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一个复杂结构变电站接地网的计算机模拟分析

更新时间:2019-03-03 发布:m.1024sj.com

摘要 经由过程计较机模拟软件对一个结构比力复杂、哄骗设计规程手册和其它近似解析公式难以准确分析计较的现实变电站接地网系统进行计较分析,给出了分歧结构、分歧长度的接地体、两层年夜地模子对接地电阻的影响,和两个相近接地网的并联效果。
  关头词 变电站 接地网 接地极 接地电阻


1 引言

  变电站接地网的设计,对电力系统的靠得住运行和变电站内助员的人身平安起着重要作用。今朝,在现实工程中对接地网的设计,主要依据是1979年电力部公布的《电力装备接地设计技术规程》。该《规程》只给出了导体平均散布情况下矩形接地网的近似计较公式,对复杂结构接地网和多层年夜地模子的设计计较则无据可依。解决这类问题,可借助电磁场数值计较技术。
  今朝,国内一些院校已进行了一些接地网数值模拟计较工作[1~3]。这些工作的理论根蒂根基主要为鸿沟元法。哄骗该方式可以有用地计较导体半径较年夜时的直流接地极问题[4]。但要计较导体半径较小的交流接地网却不适用,由于若对整个接地网导体概况进行网格剖分,必然会发生一个庞年夜的方程组,并会遇到奇异积分和临近奇异积分等数学问题,从而在计较法式实现、计较时间和计较精度和法式的实用性方面引发一些问题。
  在接地网数值模拟计较和软件开发方面,国外已做了年夜量工作[5,6]。加拿年夜SES公司的Dawalibi不仅在理论方式方面做了普遍研究,还开发了商业软件CDEGS。美国EPRI也有研究功效和软件出台,基于其研究功效和软件计较成效,1986年IEEE公布了交流变电站平安导则(ANSI/IEEEStandard80)。

2 接地网模拟计较方式及软件GSSIM简介

  接地网模拟方式为:首先将接地网划分为n段小导体,然后经由过程以每段导体流进年夜地的电流作为未知量I1、I2、…、In,任一点的电位可以经由过程所有电流的进献而求得,对于第j段导体概况的电位为

式中 Ii为第i段的进地电流;Li和Lj划分为第i段和第j段的长度;dli和dlj为两段轴线上的微元,G为场域的格林函数,它为位于矢径ri处的单元点电流源在点rj处发生的电位。
  对每段导体均有类似式(1)的方程,由n段导体可获得n个方程。但未知数共有2n个(n个电流和n段导体概况的电位)。因接地网导体电阻较小,故压降较小,可将接地网近似视为等电位。这样,n个电位未知量可以合并成一个未知量。后,加上各段导体的进地电流之和等于已知短路进地电流这一关系式,便获得了n 1个方程,由此可以求得n 1个未知量(n个电流和接地网电位)。求出电流以后,地面上任一点的电位可以经由过程式(1)所示的方式由电流的进献求得,进而可求出接触电压和跨步电压散布,而接地电阻则为接地网的电位除以总进地电流。
  笔者已开发了一个基于复镜象法[7]的接地网模拟软件GSSIM(GroundingSystemSIMulation)。该软件由6000多条FORTRAN语句组成,可以计较4层年夜地模子中肆意结构的接地网,可以计较接地电阻、接触电压散布和跨步电压散布,并给出年夜接触电压和跨步电压,其计较精度已获得充实验证[8]。哄骗该软件计较一个现实接地网,在PC/586微机上一般仅需几分钟时间。

3 一个现实接地网的分析计较

  某电力设计部门哄骗手工方式设计了一个接地网,其结构和主要尺寸如图1所示。该接地网处于高电阻率地带。接地网展设后,其接地电阻的丈量值为2Ω,远远年夜于0.5Ω的要求。为了给出该接地网的改良措施,哄骗软件GSSIM对其进行了多种计较分析。其改良方案是增加接地体,之二是使用降阻剂。计较分析的目的是经由过程合理的接地体设置方式和使用降阻剂到达降阻效果。

图1 接地网根蒂根基模子结构
Fig.1 Thestructureofthefundamentalgroundinggrid.

3.1 接地网根蒂根基结构计较
  首先哄骗软件GSSIM对图1所示的接地网根蒂根基结构进行计较,以获得接地电阻为2Ω(丈量值)时的年夜地视在电阻率,计较成效约为560Ω.m。若直接采用降阻剂将年夜地电阻率下降至1/4,以使接地电阻降至0.5Ω,存在一定坚苦。是以,需要在尽量增加接地体的前题下,再斟酌采用降阻剂。
3.2 水平接地极与竖直接地极的作用
  从施工角度讲,对于野外变电站,采用增加水平接地极以减小接地电阻的方式比力可行。设计人员希看在原接地网的根蒂根基上增加16根水平接地极以减小接地电阻,其安插如图2所示。若接地极由直径为16mm的圆钢展设,当每根接地极的长度为400m时,接地电阻可由原来的2Ω减小到0.48Ω。展设如斯长接地极的可行性其实不很年夜。为了提供可行的方案,计较了几种分歧接地极长度情况下的接地电阻。计较成效如表1所示。可以从表1中选择一种现实允许的接地极长度,然后再使用降阻剂使接地电阻到达要求。若将年夜地视为电阻率平均的导电媒质,则接地电阻与年夜地电阻率成正比,由此可直接计较出分歧长度水平接地极要知足接地电阻要求时降阻剂所需到达的效果。如若采用50m长的接地极,则需要哄骗降阻剂将年夜地电阻率从560Ω.m降到430Ω.m(560Ω.m×1.536Ω/2Ω)。


