卓 越 蔣 偉

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

基于CDEGS軟件的變電站接地網(wǎng)優(yōu)化研究

卓 越 蔣 偉

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

CDEGS是一款可進行接地仿真設計的大型軟件，現(xiàn)結(jié)合具體工程，使用CDEGS軟件對變電站接地網(wǎng)絡進行了仿真建模，建立了多層土壤模型，對變電站接地網(wǎng)的接觸、跨步電勢差進行了三維計算校驗，結(jié)合校驗結(jié)果對接地網(wǎng)進行了優(yōu)化設計。使用CDEGS軟件，在接地網(wǎng)設計過程中可以找到技術(shù)性和經(jīng)濟性的最佳平衡點。

CDEGS軟件；接地網(wǎng)；優(yōu)化設計；多層土壤模型

1 CDEGS簡介

CDEGS軟件是由加拿大SES公司開發(fā)的，旨在解決電力系統(tǒng)接地、電磁場和電磁干擾等工程問題的強大工具軟件，它還可以解決陰極保護等問題。CDEGS軟件可在正常、故障、雷電和暫態(tài)條件下，計算地上或地下任意位置的帶電導線組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的接地電位、導線電位和電磁場。

2 常規(guī)接地設計方案的缺點

接地網(wǎng)作為變電站交直流設備接地及防雷保護接地，對維護系統(tǒng)的安全運行、保障運行人員和電氣設備的安全起著重要的作用。大多數(shù)設計單位對于變電站的接地設計仍采用了《交流電氣裝置的接地》推薦的設計方案及計算公式，常規(guī)變電站復合接地網(wǎng)的接地電阻計算方法，物理概念清晰，使用方便簡捷，但存在以下問題：(1) 沒有考慮土壤的不均勻性。大型變電站占地面積很大，故障時故障電流入地較深，深層土壤對接地網(wǎng)接地電阻影響較大，而將土壤視為均勻的，可能造成較大的計算誤差。(2) 只能初步估算變電站內(nèi)地電位升的平均值，不能計算變電站內(nèi)任意點的電位，無法分析變電站內(nèi)任意點的接觸電勢差和跨步電勢差，不利于接地網(wǎng)的全面安全設計。(3) 等電位模型不能反映接地導體材料對接地網(wǎng)性能的影響。變電站占地面積大，電氣設備分布范圍廣，故障時通過大故障電流的設備所處的位置不同，即電流注入點的位置不同，會使接地網(wǎng)的電位升高不同，等電位模型不能反映這種差異。(4) 等間距布置的大型接地網(wǎng)，其內(nèi)部導體的利用系數(shù)很低，導體散流密度小，地表電位梯度大。

隨著變電站電壓等級的提高，用于接地網(wǎng)的費用占變電站總投資的比例呈上升趨勢。如何科學準確地分析設計接地系統(tǒng)，在滿足接地網(wǎng)安全性的同時，兼顧投資的經(jīng)濟性，是在今后變電站接地設計中迫切需要解決的問題。在A變電站的工程設計中，筆者將利用CDEGS模塊對變電站進行“多層土壤模型”的接地電阻仿真計算及優(yōu)化設計。

3 基于CDEGS軟件的接地網(wǎng)優(yōu)化設計

3.1 水平接地網(wǎng)設計

變電站主接地網(wǎng)以水平接地網(wǎng)為主，水平接地網(wǎng)間距布置較小有利于降低接地網(wǎng)電阻與站內(nèi)電勢梯度，但是接地成本較高。較大的間距可以有效降低接地成本，但會增大接地網(wǎng)電阻和網(wǎng)格內(nèi)電勢梯度。為解決這一矛盾，尋求經(jīng)濟性與技術(shù)性的合理平衡點，利用CDEGS軟件對不同間距與接地網(wǎng)電阻的關(guān)系進行了分析計算。設接地網(wǎng)面積為300 m×300 m，土壤電阻率為100 Ω·m，水平接地網(wǎng)不同間距與接地網(wǎng)電阻及接地體長度關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 接地電阻隨水平接地網(wǎng)間距變化圖

