接地網(wǎng)的安全性分析[J].電測(cè)與儀表，2014，51（4）：96-101.

[3]羅曉雪，周文樂(lè)，邱宏烈.變電站接地網(wǎng)地面電位分布計(jì)算[J].現(xiàn)代電力，2010，27（5）：30-34.

[4]任小花.沖擊電流作用下電力接地網(wǎng)的安全性研究[D].西華大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：李雍（1990-），男，西華大學(xué)碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)防雷與接地技術(shù)方面的研究。