CN102346788A - 水平双层土壤中地网面积的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平双层土壤中地网面积的设计方法，它包括：第一步，获取地网的相关参数；第二步，确定地网参考等效面积A；第三步，利用均匀土壤接地电阻计算公式确定地网的第一层、二层土壤的参考接地电阻R1、R2；第四步，确定水平双层土壤中地网接地电阻值R；第五步，将计算得到的接地电阻R与标准进行比较，如果满足要求，第二步确定的面积A为地网设计所需的地网面积；如果不满足要求，则重复第二步到第五步或者采用其他降阻措施。该方法不需要建立土壤结构模型与地网模型，可以快速的确定不同地网面积时的接地电阻，从而设计合理的地网面积，节省时间。

Description

水平双层土壤中地网面积的设计方法

技术领域

本发明涉及一种水平双层土壤地网面积的设计方法，属于电力设计领域。

背景技术

地网是发电厂、变电站或换流站的重要组成部分，当发生接地短路时，故障电流通过地网向大地扩散，接地电阻是衡量地网散流性能的一个重要参数，为了保证人身与设备安全，变电站、发电厂或换流站设计时必须将地网的接地电阻控制在一定范围以内。地网接地电阻主要与土壤参数和接地网面积有关。通常情况下土壤为水平分层结构，如平原地带上层是由沉积产生的很厚的土壤层，下层为岩层或碎石层，而山区地区上层为风化岩与土壤、碎石组成，下层为致密的母岩层，在地网设计中，要考虑几十米到一百多米深的土壤结构，在这个范围内，土壤通常为水平双层结构。当土壤参数确定之后，地网面积的大小直接决定了接地系统的接地电阻，设计中主要通过地网面积来限制接地电阻，因此水平双层土壤中地网面积的设计方法对电力系统中变电站、发电厂或换流站的建设有着非常重要的意义。

目前国内外一般采用有限元法(FEM)仿真的方法来确定水平双层土壤中地网的面积，即采用计算机建立水平双层土壤结构模型，再建立地网模型，然后通过镜像法或复数镜像法计算地网接地电阻，当不满足标准要求时，则通过人工修改模型地网的面积，重新进行计算，通过反复修改和计算最终得到符合要求的地网面积。该方法需要购买专业的计算软件，而且技术人员必需接受建立地网和土壤模型的培训与学习，同时建模与计算需要花费大量的时间，当地网面积很大或土壤模型较复杂时，整个建模和计算的时间将超过数天或数周。然而，工程应用的实践中需要设计一种简便快速的地网面积设计方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种水平双层土壤地网面积的设计方法。该方法不需要建立土壤结构模型与地网模型，利用相应的参数即可进行地网面积的计算和设计，其工作量小。

本发明是利用接地电阻随着地网面积增大而减少的规律，以及其与土壤参数的函数关系而设计的。本发明解决上述技术问题的技术方案的技术思路是根据获取得到的水平双层土壤的参数，以及变电所征地情况，初步确定地网面积，然后通过地网接地电阻公式计算得到该面积下的接地电阻，将计算结果与规程规定的接地电阻进行比较，再根据二者的关系调整地网面积的大小，最终得到合符要求的地网面积，使得其接地电阻符合规定的要求。具体讲，本发明的技术方案包括以下步骤(参见图1)：

第一步，获取地网的相关参数，包括第一层土壤电阻率ρ₁和第二层土壤电阻率ρ₂及第一层土壤厚度a，地网设计埋深h。

第二步，确定地网参考等效面积A，该面积可以根据变电站征地情况与形状确定，如通常采用地网边沿距变电站围墙3到5米的方法确定；也可采用以往相同电压等级的变电所设计中采用的地网面积确定；还可以根据上层与下层电阻率的平均值估算地网面积。

第三步，利用均匀土壤接地电阻计算公式确定地网的第一层土壤的参考接地电阻R₁和第二层土壤的参考接地电阻R₂。

参考接地电阻可以采用IEEE标准IEEE guide for safety in AC substationgrounding(IEEE std.80-2000)推荐的以下公式计算而确定：

