張 業(yè)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安,710043）

0 緒論

在鐵路牽引供電系統(tǒng)中，為了工作和安全的需要，常將牽引供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備等與地中的接地裝置相連接，這就是接地。在牽引變電所中，作為接地裝置的是接地網(wǎng)，其在牽引變電所的安全運(yùn)行中起著十分重要的作用。如果接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，可能使得接地系統(tǒng)電位分布不均勻，某些部分電壓超過(guò)規(guī)定的安全限值，不僅會(huì)威脅到運(yùn)行人員的安全，還可能因電壓反擊造成低壓設(shè)備及二次設(shè)備的損壞，釀成牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行事故，由此造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

隨著牽引供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)越來(lái)越高，牽引供電系統(tǒng)的故障電流越來(lái)越大，對(duì)接地網(wǎng)的影響因素也越來(lái)越多，特別是西北戈壁灘等地區(qū)土壤電阻率較大，使得接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜。設(shè)計(jì)合理的接地網(wǎng)，其接地電阻、接觸電壓和跨步電壓都應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是接觸電壓。目前國(guó)內(nèi)仍然普遍采用傳統(tǒng)的公式近似計(jì)算法，只是單一的將接地電阻作為接地網(wǎng)設(shè)計(jì)合理與否的標(biāo)準(zhǔn)，值得商榷，因?yàn)闋恳冸娝拥鼐W(wǎng)設(shè)計(jì)的安全與否，實(shí)質(zhì)上完全是由電壓決定的，接地電阻小不一定接觸電壓和跨步電壓分布也合理；另外，在一些土壤電阻率很大的地區(qū)，要想滿(mǎn)足接地電阻是很困難的。針對(duì)這種問(wèn)題，本文通過(guò)利用接地網(wǎng)設(shè)計(jì)軟件CDEGS，介紹通過(guò)接地網(wǎng)仿真來(lái)合理設(shè)計(jì)牽引變電所接地網(wǎng)的方法。

1 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算及其設(shè)計(jì)方法

1.1 計(jì)算入地故障電流

根據(jù)國(guó)標(biāo)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，牽引變電所內(nèi)、外發(fā)生短路時(shí)，接地網(wǎng)的入地故障電流Ig可以按下列二式計(jì)算：

式中：Imax—牽引變電所內(nèi)發(fā)生故障時(shí)的最大接地故障對(duì)稱(chēng)電流有效值（A）；

In—牽引變電所內(nèi)發(fā)生故障時(shí)流經(jīng)其設(shè)備中性點(diǎn)的電流（A）；

Sf1、Sf2—分別為牽引變電所內(nèi)、外發(fā)生接地故障時(shí)的分流系數(shù)，具體計(jì)算方法可參看文獻(xiàn)[6,7]。

接地網(wǎng)的入地故障電流也可以參考《變電站銅質(zhì)接地網(wǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》的推薦意見(jiàn)。

1.2 接地網(wǎng)導(dǎo)體截面的選擇

目前世界上普遍采用的接地導(dǎo)體材料主要是鋼和銅。由于銅導(dǎo)體具有導(dǎo)電性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在我國(guó)新建牽引變電所接地網(wǎng)也普遍采用銅導(dǎo)體。接地網(wǎng)導(dǎo)體的截面積一般是先根據(jù)熱穩(wěn)定性要求來(lái)確定最小截面，然后再根據(jù)接地網(wǎng)的運(yùn)行壽命以及實(shí)測(cè)得到的土壤對(duì)接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕速度計(jì)算得到導(dǎo)體的截面積，將兩者進(jìn)行比較取最大值，最后考慮一定的裕度，確定選擇導(dǎo)體的截面積。

