王少華，孫紅燕

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510507；2.廣東匯安恒達(dá)管理顧問有限公司，廣東 佛山 528200)

?

特高壓試驗(yàn)基地接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的安全性評價(jià)與分析

王少華1，孫紅燕2

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510507；2.廣東匯安恒達(dá)管理顧問有限公司，廣東 佛山 528200)

特高壓試驗(yàn)研究/檢修基地包含的電力設(shè)備多，對接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的要求高。通過建立地網(wǎng)的導(dǎo)體模型和土壤模型，計(jì)算了基地地網(wǎng)接地阻抗以及電位分布，計(jì)算了現(xiàn)有模型下的接觸電勢和跨步電勢等參數(shù)，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否滿足預(yù)期的接地電阻、跨步電壓、接觸電壓的要求，并給出了建議。

接地網(wǎng)；導(dǎo)體模型；土壤模型；接地阻抗；跨步電壓；接觸電壓

1 基本情況

特高壓試驗(yàn)基地接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的區(qū)域包括試驗(yàn)檢修大廳、綜合辦公樓、備品備件設(shè)備庫、10 kV配電房4個(gè)區(qū)域，其地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案能否滿足預(yù)期的接地電阻、跨步電壓、接觸電壓的要求，關(guān)系到人身及設(shè)備安全的保障能否順利實(shí)現(xiàn)[1]。本項(xiàng)目通過CDEGS接地軟件包仿真計(jì)算的方法來檢驗(yàn)，可有效計(jì)算各種情況下任意由地上或地下的帶電導(dǎo)體所組成網(wǎng)絡(luò)中的電流和電磁場、大地電位及其分布、接地導(dǎo)體(網(wǎng))電位及其分布[2]。

2 地網(wǎng)模型的建立

2.1 接地導(dǎo)體模型

特高壓試驗(yàn)基地充分利用了建筑物基礎(chǔ)本身的鋼筋結(jié)構(gòu)，其接地導(dǎo)體包括人工敷設(shè)的水平和垂直接地體，以及建筑物基礎(chǔ)的自然接地體。建筑物基礎(chǔ)的自然接地體主要有地梁鋼筋、地坪內(nèi)鋼筋以及柱下樁等。

試驗(yàn)基地目前已確定地網(wǎng)設(shè)計(jì)的區(qū)域包括試驗(yàn)檢修大廳、綜合辦公樓、備品備件設(shè)備庫、10 kV配電房4個(gè)區(qū)域。4個(gè)區(qū)域兩兩之間采用銅帶在最近距離相連，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域地網(wǎng)總體電氣連接，見圖1。

圖1 基地各區(qū)域分布與增加銅帶示意圖

特高壓試驗(yàn)基地接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案如下：

1)試驗(yàn)檢修大廳地網(wǎng)面積約92.5 m×170 m，人工接地體采用銅材，埋深1.5 m，水平接地體采用截面50 mm×4 mm的扁銅，垂直接地體采用直徑為20 mm、長為10 m的垂直銅棒。圖2中上半部分試驗(yàn)大廳人工地網(wǎng)的網(wǎng)孔為8 m×8 m，下半部分檢修大廳的網(wǎng)孔有11 m×11 m和11 m×10 m兩種。同時(shí)，為了充分利用建筑物本身的鋼筋散流，在地坪內(nèi)采用截面40 mm×4 mm的扁鋼將各基礎(chǔ)柱下樁相連，有地梁的部分充分利用地梁。

2)綜合辦公樓地網(wǎng)面積約62.1 m×45.6 m，地網(wǎng)材料為鋼，鋪設(shè)了14根長為2.5 m的人工垂直接地體，充分利用了地網(wǎng)外周邊上的各基礎(chǔ)柱下樁。

3)備品備件設(shè)備庫敷設(shè)9 m×18 m的網(wǎng)孔，材料為鋼，利用基礎(chǔ)柱下樁，未另外敷設(shè)人工垂直接地體，地網(wǎng)面積72 m×36 m。

4)10 kV配電房地網(wǎng)面積31 m×17.8 m，外周邊敷設(shè)了1組長為2.5 m的垂直接地體，同樣充分利用了地網(wǎng)上各基礎(chǔ)柱下樁鋼筋。