图2水平接地极安插方式
Fig2Thepatternofsettinghorizontalrods

  接地网根蒂根基结构中共采用了67根长为2.5m直径为50mm的竖直钢管作为竖直接地极(如图1所示)。为了说明竖直接地极的作用,计较了分歧长度竖直接地极的接地电阻值,计较成效列于表2。计较成效所对应的年夜地电阻率为560Ω*m。若往失落竖直接地极,则电阻的计较值为2.03Ω。从计较成效可以看出,工程施工允许的竖直接地极长度下对减小接地电阻的效果其实不显著。

表1 水平接地极长度分歧时的接地电阻值
Tab.1 Thegroundingresistanceofthe
gridwithdifferenthorizontalrods

接地极长度/m3001501005040302010接地电阻/Ω0.5970.9371.1671.5361.6331.7311.8331.920


表2 竖直接地极长度分歧时的接地电阻值
Tab.2 Thegroundingresistanceofthe
gridwithdifferentverticalrods

接地极长度/m2.55101520304050接地电阻/Ω2.0001.9571.8641.7721.6871.5421.4261.309

3.3 两相邻接地网的并联效果
  图1所示的根蒂根基接地网四周存在另外一个接地网,若将两者并联(如图3所示),则可以有用地减小接地电阻。若是疏忽两个接地网进地电流的耦合作用,则并联后的接地电导等于两个接地网各自的电导之和。这比力容易理解。若是斟酌相互间的耦合,则并联电导一定小于各自电导之和。这是由于,相邻接地网之间,一个接地网的作用会阻碍另外一个接地网中的电流向年夜地泄漏,这就相当于增加了接地电阻,减小了并联电导。对图3所示的情况,两个接地网各自的接地电阻划分为2.0Ω和2.257Ω(包括并联毗连导体),并联以后的接地电阻为1.315Ω。

图3 两个接地网的并联络构
Fig.3 Theparallelconnectionoftwogrids

3.4 单层年夜地模子与两层年夜地模子的区分
  为了分析计较利便,一般将年夜地视为电阻率平均的导电媒质。而现实上,年夜地电阻率是不平均的,出格是随着深度的变化,电阻率一般有较年夜差异。这类差异主要是由于年夜地结构分歧而至,如水层和非水层的差异和一般土壤和岩石层的差异。是以,为了较准确地模拟年夜地,并使计较方式可行,可以将年夜地视为多层模子,将各层中的电阻率视为一定值,也可将各层电阻率视为按一定指数纪律变化。关于年夜地分层模子的建立可以借助地质资料,也能够由丈量加上计较分析的方式获得。为了说明年夜地分层对接地电阻的影响,表3给出了图1所示接地网在竖直接地极长度划分为2.5m和15m时,两层年夜地模子中下层电阻率分歧情况下的接地电阻值,层的厚度选为10m。由表可见,在年夜地分层情况下,穿进第二层的竖直接地极对接地电阻的影响较年夜。

表3 下层电阻率分歧情况下的接地电阻值
Tab.3 Thegroundingresistanceofthe
gridwithdifferenceresistivityofbottomlayer

电阻率/Ω*m560×2560/2560/4560/8560/16560/32接地极长2.5m时的电阻/Ω3.1961.3010.9170.7140.6090.556接地极长15m时的电阻/Ω2.9881.0160.5740.3150.1680.087

4 竣事语

  (1)哄骗电磁场数值计较技术与复镜象法,可以有用地计较多层年夜地模子中复杂结构接地网。
  (2)在水平接地网增加竖直接地极,对接地电阻的减小影响较小。是以,除非在市区内变电站站址有限的情况下增加竖直接地极以减小接地电阻,否则应采用增加水平接地极的方式。
  (3)两个相邻接地网的并联电导要小于两个接地网各自电导之和。
  (4)为了准确模拟计较接地网,应凭据地质结构情况将年夜地视为多层模子,多层模子的建立具有可行的测试计较方式。

作者简介:张丽萍 1960年10月生,副教授,从事高电压技术教授教养与研究。
     袁建生 1959年10月生,博士,副教授,从事电磁场理论与运用教授教养与研究。
     李中新 1966年4月生,博士生,从事电磁场理论与运用研究。

作者单元:张丽萍(吉林电力职工年夜学电力系,长春,130022) 袁建生 李中新(清华年夜学机电系,北京,100084)

参考文献
1 戴江江.发、变点所(站)年夜地接地问题鸿沟元法计较.武汉水利电力学院学报,1984,(1)
2 颜怀梁,陈先禄.接地计较方式及运用不平均网孔改善地网电位散布的计较研究.重庆年夜学学报,1985,(4)
3 彭岳林,王顽强.平均地质水平接地网参数计较.电工技术学报,1995,(1)
4 MeliopoulosAP,CokkinidesGJ,DunlapJ.AnalysisofDCgroundingsystem.IEEETransonPowerDelivery,1988,3(4):1595~1605
5 DawalibiFP.Measurementsandcomputationsoftheperformanceofgroungingsystemsburiedinmultilayersoils.IEEETransonPowerDelivery,1991,6(11):1483~1490
6 DawalibiFP,MaJ,SoutheyRD.Behaviourofgroundingsystemsinmultilayersoils:aparametricanalysis.IEEETransonPowerDelivery,1994,9(1):334~342
7 李中新,张丽萍,袁建生etal.分层媒质中电场问题的复镜象法.全国电工理论与新技术学术年会,天津,1998:191~195
8 LiZhongxin,YuanJiansheng,ZhangLipingetal.Thesimulatedcalculationofpowerstationgroundingsystemswithanddrivenrodsonanequivalentimagemethod.ProceedingsofXIConfCOMPUMAG,RioDeJaneiro,Brazil,1997:473~475


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