周世戰(zhàn)，徐曉雨，王維銘，李 亮

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

變電站電壓等級(jí)的不斷提高，使得接地故障電流不斷增大，保障電力運(yùn)行安全的呼聲越來(lái)越高，變電站接地技術(shù)的安全性需求越來(lái)越大[1]。因此，為了確保變電站提供供電的可靠性，需要在虛擬的環(huán)境中對(duì)接地技術(shù)進(jìn)行深入研究，其不僅可以避免變電站接地技術(shù)導(dǎo)致的土壤污染問(wèn)題的發(fā)生，而且確保人身和設(shè)備的安全不受到侵害[2-4]。

在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中，更多的是基于變電站仿真實(shí)現(xiàn)接地技術(shù)的研究，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，已經(jīng)掌握了較為成熟的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站的三維仿真，在變電站三維模型的支持下，能夠獲得更加真實(shí)可靠的接地技術(shù)[5-7]。在我國(guó)，以往的研究更多的是從接地參數(shù)計(jì)算和接地網(wǎng)優(yōu)化等方面進(jìn)行深入研究，仿真交互操作環(huán)境具有一定的通用性和開(kāi)放性，可以實(shí)現(xiàn)很多交互操作，但在目前的應(yīng)用環(huán)境下，由于接地表面的不均勻部分，接地模擬產(chǎn)生的電流與實(shí)際電流誤差進(jìn)行了比較，但接地保護(hù)的靈敏度仍存在一些不足，如基于ATP-EMTP的某變電站雷擊事故仿真研究[8]、高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)安全性能評(píng)價(jià)[9]和基于Kriging法的直流接地極附近大地電性結(jié)構(gòu)建模方法[10]。接地仿真技術(shù)的實(shí)際安全性有待進(jìn)一步提高。因此，提出了基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)，其創(chuàng)新性在于將地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型和等值接地網(wǎng)模型相結(jié)合，在變電站仿真環(huán)境下，優(yōu)化消除接地操作可能存在的安全隱患，以解決傳統(tǒng)接地仿真技術(shù)存在的問(wèn)題，提高變電站用電的可靠性。

1 接地仿真技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 建立地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型

根據(jù)變電站的實(shí)際分布情況建立變電站的三維模型，在已建變電站的三維仿真上模擬實(shí)際接地情況，從而達(dá)到接地仿真的目的。基于變電站三維模型，根據(jù)土壤電阻率測(cè)量的基本要求，對(duì)變電站場(chǎng)地土壤進(jìn)行了測(cè)量。將土壤類型設(shè)為水平分布，選擇合適的土層，得到等效地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型。過(guò)程如下：由于接地現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)堅(jiān)硬，接地樁難以打入地面，即使打下接地樁，裸露部分也會(huì)開(kāi)裂、變形或損壞，甚至彎曲，這就加大了接地網(wǎng)焊接的難度，影響了施工進(jìn)度。對(duì)此，在原有施工圖紙的基礎(chǔ)上，對(duì)接地樁進(jìn)行了局部改進(jìn)，對(duì)樁上部進(jìn)行了加固，防止了打樁過(guò)程中樁體開(kāi)裂、損壞和變形，保證了接地網(wǎng)的焊接質(zhì)量和工藝，其中，在打接地樁前，在樁位打1個(gè)深2 m、直徑約40～60 mm的孔，在該接地樁1.5 m處的孔內(nèi)插入長(zhǎng)約300 mm的圓鋼(圖1)，圓鋼管開(kāi)口端向下，施工人員上下鑿動(dòng)鋼管，當(dāng)鋼管進(jìn)入約250～300 mm時(shí)，將鋼管吊起，沿溝槽將管內(nèi)泥土取出，然后進(jìn)行下一輪施工，反復(fù)施工，當(dāng)鋼管下至1.2 m時(shí)，取出圓鋼，向鋼管內(nèi)注入少量水，然后打下接地樁(圖2)，用稀土回填縫隙，1根接地樁可打入地層，大大縮短了打樁時(shí)間，然后將樁打下，打樁大大降低了施工難度，提高了施工進(jìn)度。