在導(dǎo)體建模中，考慮到施工可能會造成有些灌注樁與地網(wǎng)間未實(shí)現(xiàn)電氣連接，所以僅用1根灌注樁模擬。同樣，對于地梁沿線上的柱下樁，從偏向保守的角度進(jìn)行考慮，如綜合辦公樓、備品備件設(shè)備庫地網(wǎng)中，僅考慮了水平導(dǎo)體交點(diǎn)處重點(diǎn)標(biāo)注地區(qū)的柱下樁。試驗(yàn)基地已設(shè)計(jì)地網(wǎng)整體的接地導(dǎo)體建模，見圖2。

圖2 地網(wǎng)整體接地導(dǎo)體建模

2.2 土壤模型

試驗(yàn)基地區(qū)域的土壤電阻率測量結(jié)果顯示，試驗(yàn)檢修大廳可分為3個(gè)電性層：第一電性層底部埋深8～12 m，厚度為8～12 m，平均厚度為9 m，視電阻率最高為100 Ω·m；第二電性層底部埋深12～18 m，厚度為5～10 m，平均厚度為8 m，視電阻率為100～150 Ω·m；第三電性層推斷厚度為5～10 m，推斷平均厚度為8 m，視電阻率為150～300 Ω·m。該測量結(jié)果深度明顯不夠，只達(dá)到了地下20 m，且結(jié)果均為視電阻率值，未反演成各層真電阻率。對角線長度達(dá)數(shù)百米的地網(wǎng)散流時(shí)，電流向下流散深度較大，可擴(kuò)散到數(shù)百米。

因此，在無準(zhǔn)確土壤電阻率測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)視電阻率估計(jì)土壤的分層模型，基于試驗(yàn)基地地區(qū)淺層土壤電阻率主要在100～200 Ω·m的范圍內(nèi)，且下層稍大的規(guī)律，計(jì)算了以下2種土壤模型下的接地電阻和電位分布[3]。

土壤模型1：均勻土壤模型，土壤電阻率為100 Ω·m。

土壤模型2：分層土壤模型，表層土壤電阻率為100 Ω·m，厚度為20 m，深層土壤電阻率為200 Ω·m。

3 仿真計(jì)算分析

3.1 目標(biāo)限值

高壓實(shí)驗(yàn)室接地網(wǎng)的接地電阻在最大地電流下電壓降應(yīng)不大于1.5 kV，且最大不得超過0.5 Ω；接地導(dǎo)體在最大地電流下電壓降應(yīng)不大于36 V，且最大不得超過0.05 Ω。為了站內(nèi)工作人員的安全，對于發(fā)電廠、變電所的接地裝置，接觸電位差Ut和跨步電位差Us不應(yīng)超過下列數(shù)值[5]。

式中：ρf為人腳站立處地面的土壤電阻率，Ω·m；t為接地短路(故障)電流的持續(xù)時(shí)間，s。那么在地表電阻率為100 Ω·m，故障電流持續(xù)時(shí)間為0.5 s時(shí)，接觸電位差允許值約為270.2 V，跨步電位差允許值約為339.5 V[6]。

由于人體電阻和接觸電阻的影響，人體電阻為1 500 Ω時(shí)，接觸電位差約是接觸電勢的90.9%，跨步電勢差約是接觸電勢的71.4%。因此，地表電阻率為100 Ω·m時(shí)，接觸電勢和跨步電勢的限值分別為297.2 V，475.5 V。

3.2 接地阻抗

現(xiàn)有接地網(wǎng)系統(tǒng)在土壤模型1下，接地阻抗為0.190 Ω；在土壤模型2下，接地阻抗為0.323 Ω，是前者的1.7倍。地網(wǎng)面積越大，電流流散深度越大，深層土壤電阻率的影響也越大[7]。各區(qū)域地網(wǎng)的接地阻抗詳見表1。

