CN104111376A

CN104111376A - 一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法

Info

Publication number: CN104111376A
Application number: CN201410362031.1A
Authority: CN
Inventors: 王涵宇; 秦大海; 戴玉松; 杨庆; 李建明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明公开了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，能够根据接地网的设计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，根据绘制的分布图和变电站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值。

Description

一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法

技术领域

本发明涉及电力安全研究领域，尤其涉及一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法。

背景技术

变电站接地网是集工作接地、防雷接地和保护接地于一体，接地系统参数的计算对确保变电站的安全运行有极其重要的作用。近年来，随着电力系统输电向着高电压、远距离、大容量、交直流并行的电网发展，故障时流经接地网散流的电流也越来越大，故障时地网电位也随之升高。由于接地措施的缺陷而造成的事故也屡有发生，电力部门对接地网的设计提出了更高的要求。接地网是隐蔽工程，无法直观判断，即使工频接地电阻满足要求，也可能会出现危险的地面电位分布及电位梯度分布。传统的计算接地网的数值计算方法及经验公式法，由于误差较大且不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，并且灵活性差，已经很难满足现代设计的要求。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，由于现有的计算接地网的数值计算方法及经验公式法，由于误差较大且不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，并且灵活性差，已经很难满足现代设计的要求，所以，现有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，解决了现有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，实现了能够根据接地网的设计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图和变电站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，所述方法包括：

步骤1、根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图；

步骤2、根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参数读取接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件；

步骤3、将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进行计算得到接地网的电阻和电位文件；

步骤4、利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图；

步骤5、根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域。

进一步的，所述电位文件包括：电位分布和梯度分布。

进一步的，所述将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括：

当为规则导体时，计算矩形网孔微段两端坐标（规则导体）；

计算规则导体的自电阻；

若有不规则导体，计算不规则导体（非矩形网孔）的自电阻；

计算各微段的中线几何坐标；

计算规则导体之间的互电阻；

若有不规则导体，计算所有的不规则导体互电阻；

计算各微段的电流I1、I2、、、In及电位；

计算空间各点电位、跨步电压、接触电压。

进一步的，所述利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图具体包括：

步骤4.1、将所述电位文件导入到origin8.0中，导入的数据格式为Single ASCII；

步骤4.2、将导入的电位数据或梯度数据所在的列设置为Z列，并将这个数据表格处理为一个单元，其中，所述Z为实数；

步骤4.3、将所述电位数据或梯度数据转化为矩阵数据；

步骤4.4、根据所述矩阵数据绘制接地网电位分布及梯度的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图。

进一步的，所述步骤3计算结果能够直接得到整个接地网的总电阻、每段接地导体的自电阻、相邻导体的互电阻、以及地面各点的电位值和电位梯度值。

进一步的，所述步骤5能够直接读取接地网上任一点的电位及电位梯度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了首先根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图，然后根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参数读取接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件，然后将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进行计算得到接地网的电阻和电位文件，然后利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，最后根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域，为接地网的优化设计和施工提供重要的参考的技术方案，即根据变电站接地网的设计图纸、接地网布置情况及导体的相关参数，计算出接地网所呈现的接地电阻、地面电位分布及梯度分布，所以，有效解决了现有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，进而实现了能够根据接地网的设计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图和变电站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法流程图；

图2是本申请实施例一中利用Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件的流程图；

图3是本申请实施例一中变电站地网CAD示意图；

图4是本申请实施例一中电位分布等高线图；

图5是本申请实施例一中电位梯度分布三维图；

图6是本申请实施例一中电位分布三维图。

具体实施方式

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了首先根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图，然后根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参数读取接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件，然后将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进行计算得到接地网的电阻和电位文件，然后利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，最后根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域，为接地网的优化设计和施工提供重要的参考的技术方案，即根据变电站接地网的设计图纸、接地网布置情况及导体的相关参数，计算出接地网所呈现的接地电阻、地面电位分布及梯度分布，所以，有效解决了现有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，进而实现了能够根据接地网的设计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图和变电站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，请参考图1-图2，所述方法包括：