圖1 接地網(wǎng)打樁所用圓鋼Fig.1 Round steel used for piling of grounding grid

圖2 接地樁三維效果Fig.2 Three dimensional effect of grounding pile

為了確定上述反復(fù)施工的次數(shù)，需要構(gòu)建接近實(shí)測(cè)結(jié)果的地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型[11-13]。地表面點(diǎn)位部分土壤層數(shù)的自動(dòng)決定運(yùn)算模型如圖3所示。

圖3 地表面點(diǎn)位部分土壤層數(shù)的自動(dòng)決定運(yùn)算模型Fig.3 Calculation model of automatic determination of soil layers at ground surface points

圖1中折線表示獲得的土壤類型，曲線表示極距不同的地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型的電阻理論值，點(diǎn)狀線段表示測(cè)量的電阻值[14]。通過(guò)圖1中顯示的圖像和曲線可知，土壤層具有以下特點(diǎn)：頂層的測(cè)量間距小于等于1 m，電阻率大小中等，頂層以下的除第2層外電阻率依次減小，第2層電阻率為最大，其間距在1～30 m，最后一層的電阻率變化與曲線相對(duì)應(yīng)[15]。在得到上述計(jì)算結(jié)果后，改變土壤類型界面中土壤的層數(shù)，將其定義為其他層，分別進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到不同層的地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型。將不同土層模型的土阻力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如果誤差較大，將導(dǎo)致土模型的嚴(yán)重變形[16]，接地樁打入地層的過(guò)程更為繁瑣。因此，需要選擇測(cè)量誤差最小的地表面點(diǎn)位部分。

1.2 規(guī)劃接地參數(shù)

在得到地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型之后，運(yùn)用CDEGS中的MALZ模塊繪制一個(gè)變電站等間距接地網(wǎng)，結(jié)合接地網(wǎng)的接地體(圖4)，在其上增加一個(gè)單位電流激勵(lì)，計(jì)算在該情況下的變電站的接地電阻，得到后續(xù)分流計(jì)算所需的接地電阻的大略值[17]。

圖4 接地網(wǎng)的接地體示意Fig.4 Schematic diagram of grounding body of grounding grid

根據(jù)接地體實(shí)際情況，在變電站三維模型中繪制出變電站接線示意圖，收集各個(gè)線路故障貢獻(xiàn)電流，線路桿塔參數(shù)，在得到相關(guān)參數(shù)，考慮《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)劃相關(guān)接地參數(shù)[18]。在運(yùn)行的變電站中，工頻接地電阻的取值范圍為：

(1)

式中，Ia為流入的不對(duì)稱電流最大有效值;R為不同環(huán)境中獲得的最大接地電阻值[19]。

在計(jì)算接地電流有效值時(shí)，將與其相關(guān)的位置的電流分配情況一并考慮，如避雷線和架空線的電流分布情況，這2個(gè)位置在實(shí)際操作中可能會(huì)分走一部分短路電流。如果發(fā)現(xiàn)流入的短路電流Ia越來(lái)越大，那么式(1)就不能滿足最大接地電阻值的需求。因此，當(dāng)Ia≥4 000 A時(shí)，接地電阻取值為：

Rg

(2)

公式(2)表示在上述特殊情況下，可以適當(dāng)增加電阻，但是不能超過(guò)0.5 Ω[20]。當(dāng)大于110 kV的變電站發(fā)生兩相或單相接地故障，等間距敷設(shè)的水平接地網(wǎng)內(nèi)接觸電壓與跨步電壓的取值范圍為：

(3)

(4)

式中，Ua為接觸電壓的最大允許值；ρ為地表面點(diǎn)位部分土壤相關(guān)模型的土壤電阻率；Ub為跨步電壓的最大允許值；C為地層衰減系數(shù)；T為接地故障電流在模型中的時(shí)間，取0.35～0.70 s。

在確定以上參數(shù)后，工作人員即可在變電站三維模型中完成接地操作。

1.3 基于安全約束的仿真操作碰撞檢測(cè)

(5)

B=[a(t)+θ(t)]+wB(a)

(6)

其中，a(t)和θ(t)分別是變電站三維模型下工作人員與設(shè)備間的相位信息和幅值[7]，得到變電站三維模型下接地設(shè)備的接地可靠性辨識(shí)參數(shù)解析表達(dá)式為：

k(l)=cosB+z(t)+wB(a)