表1 各區(qū)域地網(wǎng)接地阻抗 Ω

模型中增加柱下樁或地坪樁個(gè)數(shù)的影響如下：

如果考慮水平導(dǎo)體沿線的每個(gè)柱下樁，對于綜合樓辦公室，在土壤模型1時(shí)其接地阻抗為0.502 2∠1.206° Ω，比現(xiàn)有模型接地阻抗減小10.8%；對于備品備件設(shè)備庫地網(wǎng)，在土壤模型1時(shí)其接地阻抗為0.547∠1.734° Ω，比現(xiàn)有模型接地阻抗減小15.6%。此時(shí)，基地地網(wǎng)總體接地阻抗在土壤模型1時(shí)為0.186 2∠4.457° Ω，比現(xiàn)有模型接地阻抗減小2.0%；在土壤模型2時(shí)基地地網(wǎng)總體接地阻抗為0.318 1∠2.832° Ω，比現(xiàn)有模型接地阻抗減小1.5%。下降百分比相對較低，主要是由于總體地網(wǎng)接地阻抗中，試驗(yàn)檢修大廳的影響是主要部分。

對于試驗(yàn)檢修大廳，若考慮水平導(dǎo)體沿線的每個(gè)柱下樁，在土壤模型1時(shí)其接地阻抗比現(xiàn)有模型下減小1.2%，若再考慮沿地梁布置的地坪樁，其接地阻抗比現(xiàn)有模型計(jì)算結(jié)果小1.6%。影響不大的原因主要是由于現(xiàn)有模型中試驗(yàn)檢修大廳面積較大，導(dǎo)體較多，在其中進(jìn)一步增加導(dǎo)體密集程度則會由于屏蔽效應(yīng)而對幫助散流的作用不明顯。

綜上所述，對每個(gè)區(qū)域均考慮每個(gè)柱下樁和地坪樁，則基地總體地網(wǎng)的接地阻抗在土壤模型1下比現(xiàn)有模型減小2.6%，在土壤模型2下比現(xiàn)有模型減小2.1%。在現(xiàn)有建模下進(jìn)一步增加地梁鋼筋的密度對接地阻抗的影響較小。

3.3 電位分布

3.3.1 短路入地電流

試驗(yàn)檢修大廳擁有如下主設(shè)備：工頻試驗(yàn)變壓器1臺，1 950 kV/3 900 kVA，短路電流為高壓側(cè)10 A，低壓側(cè)1.896 kA；直流發(fā)生器1臺，2 400 kV/100 mA，在0.01 s內(nèi)最大短路電流為10 A；沖擊發(fā)生器1臺，輸出電壓6 000 kV，波頭電阻360 Ω，短路電流5 kA，持續(xù)時(shí)間不超過100 μs；車間變壓器2臺，1 600 kVA，短路電流不明。依據(jù)上述主設(shè)備參數(shù)，考慮極端嚴(yán)酷的情況，假設(shè)各臺設(shè)備同時(shí)發(fā)生短路故障，此時(shí)入地電流最大。由于車間變壓器參數(shù)不明，最大工頻入地電流假設(shè)為5 kA，持續(xù)時(shí)間取0.5 s。

3.3.2 基地電位分布

短路電流注入點(diǎn)取沖擊發(fā)生器接地點(diǎn)，在土壤模型1下入地電流5 kA，試驗(yàn)基地地表標(biāo)量電勢分布、接觸電勢、跨步電勢、導(dǎo)體電位升分布見表2。

由此可見，注入點(diǎn)導(dǎo)體上方地面電位最大，隨著電流向外流散，地表電位和導(dǎo)體電位均逐漸降低，地表電位下降更快。接觸電勢在地網(wǎng)外圍離地網(wǎng)越遠(yuǎn)處由于地表電位下降而越大。但依據(jù)接觸電勢的定義，在地網(wǎng)邊界之外只需考慮1 m距離。因而接觸電壓最大值取為在地網(wǎng)邊界線外1 m處接觸電勢與網(wǎng)孔電壓之間的較大值?？绮诫妱菰诘鼐W(wǎng)邊角處最大。在其余土壤模型下，電位的分布特征與土壤模型1的分布特征一致，只是各點(diǎn)的具體數(shù)值會發(fā)生變化。在兩種土壤模型下的典型電位參數(shù)見表2。