步骤5、根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域，为接地网的优化设计和施工提供重要的参考。

其中，在本申请实施例中，所述电位文件包括：电位分布和梯度分布。

其中，在本申请实施例中，所述利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图具体包括：

步骤4.2、将导入的电位数据或梯度数据所在的列设置为Z列，并将这个数据表格处理为一个单元，其中，Z为实数；

步骤4.3、将所述电位数据或梯度数据转化为矩阵数据；

其中，在本申请实施例中，所述步骤3计算结果能够直接得到整个接地网的总电阻、每段接地导体的自电阻、相邻导体的互电阻、以及地面各点的电位值和电位梯度值。

其中，在本申请实施例中，所述步骤5能够直接读取接地网上任一点的电位及电位梯度。

其中，在本申请实施例中，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参数读取接地网导体的数据文件具体包括：

步骤2.1、输入n1、n2、n3三个数，格式是3i4；

n1、n2分别是x轴、y轴方向的网孔数；

n3是同一深度，其它方向的导体根数；

步骤2.2、输入h、ra、rou三个数，格式是3e12.5，其中：h—地网埋设深度（m），ra—地网导体半径（m），rou—大地的电阻率，单位是Ω·m；

步骤2.3、输入a10、b10、bmax、eps1四个数，格式是4e12.5；

a10—程序要计算的复杂广义积分，所取的积分下限，可取0.295*10^-38；

b10—上述广义积分的积分上限，因为涉及零阶的开尔文函数及其导数的计算，这些函数是振荡发散的，积分上限一般定为一个值，以保证计算机工作中不会产生溢出而停止计算；

bmax—积分上限的最大值；eps1—积分数值计算选定的一个误差。

步骤2.4、输入x(i)、y(i),格式是1e12.5；

x(i)是x轴方向方格导体的坐标，单位为m，x轴方向上有n1个网孔就要输入n1行数，y(i)是y轴方向导体坐标，单位是m，n2个网孔就要输入n2行数据。

步骤2.5、输入strx1(i)、stry1(i)、strx2(i)、stry2(i)四个数，格式是4e12.5，不是矩形网孔的其它方向的i号导体两端的坐标，前两者是首端的x、y向坐标，后两者是末端的x、y向坐标。有n3根这样地导体，要输入n3行数据；

步骤2.6、输入c，格式是1e12.5，c是微分段长度初值（m），在电流计算中，当计算点与电极距离很近时，要把微段电极分为更小微分段，使用复杂的电流场公式才能保证计算的精度，c要小于最小的微段；

步骤2.7、输入ct,格式是1e12.5,ct是入地总电流（A）；

步骤2.8、输入x、y两个方向要计算的总点数和相关的步长，格式是1i4，3e12.5；

步骤2.9、输入-1开头的四个数，格式与步骤2.8相同。

其中，在本申请实施例中，请参考图2，所述将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括：

计算规则导体的自电阻；

计算各微段的中线几何坐标；

计算规则导体之间的互电阻；

若有不规则导体，计算所有的不规则导体互电阻；

计算各微段的电流I1、I2、、、In及电位；

计算空间各点电位、跨步电压、接触电压。

其中，在实际应用中，实施将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括：

步骤3.1、设无穷远处为电位参考点，一恒定电流I由一接地极注入地中，土壤为均匀的，电阻率为。设一电极总长为L，通过的总泄流电流为I，将L分成n个微段，第j段长为L_j，其中心为O_j，第j段的泄流电流为I_j，则有：

(1)

（2）

通过L泄流的电流I在P点产生的电位为：

(3)

是以O_j为中心的微段向地中注入一单位电流时在P点产生的电位。为第j段注入单位电流在第i段产生的电位。所以，在数值上等于R_ij，则(3)式变为：

(4)

步骤3.2、为简化计算，我们忽略金属导体上的电压降，即认为电极表面等电位，设电极电压为VG，则：

(5)

由(4)式和(5)式，得

(6)

由(5)和(6)组成n+1个线性方程组，为：

(7)