接地導(dǎo)體最小截面積應(yīng)符合下式的要求：

式中：Sg—接地導(dǎo)體的最小截面積（mm2）；

Ig—流過(guò)接地導(dǎo)體的最大接地故障電流（A）；

te—接地故障的等效持續(xù)時(shí)間（s）；

C—接地導(dǎo)體材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，與材料的種類(lèi)、性能及最大允許溫度和接地故障前導(dǎo)體的初始溫度有關(guān)，可查表獲得。

1.3 接地網(wǎng)接觸電壓和跨步電壓的確定

接地網(wǎng)的作用是保護(hù)牽引變電所內(nèi)工作人員和設(shè)備的安全，而對(duì)工作人員和設(shè)備產(chǎn)生威脅的就是接觸電壓和跨步電壓，因此，在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要校驗(yàn)接觸電壓和跨步電壓，使之符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，接觸電壓和跨步電壓應(yīng)不超過(guò)下列閥值]：

Cs—表層衰減系數(shù)，可通過(guò)查表確定；

ts—接地故障的等效持續(xù)時(shí)間（s）。

由上述兩式可以看出，跨步電壓的閥值要大于接觸電壓的閥值，而實(shí)際的接地網(wǎng)跨步電壓要比接觸電壓小，所以，如果接觸電壓符合國(guó)標(biāo)要求，那么跨步電壓也一定滿(mǎn)足要求，因而，在接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)中往往可以只校驗(yàn)接觸電壓而不必校驗(yàn)跨步電壓，在下文的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中，本文就會(huì)使用該方法。

1.4 接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法

利用仿真的方法設(shè)計(jì)接地網(wǎng)，可以通過(guò)兩步來(lái)完成接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)，即初始設(shè)計(jì)和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。初始設(shè)計(jì)就是基于經(jīng)驗(yàn)和牽引變電所接地的相關(guān)要求，以牽引變電所的等價(jià)土壤模型為基礎(chǔ)，建立一個(gè)初始的經(jīng)濟(jì)的接地系統(tǒng)構(gòu)造。對(duì)于接地網(wǎng)的初始設(shè)計(jì)，有幾點(diǎn)需要注意：

⑴ 雖然增大接地網(wǎng)的面積可以有效地降低接地電阻，但是盲目的擴(kuò)大其面積會(huì)增大設(shè)計(jì)成本；另外，在某些山區(qū)牽引變電所，由于環(huán)境問(wèn)題，隨意擴(kuò)大接地網(wǎng)的面積也是不現(xiàn)實(shí)的。所以，一般接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)面積以延伸至牽引變電所圍墻外1米為宜。

⑵ 接地網(wǎng)的均壓導(dǎo)體排列不宜過(guò)密。由于接地體之間的屏蔽效應(yīng)，過(guò)分增加均壓導(dǎo)體的數(shù)量并不能有效地降低接地電阻，甚至?xí)龃蠼拥仉娮?，一般?m、10m、15m為宜，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

⑶ 接地網(wǎng)的埋深達(dá)到一定值后，接地電阻減小很慢，所以不能無(wú)限制的增加接地網(wǎng)的埋設(shè)深度，一般取0.6 m~1 m。

實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明：初始的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供安全的接地網(wǎng)。在牽引變電所的絕大部分區(qū)域，接觸電壓超過(guò)安全值，而且最大值出現(xiàn)在接地網(wǎng)的角落。針對(duì)這種情況，可以考慮在接地系統(tǒng)的邊緣區(qū)域放置更多的導(dǎo)體，對(duì)于如如何最優(yōu)地在接地網(wǎng)的邊緣增加導(dǎo)體，可以依據(jù)下述的基本指導(dǎo)原則：

⑴ 當(dāng)表層土壤電阻率比深層土壤電阻率小時(shí)，應(yīng)在接地網(wǎng)的邊緣區(qū)放置較多的導(dǎo)體。導(dǎo)體在接地網(wǎng)外邊緣區(qū)域的密集程度應(yīng)該隨著表層和深層土壤電阻率比的增加而增加。

