陳志紅，朱力宏

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450052）

基于CDEGS的雙層接地網(wǎng)仿真研究

陳志紅，朱力宏

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450052）

由于土地資源日益緊缺，變電站占地面積越來越小，僅僅依靠單一的水平接地網(wǎng)很難在變電站站址范圍內(nèi)構(gòu)造出滿足要求的接地。在南方丘陵地區(qū)，對(duì)一些建在推土、墊土等山坡地帶的變電站，利用小山坡，凹地構(gòu)建雙層地網(wǎng)，充分利用變電站區(qū)域，有效的降低變電站接地電阻，同時(shí)也能解決由墊土層形成的雙層土壤的親和問題。對(duì)雙層接地網(wǎng)與垂直接地極進(jìn)行仿真比較，并通過仿真分析了江門某換流站的雙層接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，提出了在土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接地面積小的地方實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的接地選擇，因此對(duì)雙層接地網(wǎng)在山地、丘陵和上坡等特殊環(huán)境的研究具有一定的意義。

雙層接地網(wǎng)；降阻；換流站；CDEGS仿真

0 引言

將電力系統(tǒng)或電氣裝置的某一部分經(jīng)接地線連接到接地極稱為接地。接地技術(shù)涉及到地質(zhì)、土壤、材料、電氣等多個(gè)學(xué)科，相關(guān)應(yīng)用面也十分廣泛，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也具有重要的理論意義[1-2]。接地的作用主要是防止人身遭受電擊、設(shè)備和線路遭受損壞、預(yù)防火災(zāi)和防止雷擊、防止靜電損害和保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行[3]。

接地是為保證電工設(shè)備正常工作和人身安全而采取的一種用電安全措施，通過金屬導(dǎo)線與接地裝置連接來實(shí)現(xiàn)，常用的有保護(hù)接地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防靜電接地等。接地裝置將電工設(shè)備和其他生產(chǎn)設(shè)備上可能產(chǎn)生的漏電流、靜電荷以及雷電電流等引入地下，從而避免人身觸電和可能發(fā)生的火災(zāi)、爆炸等事故[4]。

近年來，由于土地資源日益緊缺，變電站占地面積越來越小，僅僅依靠單一的水平接地網(wǎng)很難在變電站站址范圍內(nèi)構(gòu)造出滿足要求的接地。在南方丘陵地區(qū)，對(duì)一些建在推土、墊土等山坡地帶的變電站，利用小山坡，凹地構(gòu)建雙層地網(wǎng)，充分利用變電站區(qū)域，有效的降低變電站接地電阻，同時(shí)也能解決由墊土層形成的雙層土壤的親和問題。因此對(duì)雙層接地網(wǎng)的研究具有十分重要的意義。

國外主要以IEEE Std80-2000即IEEE變電站安全導(dǎo)則為標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)發(fā)變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作，同時(shí)，各國接地方面的電氣工程師從實(shí)際工程出發(fā)不斷對(duì)IEEE變電站安全導(dǎo)則進(jìn)行完善，使得在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)工作中對(duì)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的等接地參數(shù)解析計(jì)算精度不斷提高[5]。

地網(wǎng)接地電阻計(jì)算是工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作，可以采用有限元法[6-10]或矩量法。鏡像法或復(fù)數(shù)鏡像法是典型的矩量法[11-12]，通過搭建變電所與換流站所在地的土壤模型和地網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，CDEGS （current distribution，electromagnetic field，grounding and soil structure analysis）是由加拿大安全工程服務(wù)與技術(shù)公司開發(fā)的，用于精確分析接地、電磁場(chǎng)、電磁干擾等問題的軟件，目前國內(nèi)的變電站接地問題普遍采用該軟件進(jìn)行仿真分析，CDEGS[13-15]應(yīng)用的就是矩量法。筆者應(yīng)用CDEGS軟件仿真對(duì)江門某換流站雙層接地網(wǎng)進(jìn)行仿真分析，通過與垂直接地極進(jìn)行比較，提出在變電站接地網(wǎng)面積小，土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下怎樣實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的降阻，保證變電站人員與設(shè)備的安全。

1 雙層接地網(wǎng)與垂直接地極的比較

雙層接地網(wǎng)與垂直接地極均是利用下層低土壤電阻率區(qū)域以達(dá)到降低接地電阻的目的。雙層地網(wǎng)主要利用中下層水平面上的低土壤電阻率區(qū)域，而垂直接地極更加傾向于利用更深層的低土壤電阻率區(qū)域。因此，從理論上說，垂直接地極更加適合地下深層具有大的低土壤電阻率區(qū)域，而雙層地網(wǎng)傾向于分塊土壤結(jié)構(gòu)的區(qū)域，即土壤中只有一塊有限的低土壤電阻率區(qū)域。