表2 5 kA入地電流下基地地網(wǎng)典型電位參數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

1)土壤模型2的底層土壤電阻率比土壤模型1大，因而土壤模型2下的各參數(shù)也相比土壤模型1大；土壤模型的差異對接地電阻、導(dǎo)體最大電位升、地表最大電位升的影響較大，對導(dǎo)體電位差影響相對較小。

2)地網(wǎng)跨步電勢較小，只有數(shù)伏，在安全范圍內(nèi)。

3)接觸電勢比跨步電勢大，接觸電勢最大值在土壤模型1下和土壤模型2下分別為104.9 V和120.1 V，在安全允許范圍內(nèi)。

4)導(dǎo)體最大電位升在土壤模型1和土壤模型2下分別為948.1 V和1 613.2 V，后者電壓降超過了1.5 kV。當(dāng)然，此值是在多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)生短路故障入地電流達(dá)到5 kA時(shí)的結(jié)果，若要在土壤模型2下將地網(wǎng)最大電位升限制在1.5 kV，工頻最大入地電流不宜超過4.6 kA。

5)總體地網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)體電位差在土壤模型1和土壤模型2下分別為65.1 V和69.0 V。各區(qū)域部分來看，綜合辦公樓、備品備件設(shè)備庫、10 kV配電房的導(dǎo)體電位差均在36 V以下，試驗(yàn)檢修大廳整體地網(wǎng)電位差略高于36 V，達(dá)到了37.9 V。但其中試驗(yàn)大廳部分和檢修大廳部分的電位差均在36 V以下。

6)為了確保人身安全，在地網(wǎng)外圍有地電位引出處附近路面一般鋪設(shè)瀝青等高電阻率物質(zhì)，是確保人體即使與地網(wǎng)高電位接觸，流經(jīng)人身的電流也較小的有效措施。

3.3.3 在外圍增設(shè)1圈銅帶后的接地參數(shù)

為了進(jìn)一步減小地網(wǎng)接地阻抗、地電位差以及接觸電勢，在現(xiàn)有地網(wǎng)外圍增設(shè)1圈銅帶，銅帶距離地網(wǎng)邊界3 m，埋深1 m，銅帶上每隔5 m敷設(shè)1根長為2.5 m，直徑為20 mm的垂直銅棒，見圖1。在外圍增設(shè)1圈銅帶后，基地地網(wǎng)接地阻抗、接觸電勢等典型參數(shù)見表3。

表3 5 kA入地電流下，在外圍增設(shè)一圈銅帶后基地地網(wǎng)典型參數(shù)

可見，在地網(wǎng)外圍增設(shè)1圈銅帶，對接地電阻、最大地電位升、最大地表標(biāo)量電勢的影響不大，增設(shè)銅帶后在兩種土壤模型下的接地阻抗分別減小3.2%和2.8%。對電位差的影響相對較大，接觸電勢下降14%以上，各區(qū)域的導(dǎo)體電位差減小20%以上。在地網(wǎng)外圍增設(shè)銅帶后，各部分的導(dǎo)體電位差均在36 V要求范圍內(nèi)。

3.4 導(dǎo)體阻抗

高壓試驗(yàn)在試驗(yàn)檢修大廳內(nèi)進(jìn)行，因而只分析本區(qū)域的接地導(dǎo)體阻抗。考慮最嚴(yán)重的情況，以各區(qū)域處于對角的兩點(diǎn)之間的導(dǎo)體阻抗為對象，結(jié)果見表4。

表4 地網(wǎng)對角點(diǎn)之間的導(dǎo)體阻抗 Ω

在基本地網(wǎng)設(shè)計(jì)下，試驗(yàn)檢修大廳地網(wǎng)兩對角之間的導(dǎo)體阻抗超過了0.05 Ω，試驗(yàn)大廳兩對角之間的導(dǎo)體阻抗也超過了0.05 Ω，檢修大廳地網(wǎng)兩對角之間的導(dǎo)體阻抗略低于0.05 Ω。在外圍增設(shè)一圈銅帶后，試驗(yàn)檢修大廳地網(wǎng)對角兩點(diǎn)之間的阻抗稍高于0.05 Ω，但試驗(yàn)大廳和檢修大廳各自的地網(wǎng)對角點(diǎn)之間的阻抗均在0.05 Ω以下，滿足要求。