⑵ 當(dāng)表層土壤電阻率比深層土壤電阻率大時(shí)，降低壓縮比，使導(dǎo)體均勻布置。條件是此時(shí)表面土壤電阻率與深層土壤電阻率比率足夠大（5或者更大），并且表層土壤的厚度比接地系統(tǒng)的尺寸小（1/5或者更?。?/p>

⑶ 當(dāng)表層土壤電阻率比深層土壤電阻率大的多，且厚度足夠小時(shí)，使用深入較深土壤層的垂直接地體可以有效地降低接地電阻、接觸電壓和跨步電壓，并且當(dāng)垂直接地體的長(zhǎng)度接近接地網(wǎng)等值半徑時(shí)效果最好。

2 工程實(shí)踐

330Kv**牽引變電所接地網(wǎng)的占地面積約為120×120m2，經(jīng)測(cè)量分析接地網(wǎng)周?chē)耐寥朗褂秒p層土壤模型表示比較合理：上層土壤電阻率為1000Ω·m，厚度為5m，下層土壤電阻率為200Ω·m。接地網(wǎng)的入地故障電流根據(jù)《變電站銅質(zhì)接地網(wǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》取為40kA。由于該地區(qū)腐蝕比較嚴(yán)重，接地網(wǎng)材料選取為圓銅，其半徑為0.005m。

根據(jù)前面的分析可知，首先進(jìn)行接地網(wǎng)的初始設(shè)計(jì)，由于土壤電阻率比較大，選取較小的接地網(wǎng)導(dǎo)體間距比較合適，這里選為5m，接地網(wǎng)埋深為0.6m,則根據(jù)上述條件，建立接地網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，可以得到的接地電阻為1.12Ω，繪制的接地網(wǎng)接觸電壓示意圖如圖3-1所示，其中彩色部分表示接觸電壓超出國(guó)標(biāo)規(guī)定的閥1469 v的位置。

圖3-1 初始設(shè)計(jì)時(shí)接觸電壓超出閥值位置示意圖

由仿真結(jié)果可知，該接地網(wǎng)的接地電阻和接觸電壓都超出規(guī)定的閥值，應(yīng)當(dāng)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)接地網(wǎng)的優(yōu)化原則可知，當(dāng)當(dāng)表層土壤電阻率比深層土壤電阻率大的多，且厚度足夠小時(shí)，可以使用深入較深土壤層的垂直接地體來(lái)降低接地電阻。根據(jù)該原則，在接地網(wǎng)的外邊緣，每隔10m裝設(shè)長(zhǎng)度為80m的垂直接地體，再次進(jìn)行仿真得到的接地電阻為0.45Ω，接觸電壓超出閥值的部分的圖形如圖3-2所示。

圖3-2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后接觸電壓超出閥值位置示意圖

對(duì)優(yōu)化后的接地網(wǎng)進(jìn)行仿真可以看出，該接地網(wǎng)的接地電阻和接觸電壓都滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，而且該接地網(wǎng)設(shè)計(jì)比較規(guī)范，易于施工。

從上述的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)可以看出，該方法不僅能計(jì)算接地電阻，而且能繪制接觸電壓等的分布圖，這既能直觀(guān)的觀(guān)察電壓的分布，又便于分析接觸電壓過(guò)大的部位，有利于合理的修改接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

總之，經(jīng)過(guò)上面的分析可以看出，對(duì)于接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)，采用仿真的方法來(lái)設(shè)計(jì)接地網(wǎng)具有依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)設(shè)計(jì)接地網(wǎng)所不能比擬的巨大優(yōu)勢(shì)：利用仿真的方法設(shè)計(jì)接地網(wǎng)，不僅能提供接地網(wǎng)電壓的具體分布圖，而且便于尋找電壓過(guò)大的位置，這使得在對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)更加具有針對(duì)性，消除了傳統(tǒng)的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)只關(guān)注接地電阻而忽略電壓分布的缺點(diǎn)。