本次仿真分別將雙層接地網(wǎng)和加裝垂直接地極的水平接地網(wǎng)在雙層土壤結(jié)構(gòu)和三層土壤結(jié)構(gòu)的接地性能進(jìn)行比較。雙層土壤結(jié)構(gòu)采用上層土壤電阻率為2 000 Ω·m，厚6 m，下層土壤電阻率分別為100、200、400、1 000 Ω·m；三層土壤結(jié)構(gòu)上下層土壤電阻率均為2 000 Ω·m，上層土壤厚4 m，中層土壤電阻率分別為 100、200、400、1 000 Ω·m，厚 4 m。雙層地網(wǎng)上下層面積均為 100×100（m2），上層網(wǎng)格10 m，下層網(wǎng)格50 m；埋深10 m。加裝垂直接地極的水平地網(wǎng)中水平地網(wǎng)與雙層地網(wǎng)的上層地網(wǎng)相同，垂直接地極加裝在水平地網(wǎng)四角。

表1為在雙層以及三層土壤結(jié)構(gòu)時(shí)，不同土壤電阻率下，達(dá)到與雙層地網(wǎng)相近的降阻效果時(shí)垂直接地極所需的埋設(shè)深度。由表中可以看出，如要達(dá)到與雙層地網(wǎng)相近的降阻效果，垂直接地極在雙層土壤結(jié)構(gòu)比在三層土壤結(jié)構(gòu)中所需的打井深度要淺。同時(shí)，隨著下層土壤電阻的降低，達(dá)到與雙層地網(wǎng)相近的降阻效果時(shí)垂直接地極所需的埋設(shè)深度隨之增大。由于增設(shè)下層地網(wǎng)所增加的投入與下層地網(wǎng)埋深有關(guān)，即與上層土壤厚度有關(guān)。但由于埋深并不影響地網(wǎng)的接地性能，因此，雙層地網(wǎng)資金投入與具體地形有關(guān)。而深井造價(jià)與地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，巖層和粘土的價(jià)格差異巨大，深井造價(jià)受工程實(shí)際情況的密切影響。在一般情況下，增大地網(wǎng)面積有困難且地下深處有低土壤電阻率區(qū)域時(shí)，使用垂直接地極能達(dá)到更加理想的效果；而在三層土壤結(jié)構(gòu)，即低土壤電阻率區(qū)域十分有限時(shí)，使用雙層地網(wǎng)效果更好。

表1 雙層地網(wǎng)與垂直接地極的比較Table 1 Comparison of double layer grounding grid and vertical grounding electrodes

2 某換流站接地網(wǎng)仿真

某換流站地網(wǎng)采用復(fù)合接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路，共設(shè)置上層和下層兩層水平接地網(wǎng)，其中，上層水平接地網(wǎng)以站址圍墻為界，采用-80×8鍍鋅扁鋼在全站敷設(shè)，下層水平接地網(wǎng)在征地范圍內(nèi)，利用地形條件局部敷設(shè)-80×8鍍鋅扁鋼，上、下兩層水平接地網(wǎng)采用-80×8鍍鋅扁鋼相互連接。此換流站設(shè)計(jì)標(biāo)高采用1985年國家高程系，全站場(chǎng)地平整后最終高程為49.5 m，上層水平接地網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)高在49.5 m下約0.8 m；深層水平接地網(wǎng)敷設(shè)在填方區(qū)域，設(shè)計(jì)標(biāo)高約為32～40 m。本次工程挖方區(qū)土壤電阻率較高（1 400 ～1 900 Ω·m），而部分填方區(qū)土壤電阻率較低（179～890 Ω·m）且土層濕潤。 為加強(qiáng)接地網(wǎng)的散流能力，降低接地網(wǎng)的接地電阻，利用場(chǎng)地自然地形中水溝等低洼地，在土壤電阻率較低的回填土區(qū)域敷設(shè)下層接地網(wǎng)。另外，充分利用站外南側(cè)和西側(cè)的閑置魚塘區(qū)域，待其清淤完成后，采用鍍鋅扁鋼依地勢(shì)敷設(shè)間距為35 m×35 m的水平接地網(wǎng)，并與下層接地網(wǎng)可靠連接，以起到增強(qiáng)散流的作用。

本次仿真采用垂直分塊土壤模型，包圍上層地網(wǎng)的土壤塊土壤電阻率取1 200 Ω·m，厚10 m，在它下面的土壤塊電阻率為800 Ω·m，厚8 m，周圍土壤電阻率為2 000 Ω·m。其地網(wǎng)如圖1—圖3所示，其下層地網(wǎng)埋深14 m，接地導(dǎo)體等值半徑0.028 m。

圖1 上層接地網(wǎng)Fig.1 The upper grounding grid

圖2 下層接地網(wǎng)Fig.2 The lower grounding grid

分別對(duì)上層地網(wǎng)，下層地網(wǎng)、上下層復(fù)合地網(wǎng)以及在復(fù)合網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加斜接地極進(jìn)行仿真，得其接地性能參數(shù)如表2所示。