参考接地电阻也可以采用我国行业标准《交流电气装置的接地》DL/T621-1997推荐的以下的公式计算而确定：

第四步，将第一至三步的数据带入下列算式进行计算即得到水平双层土壤中地网接地电阻值R，

其中R₂、R₁分别为第三步确定的参考接地电阻。h为地网埋深；a为第一层土壤厚度，ρ₁、ρ₂分别为第一层、第二层土壤电阻率，r为地网等值半径

第五步，将计算得到的接地电阻R与标准进行比较，比如电气行业标准《交流电气装置的接地》DL/T 621-1997中规定通常情况下变电站接地电阻必需满足R≤2000/I，困难情况下接地电阻必须满足R≤0.5Ω，如果满足此要求，则第二步确定的地网参考等效面积A为水平双层土壤地网面积；如果不满足要求，则判断当前地网参考等效面积A是否达到现场条件(如地网边沿距变电所围墙距离不小于3米)充许的最大值，如果没有达到，则重复第二步到第五步；如果达到最大值，则采用其他降阻措施来使地网的接地电阻满足要求，比如，可以采用增加深井接地极、外引接地网、离子接地极以及用低电阻率土壤对表层土壤进行更换等降阻措施降到满足规程要求。

与现有技术相比，本发明提供了一种水平双层土壤中地网面积的设计方法，该方法不需要用计算机建立仿真模型：土壤结构模型和地网模型，只需要知道土壤结构与参数，以及地网结构参数，采用人工方法就可以利用该计算方法或模块获得水平双层土壤中不同地网面积对应的接地电阻值，进而确定地网的初步设计面积是否满足要求。该方法简便，工作量小，速度快，可设计出合理的地网面积；也减少了目前采用仿真软件进行计算与设计的工作量，节省了时间。同时，该方法适用范围广，不仅适用于形状规则的方形地网面积的设计，而且适用于形状不规则地网面积的设计。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1为水平双层土壤中地网面积设计流程图

图2为一种规则水平双层土壤地网示意图

图3为一种不规则水平双层土壤地网示意图

具体实施方式

水平双层土壤接地网(见图2)，其中水平双层土壤是指土壤平行于水平面的层状结构。确定地网边长为L₁×L₂，地网参考等效面积为A，埋深为h，第一层土壤的电阻率为ρ₁，第二层土壤电阻率为ρ₂，第一层土壤厚度为a。由此，根据以下算式：

$R_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{4}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A}}$ $R_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{4}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A}}$

或者 $R_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{2}\sqrt{A}$ $R_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{2}\sqrt{A}$

便可确定水平双层土壤地网的第一层土壤参考接地电阻R₁和第二层土壤的参考接地电阻R₂；接紧着，再将相关数据带入下列算式或者根据下列算式设计的计算模块进行计算，即可得到所需的水平双层土壤中地网的接地电阻R：

式中，h为地网埋深；ρ₁为第一层土壤的电阻率，ρ₂为第二层土壤电阻率，a为上层土壤厚度，r为地网等值半径

通过比较接地电阻R与标准的要求，就可以确定地网面积A是否满足设计需要。如果满足要求，则前面确定地网参考等效面积A为水平双层土壤地网面积；如果不满足要求，则判断当前地网等效面积A是否达到现场条件充许的最大值，如果没有达到，则重复第二步到第五步；如果达到最大值，则采用其他降阻措施来使地网的接地电阻满足要求。

以下以实例说明。

实施例1。本实例的地网结构及各参数如图2所示，图2为长方形地网，图中虚线为水平双层土壤的分界线。其地网面积设计步骤如图1所示：

第一步，根据现场勘探数据，第一层土壤厚度为a＝50m，电阻率ρ₁＝150Ω·m，第二层土壤电阻率ρ₂＝750Ω·m，地网埋深为0.8m。

第二步，根据变电站征地情况，以及高压设备区的范围，设定地网参考的等效面积A＝300×300＝90000m²。

第三步，将上述参数a、ρ₁、ρ₂和A带入，得到R₁＝0.22Ω、R₂＝1.1Ω

第四步将上述参数带入R算式(或算式模块)进行计算，得到水平双层土壤地网的接地电阻R为0.542欧姆。

第五步，参照我国行业标准《交流电气装置的接地》中规定，该情况下接地电阻不得大于0.5欧姆，该计算结果不满足要求，需要对第二步到第五步进行重复。

重复第二步内容，根据变电站征地情况，将地网延升到控制室与低压区，设定地网参考的等效面积A＝300×500＝150000m²；重复第三步得到R₁＝0.17Ω、R₂＝0.86Ω；第四步得到水平双层土壤地网的接地电阻R为0.455欧姆；重复第五步，参照我国行业标准《交流电气装置的接地》中规定，该情况下接地电阻不得大于0.5欧姆，该计算结果满足要求。因此设计时确定地网面积A就为水平双层土壤中地网的面积，A＝300×500＝150000m²。