(7)

其中，z(t)是x(t)的約束值，以約束值為自適應(yīng)參數(shù)，采用基于場(chǎng)景對(duì)象包圍盒的碰撞檢測(cè)方法，定義2條進(jìn)行相交測(cè)試的測(cè)試線段，1條線段指向視點(diǎn)前進(jìn)方向，長(zhǎng)度為disToFront；1條線段從視點(diǎn)出發(fā)垂直指向地面，長(zhǎng)度為disToGround，進(jìn)行變電站三維模型下接地設(shè)備接地操作的接地信息融合。利用上述2條測(cè)試線段與變電站三維模型進(jìn)行相交測(cè)試，如果判斷出線段與變電站三維模型產(chǎn)生相交動(dòng)作，將該模型及交點(diǎn)寫(xiě)入到相交列表，如果最后測(cè)試結(jié)果顯示相交列表為空，說(shuō)明沒(méi)有相交情況發(fā)生，接地操作可繼續(xù)進(jìn)行；如果相交列表不為空，獲取該交點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算出該交點(diǎn)與視點(diǎn)之間的距離，此時(shí)，變電站三維模型下交點(diǎn)與視點(diǎn)之間最短距離表述為：

(8)

變電站三維模型中，部分設(shè)備和環(huán)境的位置是固定不變的，碰撞檢測(cè)問(wèn)題只針對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)在碰撞檢測(cè)中，若操作方向上發(fā)現(xiàn)碰撞測(cè)試線段與三維模型相交，則停止操作；視點(diǎn)與交點(diǎn)之間的距離小于disToFront，則將視點(diǎn)調(diào)整至測(cè)試線段上與交點(diǎn)相距disToGround的位置。根據(jù)視點(diǎn)與交點(diǎn)的距離判斷，調(diào)整視點(diǎn)位置，從而達(dá)到安全接地仿真的目的。

2 基于變電站三維模型的接地仿真分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中選擇在某地區(qū)的1 000 kV變電站作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，該地區(qū)地形屬于丘陵和溝壑，地勢(shì)起伏比較大，是典型的山地變電站，變電站的總面積為726 km2，變電站設(shè)施相對(duì)齊全，有1座220 kV變電站，6座110 kV變電站，17座35 kV變電站。其中，水域面積為總面積的1/3，該區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈完善(表1)。采用VisuaISFM三維軟件模擬該區(qū)域環(huán)境，如圖5所示。

圖5 區(qū)域環(huán)境及變電站仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of regional environment and substation

表1 變電站設(shè)備信息Tab.1 Substation equipment information

基于選擇的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，以該區(qū)域歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果為參考，該地區(qū)10年后該地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)率為515.42 MW，負(fù)荷性質(zhì)單一，負(fù)荷同時(shí)率為0.8，容量負(fù)荷比為2.0時(shí)，變電站總?cè)萘糠秶刂圃?42.205～907.14 MW。

整合以上基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，以該變電站占地面積為參考，建立1個(gè)250 m×260 m的等值尺寸接地網(wǎng)，其接地銅導(dǎo)體組成導(dǎo)體截面為160 mm2，入地電流取31.5 kA，等值接地網(wǎng)網(wǎng)模型如圖6所示。

圖6 等值接地網(wǎng)模型Fig.6 Equivalent grounding grid model

如果接地網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，接地系統(tǒng)電位分布不均，局部電位超過(guò)規(guī)定的安全值，對(duì)操作者安全構(gòu)成威脅，還會(huì)損壞低壓或次級(jí)設(shè)備和電纜絕緣，使高壓通道進(jìn)入控制保護(hù)系統(tǒng)、變電站監(jiān)控保護(hù)設(shè)備，造成誤動(dòng)、拒絕運(yùn)行。為此，需要根據(jù)接地阻抗地網(wǎng)邊長(zhǎng)與電流頻率的關(guān)系，分析點(diǎn)位部分土壤電阻率。在上述分析的土壤環(huán)境中，當(dāng)正方形地網(wǎng)邊為250 m×260 m時(shí)，繼續(xù)擴(kuò)大意義不大，此時(shí)的接地阻抗和地網(wǎng)邊長(zhǎng)a的關(guān)系如圖7所示。