圖2 接地體長度隨水平接地網(wǎng)間距變化圖

可見，隨著水平接地網(wǎng)間距減小，接地網(wǎng)電阻減小，但是減小幅度很小，且接地體長度急劇上升，接地成本呈倍數(shù)增加?？梢姡浇拥伢w間距在一定范圍內(nèi)，對接地電阻的影響不大，但接地成本起伏很大?？紤]設備尺寸及經(jīng)濟合理性，選取15 m×15 m間距作為A變電站主網(wǎng)最佳布置間距。

3.2 垂直接地網(wǎng)設計

為提高變電站發(fā)生短路故障時水平接地網(wǎng)的泄流能力，一般在主接地網(wǎng)水平導體交叉處安裝垂直接地極。然而，隨著接地網(wǎng)面積增大，垂直接地極數(shù)量大幅增加，投資也大幅上升。經(jīng)過CDEGS模塊對變電站接地網(wǎng)的仿真計算，發(fā)現(xiàn)在達到同等接地效果的情況下，可以對垂直接地極的布置方案進行局部優(yōu)化。根據(jù)CDEGS軟件計算優(yōu)化結(jié)果，筆者對優(yōu)化前方案與優(yōu)化后方案進行了綜合對比。與以往方案相比，優(yōu)化方案取消了接地網(wǎng)中央?yún)^(qū)域的垂直接地極。經(jīng)優(yōu)化后，節(jié)約垂直接地極投資57%，而對接地電阻、地電位升、跨步電勢差和接觸電勢差的影響不足0.1%。

3.3 接地網(wǎng)三維建模

在確定了A變電站水平接地網(wǎng)及垂直接地極的設計方案后，采用CDEGS模塊對A變電站接地網(wǎng)絡進行了3D建模，如圖3所示。

圖3 接地網(wǎng)三維模型圖

3.4 基于多層土壤模型計算接地電阻

根據(jù)地勘報告，A變電站場平后，對于站區(qū)土壤的分布產(chǎn)生一定影響。開方區(qū)主要出露黏性土、卵石層淺埋，局部地段位于基底的黏性土用做一般建筑物的天然地基，局部地段采用超挖換填進行處理，填方區(qū)將出現(xiàn)一定厚度的填土。為簡化土壤結(jié)構(gòu)模型，將土壤分布等效為2層：第1層起止深度為0～7 m，電阻率取100 Ω·m，反射系數(shù)取1；第2層起止深度為7 m以下，電阻率取400 Ω·m，反射系數(shù)取0.6。利用CDEGS可以較為便利地建立2層土壤電阻率分布模型，經(jīng)計算，A變電站主接地網(wǎng)接地電阻在該模型下計算值為0.449 Ω。

3.5 接觸、跨步電勢差的可視化校驗

經(jīng)CDEGS計算，A變電站跨步、接觸電勢差要求值可進行三維可視化直觀校驗，接觸電勢差全場分布圖如圖4所示。

由上文可知，CDEGS模塊可以通過三維接地網(wǎng)絡模型，直觀地反映出變電站短路時整個接地網(wǎng)絡跨步、接觸電勢差的分布情況，同時可以人工設置電勢差要求值，通過較為突出的顏色將跨步電勢差和接觸電勢差不滿足要求的位置和范圍清楚地反映出來。根據(jù)跨步電勢差、接觸電勢差的檢驗結(jié)果，可以對整個變電站接地網(wǎng)絡進行調(diào)整和優(yōu)化。

圖4 接觸電勢差分布三維圖

4 優(yōu)化結(jié)果

在A變電站中，由于邊沿采用不等距優(yōu)化設計，與等間距布置方案相比，A變電站跨步電勢差和接觸電勢差在全站中央?yún)^(qū)域分布更加均衡；同時，通過對圍墻邊緣增設5 m的水平均壓帶，大大降低了圍墻邊緣區(qū)域表面電位梯度；另外，優(yōu)化方案取消了接地網(wǎng)中央?yún)^(qū)域的垂直接地極，節(jié)約垂直接地極投資57%，而其對接地電阻、地電位升、跨步電勢差和接觸電勢差的影響不足0.1%。

2014-07-11

卓越(1980—)，男，四川自貢人，工學碩士，高級工程師，從事變電設計技術(shù)管理及工程管理工作。