如果将本实施例1测量所得到的地网接地电阻与采用专业软件CDEGS所得到的该地网接地电阻相比较，采用本方法得到的地网的接地电阻为0.455305，采用专业仿真软件仿真得到的地网的接地电阻为0.457934，本方法计算结果与仿真结果相比相对误差少于1％。这说明该方法具有足够高的实用性。

实施例2。某500kV变电站地网见图3，图3为不规程长方形地网，图中虚线为水平双层土壤的分界线。其地网面积设计步骤如图1所示：

第一步，根据物探公司提供的数据，第一层土壤厚度为a＝30m，电阻率ρ₁＝3000Ω·m，第二层为含水层，其土壤电阻率ρ₂＝200Ω·m，地网埋深为0.8m。

第二步，根据变电站征地情况，设定地网形状为不规则多边形，采用地网边沿离围墙5米的方法初步设定地网参考的等效面积A＝70×160+100×60＝17200m²。

第三步，将上述参数a、ρ₁、ρ₂和A带入，得到R₁＝10.14Ω、R₂＝0.676Ω。

第四步，将上述参数带入水平双层土壤地网的接地电阻计算公式，得到R为4.528217欧姆。

第五步，该计算结果不满足我国行业标准《交流电气装置的接地》要求该情况下接地电阻小于0.5欧姆的要求，因此设计时要扩大地网面积。

重复第二步，采用地网边沿离围墙3米的方法初步设定地网参考的等效面积A＝72×164+102×64＝18336m²；重复第三步，得到R₁＝9.81Ω、R₂＝0.654Ω；第四步得到水平双层土壤地网的接地电阻R为4.31欧姆；重复第五步，该计算结果仍然不满我国行业标准《交流电气装置的接地》的要求，因此设计时要扩大地网面积。由于标准中规定变电站地网边沿距围墙距离不得小于3米，此时接地网面积受到变电所征地面积的限制，无法通过扩大地网面积来满足要求，本实施例必须采用其他降阻措施，如增加深井接地极、外引接地网、离子接地极、用低电阻率土壤对表层土壤进行更换等。本例中由于附近又一条河流，决定采用外引地网进行降阻，使地网的接地电阻小于0.5Ω。

通过上述两个实施例可知，该方法即使采用人工计算也仅需要数分钟到十几分钟时间，如果将该方法做成计算机模块，计算时间可能仅需几秒钟，且使用者仅需要一般的专业知识。而采用仿真建模，从建模到得到结果将近到一天时间，使用者还必需掌握专业建模的知识。所以设计中要对不同地网面积地网接地方案进行比较时，本发明方法的优势更加明显。

Claims (3)

1.一种水平双层土壤地网面积的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步，获取地网的相关参数，包括第一层土壤电阻率ρ₁和第二层土壤电阻率ρ₂及第一层土壤厚度a，地网设计埋深h；

第二步，确定地网参考等效面积A；

第三步，利用均匀土壤接地电阻计算公式确定地网的第一层土壤的参考接地电阻R₁和第二层土壤的参考接地电阻R₂；

第四步，将第一至三步的数据带入下列算式进行计算，即得到水平双层土壤中地网接地电阻值R，

其中，R为待求的水平双层土壤中地网的接地电阻，R₂、R₁分别为第三步确定的参考接地电阻。h为地网埋深；a为第一层土壤厚度，ρ₁、ρ₂分别为第一层和第二层土壤的电阻率。r为地网等值半径

第五步，将计算得到的接地电阻R与标准进行比较，如果满足要求，则第二步确定的地网参考等效面积A为水平双层土壤地网面积；如果不满足要求，则判断确定的地网参考等效面积A是否达到现场条件充许的最大值，如果没有达到，则重复第二步到第五步；如果达到最大值，则采用其他降阻措施来使地网的接地电阻满足要求。

2.根据权利要求1所述的水平双层土壤地网面积的设计方法，其特征在于所述确定地网的第一层土壤的参考接地电阻R₁和第二层土壤的参考接地电阻R₂所采用的算式为：

$R_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{4}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A}}$ $R_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{4}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A}}$

其中，ρ₁为第一层土壤电阻率，ρ₂为第二层土壤电阻率，A为第二步中确定的地网参考等效面积。

3.根据权利要求1所述的水平双层土壤地网面积的设计方法，其特征在于所述确定地网的第一层土壤的参考接地电阻R₁和第二层土壤的参考接地电阻R₂所采用的算式为：

$R_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{2}\sqrt{A}$ $R_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{2}\sqrt{A}$

其中，ρ₁为第一层土壤电阻率，ρ₂为第二层土壤电阻率，A为第二步中确定的地网参考等效面积面积。

Images