圖3 復(fù)合網(wǎng)Fig.3 Compound grounding grid

表2 江門地網(wǎng)仿真結(jié)果Table 2 Jiangmen grounding grid simulation results

從表2中可以看出以下幾點(diǎn)：

1）單一的上層地網(wǎng)跨步電壓為109 V，雙層網(wǎng)的跨步電壓直接下降到59.61 V，跨步電壓降低約50%。接觸電壓也有下降，跨步電壓的大幅度下降有利于更好地保障人身和設(shè)備的安全。

2）對(duì)于此接地網(wǎng)中在上層水平接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上增設(shè)下層接地網(wǎng)對(duì)接地電阻的改變十分微小，上層地網(wǎng)接地電阻為1.71 Ω，雙層網(wǎng)接地電阻為1.68 Ω，很明顯接地電阻下降比較小，這是由于雙層接地網(wǎng)由于下層可利用的低土壤電阻率區(qū)域太小導(dǎo)致下層地網(wǎng)的敷設(shè)受到限制，而且上下層土壤電阻率差異并不是太大，上層土壤電阻1 200 Ω·m，下層土壤電阻率800 Ω·m，下層地網(wǎng)的降阻效果相對(duì)于上層地網(wǎng)的降阻效果十分不明顯。增加下層地網(wǎng)后，跨步電壓降低十分明顯，表明下層地網(wǎng)具有一定的均壓效果。

3）對(duì)于增加斜接地極的雙層地網(wǎng)，無論是從接地電阻、跨步電壓，還是從接觸電壓方面來看，都沒有獲得降租減壓的效果，反而增加接地網(wǎng)的花銷，帶來資源的浪費(fèi)。

4）綜合表1和表2中的數(shù)據(jù)來看，雙層接地網(wǎng)中上下層地網(wǎng)的深度、面積、電阻率以及接地導(dǎo)體都會(huì)降低接地電阻和減少跨步電壓、接觸電壓有較大的影響，同時(shí)也要考慮到垂直接地極起到將阻減壓的作用，而且兩者結(jié)合能否達(dá)到更優(yōu)的結(jié)果；本文中涉及的江門某換流站接地網(wǎng)的土壤有獨(dú)特的特點(diǎn)，下層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)狹小，土壤電阻率與上層相差不大，只能夠起到一定的均壓效果，為此我們可以適當(dāng)?shù)慕档拖聦拥鼐W(wǎng)的電阻率或者加深下層地網(wǎng)的深度增強(qiáng)雙層地網(wǎng)的散流能力；垂直接地極數(shù)量的增加也可以適當(dāng)?shù)慕档碗p層地網(wǎng)的接地電阻，換流站的設(shè)計(jì)可以采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，進(jìn)一步減小接地電阻和跨步電壓，以及接觸電壓，更能保護(hù)設(shè)備和人身的安全。

3 結(jié)論與分析

通過雙層接地網(wǎng)與垂直接地極的比較，得出雙層地網(wǎng)更加適用于下層有一小塊低土壤電阻率區(qū)域的情況，它能更好的利用有限的低土壤電阻率區(qū)域。

通過對(duì)江門某換流站接地網(wǎng)的仿真分析，得出此換流站由于下層地網(wǎng)過于狹小，且上下層土壤電阻率差異不大，導(dǎo)致下層地網(wǎng)降阻效果相較于上層地網(wǎng)不明顯。也佐證了下層地網(wǎng)太小，上下層土壤電阻率差異也小，降阻效果并不明顯以及下層地網(wǎng)也具有一定均壓效果的結(jié)論。

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Simulation of Double Layer Grounding Grid Based on CDEGS

CHEN Zhihong，ZHU Lihong
（Zhengzhou Railway Vocational&Technical College，Zhengzhou 450052，China）

Due to the increasingly scarce land resources，the substation area is becoming smaller and smaller，relying solely on the level of the single grounding grid is very difficult in the range of substation position is constructed to meet the requirements of the grounding.In hilly area of South China，some built bulldozing，pad soil slopes in the substation，the hillside，concave to the construction of double layer grounding grid，make full use of regional substation，effectively reduces substation grounding resistance，also the Affinity problem of the double layer caused by the pad layer can be solved.Based on the comparing and simulating between the double grounding grid and vertical grounding electrode，and through the simulation analysis of the JiangMen on double grounding grid design，this paper puts forward how to achieve the optimal choice in the area of soil structure complex，and small grounding area，so the double grounding grid research in the special environment of mountainous，hilly and uphill is of great significance.

double layer grounding grid；reduction in resistance；converter station；CDEGS simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.010

2016-07-26

陳志紅 （1967—），女，講師，主要研究方向：電力電子技術(shù)與電氣控制研究。