圖7 接地阻抗和地網(wǎng)邊長(zhǎng)的關(guān)系Fig.7 Relationship between grounding impedance and side length of grounding grid

接地阻抗與電流頻率的關(guān)系如圖8所示。由于上述分析(地表面點(diǎn)位部分土壤層數(shù)的自動(dòng)決定運(yùn)算模型)涉及到相關(guān)土壤參數(shù)，因此，實(shí)驗(yàn)中需要借助真實(shí)的土壤電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)，因此在該變電站范圍內(nèi)，設(shè)置多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，獲得具體的土壤電阻率解釋成果。具體內(nèi)容見(jiàn)表2。此次實(shí)驗(yàn)研究以對(duì)比實(shí)驗(yàn)為主，以表1中的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)、文獻(xiàn)[8]方法的接地仿真技術(shù)以及文獻(xiàn)[10]方法的接地仿真技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別是接地電流仿真誤差實(shí)驗(yàn)和接地網(wǎng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)，最終根據(jù)2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析接地技術(shù)的應(yīng)用水平。

圖8 接地阻抗與電流頻率的關(guān)系Fig.8 Relationship between grounding impedance and current frequency

2.2 結(jié)果分析

以上述數(shù)據(jù)作為依據(jù)，將變電站實(shí)際土壤環(huán)境測(cè)量結(jié)果輸入到VisuaISFM三維軟件中，仿真搭建等間距接地網(wǎng)，在確定工頻接地電阻、接觸電壓和跨步電壓等參數(shù)后，使用不同的接地仿真方法對(duì)接地路線電路進(jìn)行仿真，利用MATLAB軟件輸出實(shí)際的電流變化波形和仿真的電流變化波形。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9中實(shí)線表示實(shí)際的電流波形，虛線表示仿真電流波形。對(duì)比觀察可知，文獻(xiàn)[8]方法的接地仿真技術(shù)的仿真結(jié)果和文獻(xiàn)[10]方法的接地仿真技術(shù)的仿真結(jié)果與實(shí)際電流波形相差比較大，前者是整體高于正常電流值，后者是在0.1 s后電流值低于正常電流值；相比之下，提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)仿真結(jié)果與實(shí)際電流波形基本一致，沒(méi)有明顯的誤差變化。綜上所述，提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)方法仿真效果更接近真實(shí)情況，更可靠。

2.3 接地網(wǎng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

接地網(wǎng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)接地仿真技術(shù)的靈敏度，判斷其該技術(shù)是否能在各種不同參數(shù)情況，及時(shí)產(chǎn)生合理的變化。以表2中的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)不同接地仿真技術(shù)下的接地網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。表3中接觸電壓和跨步電壓?jiǎn)挝痪鶠椤癡”。觀察表中數(shù)據(jù)，從在數(shù)據(jù)的大小上分析可知，基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)接觸電壓和跨步電壓低于另外2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明這種接地技術(shù)安全性比較高；從數(shù)據(jù)的靈敏性來(lái)分析，文獻(xiàn)[8]方法的接地仿真技術(shù)和文獻(xiàn)[10]方法的接地仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，存在數(shù)據(jù)異常，存在接觸電壓升高、跨步電壓降低的情況，這種仿真效果是沒(méi)有任何實(shí)際意義的，而提出的接地仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，接觸電壓和跨步電壓的變化是同步的，沒(méi)有出現(xiàn)異常情況。結(jié)合接地電流仿真誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)更安全可靠。

表2 土壤電阻率解釋成果Tab.2 Interpretation results of soil resistivity

表3 不同接地仿真技術(shù)接地網(wǎng)評(píng)估結(jié)果Tab.3 Grounding grid evaluation results of different grounding simulation technologies V

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于大量研究文獻(xiàn)和資料，研究基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)，從接地的安全性、可靠性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化仿真操作碰撞檢測(cè)算法，在仿真方法設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了提出的基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)的可靠性。基于變電站三維模型的接地仿真技術(shù)的研究為變電站的工作人員提供了一個(gè)安全可靠的技術(shù)培訓(xùn)平臺(tái)，提高了工作人員對(duì)接地作業(yè)的熟練度和操作能力。