牽引變電所接地網(wǎng)阻抗的計(jì)算與仿真

摘要：研究目的：本文以某條電氣化快速鐵路的一座牽引變電所為研究對(duì)象，對(duì)其接地網(wǎng)阻抗進(jìn)行計(jì)算和仿真，并與接地測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證阻抗計(jì)算與仿真的準(zhǔn)確性。研究結(jié)論：計(jì)算結(jié)果與測(cè)量情況相差較大，原因在于公式?jīng)]有準(zhǔn)確體現(xiàn)接地網(wǎng)所在土壤的電阻率分布情況;仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量情況比較接近實(shí)際，可以作為估算接地網(wǎng)阻抗的有效工具。

關(guān)鍵詞：變電所;接地阻抗;CDEGS

中圖標(biāo)識(shí)碼：TM930? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言

接地阻抗值是發(fā)電廠、變電站接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，是衡量接地系統(tǒng)的有效性、安全性以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)要求的重要參數(shù)[1]。接地網(wǎng)的接地阻抗若是過高，在發(fā)生接地故障時(shí)可能造成中性點(diǎn)電壓偏移增大，損壞設(shè)備;在遭受雷電波時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很高的殘壓，使附近設(shè)備受到反擊的威脅，并降低地網(wǎng)所保護(hù)設(shè)備帶電導(dǎo)體的耐雷水平。因此在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)時(shí)，需要通過計(jì)算或仿真對(duì)接地阻抗進(jìn)行估算，保證接地網(wǎng)實(shí)際參數(shù)能夠滿足相關(guān)要求。

CDEGS是以電磁理論為基礎(chǔ)寫成的分析軟件，不受頻率限制，所以分析結(jié)果十分精確，具有接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析、電磁干擾研究等一系列功能[2]。本文主要以牽引變電所為研究對(duì)象，通過對(duì)其接地網(wǎng)進(jìn)行理論計(jì)算和CDEGS仿真，并與接地測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證理論計(jì)算與CDEGS仿真的準(zhǔn)確性。

1 牽引變電所基本信息

該牽引變電所接地網(wǎng)長(zhǎng)76m，寬65.5m，埋深0.8m，總面積4864m2。水平接地體為150mm2銅絞線，全長(zhǎng)1790m。垂直接地極為Φ20mm長(zhǎng)2.5m的純銅棒。電纜支架接地線采用-50×5扁鋼，并與牽引變電所接地網(wǎng)相連。室外架構(gòu)、室外地上設(shè)備、集中接地箱、端子箱外殼采用Φ16圓鋼作接地引下線，連接牽引變電所接地網(wǎng)。獨(dú)立避雷針的接地裝置與變電所牽引變電所接地網(wǎng)地中距離不宜小于3m。室內(nèi)引至室外接地線采用Φ16的圓鋼，并與牽引變電所接地網(wǎng)相連。

該變電所的土壤結(jié)構(gòu)分布如表1所示。

2 接地電阻理論計(jì)算

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB T50065-2011），可參照其附錄A（土壤中人工接地極工頻接地電阻的計(jì)算），對(duì)變電所接地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行計(jì)算。

2.1 水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地極的簡(jiǎn)化計(jì)算

水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地極接地電阻。其中S為大于100m2的閉合接地網(wǎng)的面積[3]。

代入牽引變電所接地網(wǎng)的基本數(shù)據(jù)，即ρ=16.19Ω·m，S=4864m2，計(jì)算可得R=0.116Ω。

2.2 水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地極的精確計(jì)算

相比上式，更為精確、誤差更小的公式如下：

式中，Rn是任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻（Ω）;Re是等效方形接地網(wǎng)的接地電阻（Ω）;S是接地網(wǎng)的總面積（m2）;d是水平接地極的直徑或等效直徑（m）;h是水平接地極的埋設(shè)深度（m）;L0是接地網(wǎng)的外緣邊線總長(zhǎng)度（m）;L是水平接地極的總長(zhǎng)度（m）。

代入接地網(wǎng)數(shù)據(jù)可得Rn=0.1091Ω。

以上兩式，即水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地極的簡(jiǎn)化計(jì)算和精確計(jì)算，適用范圍均為處于均勻土壤條件下的接地網(wǎng)，而由表1可知，變電所的土壤結(jié)構(gòu)分布比較復(fù)雜，由淺至深土壤電阻率逐漸增大，以上計(jì)算中使用的是最表層土壤的土壤電阻率，可以預(yù)見計(jì)算所得結(jié)果必然偏小。