從上述仿真數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論。

1)基于現(xiàn)有基地20 m深內(nèi)土壤電阻率測量結(jié)果，估計(jì)了兩種土壤模型。模型1是電阻率為100 Ω·m的均勻土壤模型；模型2是表層厚度20 m電阻率為100 Ω·m，深層無限厚度電阻率為200 Ω·m的水平分層土壤模型[8]。

2)對于基本地網(wǎng)設(shè)計(jì)，在模型1土壤情況下，地網(wǎng)接地阻抗、最大地電位升、接觸電勢、跨步電勢等參數(shù)均在允許范圍內(nèi)。試驗(yàn)檢修大廳整體的最大導(dǎo)體電位差達(dá)37.9 V，比目標(biāo)限值(36 V)高5.2%，但試驗(yàn)大廳和檢修大廳各自的最大導(dǎo)體電位差則均在36 V以內(nèi)。在模型2土壤情況下，地網(wǎng)接地阻抗、接觸電勢、跨步電勢均滿足要求。最大地電位升僅在短路故障入地電流超過4.6 kA時(shí)超過了1.5 kV。試驗(yàn)檢修大廳整體的最大導(dǎo)體電位差同樣比目標(biāo)限值(36 V)高5.2%，試驗(yàn)大廳和檢修大廳各自的最大導(dǎo)體電位差則均在36 V以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過兩種基地地網(wǎng)的導(dǎo)體模型和土壤模型的建模，進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了特高壓試驗(yàn)基地接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案滿足了安全性，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。為了保障人身安全，應(yīng)盡量避免將地下高地電位引出距離過遠(yuǎn)，對與地網(wǎng)相連的地下管道采取隔離措施，在地網(wǎng)外圍有地面引出設(shè)備附近的路面鋪設(shè)瀝青等高電阻率物質(zhì)。

[1] 林康.變電站接地系統(tǒng)計(jì)算研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2011.

[2] 劉冉.基于CDEGS的變電站接地網(wǎng)腐蝕診斷研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[3] 張波.變電站接地網(wǎng)頻域電磁場數(shù)值計(jì)算方法研究及其應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2003.

[4] 李增.復(fù)雜土壤地區(qū)接地網(wǎng)電氣特性的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[5] 陳瀅.變電所接地網(wǎng)改造前應(yīng)驗(yàn)算接觸電位差和跨步電位差[J].廣西電力工程，1999(4)：104-106.

[6] 文志輝，杜水琴.大入地短路電流造成發(fā)電廠局部電勢超標(biāo)的研究[J].電力科學(xué)與工程，2009(6)：75-78.

[7] 戴玉松.基于沖擊電流法測量接地阻抗裝置的設(shè)計(jì)[D].成都：西華大學(xué)，2009.

[8] 張波，胡軍，馬邁周.分層土壤中三維復(fù)合接地網(wǎng)分析軟件的開發(fā)[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2015(3)：66-70.

Evaluation and Analysis of the Security of the Design of the Grounding Grid in the EHV Testing Base

WANG Shaohua1，SUN Hongyan2

(1．Overhauling and Testing Center of the EHV Transmission Company of CSG，Guangzhou Guangdong 510507，P.R.China；2．Guangdong Huianhengda Management Consulting Co., Ltd.，F(xiàn)oshan Guangdong 528200，P.R.China)

There are a lot of power equipment in an EHV testing research/overhaul base，so the design of the grounding grid is demanding．Based on the establishment of the conductor and soil models for the grounding grid，parameters like grounding impedance，potential distribution，contact and step potentials have been calculated to verify whether the designing scheme can meet the expectant requirements of grounding resistance，step and contact voltages．In addition，this paper gives relevant suggestions．

grounding grid；conductor model；soil model；grounding impedance；step voltage；contact voltage

2016-05-20

王少華(1982-)，工程師，研究方向?yàn)殡娏こ碳夹g(shù)和輸配電技術(shù)。

TM862

A

1008- 8032(2016)05- 0038- 05