2.3 兩層土壤的接地電阻的計(jì)算

土壤在豎直方向具有兩個(gè)剖面結(jié)構(gòu)，則水平電網(wǎng)接地電阻值，其中ρ1、ρ2為上下層土壤電阻率，S為接地網(wǎng)總面積，K為系數(shù)。其中K可由接地面積、網(wǎng)孔個(gè)數(shù)、接地體半徑、接地體長(zhǎng)寬比與系數(shù)K的關(guān)系圖表查得。[4]

根據(jù)數(shù)據(jù)及圖表，只考慮變電所土壤中的表面兩層，可算得，≈0.3Ω。由于考慮到電阻率更高的第二層土壤，該數(shù)值比前兩節(jié)的計(jì)算結(jié)果更大。同樣，由于未考慮第三層電阻率更高的土壤，可以預(yù)見本計(jì)算結(jié)果依然偏小。

3 接地阻抗仿真計(jì)算

接地網(wǎng)所在土壤的電阻率分布不均勻，使得簡(jiǎn)單的公式無法對(duì)阻抗進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。這里可以考慮利用CDEGS進(jìn)行仿真。

利用CDEGS中的SESCAD工具建立牽引所接地網(wǎng)模型與鐵路綜合接地系統(tǒng)模型，再使用MALZ（接地網(wǎng)分析）模塊，結(jié)合表1的土壤結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)接地阻抗進(jìn)行仿真計(jì)算。其中仿真計(jì)算時(shí)入地短路電流取7000A，在回流箱處注入牽引所地網(wǎng)。當(dāng)牽引所接地網(wǎng)與綜合地線不連接時(shí)，不同電流注入點(diǎn)的接地阻抗仿真計(jì)算值分別為0.744∠170.17°、0.744∠170.21°、0.744∠170.09°。

4 接地阻抗測(cè)量與分析

進(jìn)行接地阻抗測(cè)量時(shí)，采用8000型接地裝置特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，如圖4所示。當(dāng)牽引變電所接地網(wǎng)未與綜合接地系統(tǒng)、110kV進(jìn)線避雷線連接時(shí)，采用夾角法布線測(cè)量其接地阻抗，如圖5所示。

變電站接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試一般要求采用電流-電壓線夾角布置的方式[5]。

當(dāng)牽引變電所接地網(wǎng)與綜合接地系統(tǒng)或者110kV進(jìn)線避雷線連接之后，應(yīng)采用反向遠(yuǎn)離法布線測(cè)量其接地阻抗，如圖6所示[6]。為反映電流注入點(diǎn)不同對(duì)測(cè)量的影響，選取3個(gè)不同注入點(diǎn)，如圖7所示。

當(dāng)牽引所接地網(wǎng)與綜合接地系統(tǒng)不連時(shí)，測(cè)得3個(gè)不同電流注入點(diǎn)處的接地阻抗分別為0.738Ω、0.746Ω、0.754Ω，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

可將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算仿真結(jié)果粗略對(duì)比：測(cè)量接地電阻大小約為0.75Ω;理論公式計(jì)算接地電阻大小分別為0.11Ω（單層）和0.3Ω（雙層），誤差高達(dá)85%和60%;仿真結(jié)果約等于0.746Ω，誤差約為0.5%。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，而仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常相近，如表3所示。

5 結(jié)論

變電所的土壤結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常規(guī)的接地阻抗計(jì)算公式無法反映實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果往往誤差很大，不能作為參考;CDEGS的接地阻抗仿真計(jì)算誤差很小，基本與實(shí)測(cè)值保持一致，可以有效預(yù)測(cè)變電所接地阻抗的大小，對(duì)變電所設(shè)計(jì)起到一定輔助作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 曾嶸.垂直分層土壤中測(cè)試電極布置對(duì)變電站接地電阻測(cè)量值的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（10）：36-39.

[2]? 王小鳳. CDEGS軟件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2007.

[3]? 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 50065—2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：47-50.

[4]? 叢遠(yuǎn)新等.接地設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：26-34.

[5]? 國(guó)家能源局. DL/T 475—2017，接地裝置特性參數(shù)測(cè)試導(dǎo)則[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2017：1-50.

[6]? 中華人民共和國(guó)鐵道部. TBT3233-2010，鐵路綜合接地系統(tǒng)測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2010：1-7.

通信作者簡(jiǎn)介：

李晨琨（1991），男，助理工程師，工學(xué)碩士，主要從事鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作

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