式中，E为单位矩阵，VG是列矢量，

接地体接地电阻为：

(8)

由上述可知，只要求得电阻系数R_ij，通过式(4)即可求得土壤中任一点P的电位，通过(8)式可求得接地电阻R。

步骤3.3、当P点距离电极微段很远时，即这个微段电极的尺寸与这个距离相比可忽略，可以把这个电极看作一个点模型，则有：

（9）

式中，r和r’分别是点P到微段中心点和到微段镜像的中心点的距离。

当P点与电极微段很近时，特别是P点在微段表面时，采用点电源的计算方法会带来很大的误差。这时可以把电极微段进行二次分段处理，即把电极微段按长度等分为N段。设为微分段k、j流入地中的电流，由j段流入地中电流为单位电流时，则有

(10)

当单位电流由微分段k、j注入地中时，在P点产生的电位为，则有：

(11)

式中，a为导体半径，b为微分段长度；r和z分别为P点的横坐标和纵坐标，k₀和k₁分别是零阶与一阶的第二类修正的贝塞尔函数，0⁺表示积分下限不能为0。

上式仅适用于无限均匀介质的情况，对于半无限均匀介质，应该用镜像法求解。先求出，则P点的电位为：

（12）

当P点与微段很接近时，只要求得各就可得到P点与该微段较近时的格林函数值。

（13）

设有单位电流由第j微段注入地中，这时第j微段的导体电位升高在数值上等于R_ij。把P点分别固定于各微段上，考虑到电极表面等电位，得到如下N+1个方程组：

(14)

为第j微段的各微分段之间的互电阻，当k=m，即为第k微分段的自电阻。式(14)中是将P点固定在微分段m上，单位电流由微分段k注入并在m上产生的电位。对求解，当微分段m距离微分段k较远时，则可采用点电极公式(9)求解，否则采用近点公式(13)求解。联立求解方程组(14)，则可求出第j段的自电阻R_ij。

微段i和微段j的互电阻R_ij即在j段上注入单位电流而在i段上产生的平均电位，有：

(15)

式中，L_i为第i微段导体总长度；为第i段上微分单元d_s中心点；为单位电流注入j段在点产生的电位，有R_ij=R_ji。

为使(15)式计算简化，当i、j段较远时，可以将L_i、L_j微段作为点电源处理，这时R_ij就可用公式(9)计算。当i、j段相距很近时，对分布在i段上的三个点，用式(13)分别计算，取它们的平均值作为R_ij的近似值：

(16)

步骤3.4、根据地面上任一P点的电位V_P，可算出P点的电位梯度值，以及P点的接触电压U_TP，有：

(17)

(18)

式中，V_g为接地设备离地面1.8m处的地电位升。

设人脚如果接触地表点P和距离点P为0.8m的点M两点，则跨步电压US为：

（19)

式中，V_M为M点的电位值。

由上述可知，给定了一个接地网的原始数据，就可以计算出地网接地电阻；确定接地电流之后，就可以计算地面上任意一点电位；最后计算出地面电位梯度、跨步电压和接触电压。

其中，在实际应用中，下面举个例子对本申请实施例中的变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法进行介绍，请参考表1-表2，表1为自电阻和互电阻（部分），表2为电位分布矩阵（部分）：

图3是实际变电站地网图，图中的黑色小圆点代表垂直导体，其余均是水平导体；表1是地网的部分自电阻和互电阻，表格中的水平方向第一排和垂直方向的第一列分别代表水平和垂直方向的步数（表2也一样），本次实施例中的步长选为0.25m。图4中的X、Y方向分别代表步数，图中相应的数字代表电位，电位相等的点用同一条线相连接；图5、图6中的X、Y方向为步数，Z方向代表电位或电位梯度值。

根据表1和表2，可以方便的看出地网上每个点的电位值，根据图4、图5、图6可以清晰的看出整个地网的电位分布情况，结合地网图便可以直接找出地网电位出现异常的区域，进而采取相应的均压措施。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤3、将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电位文件包括：电位分布和梯度分布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括：

当为规则导体时，计算矩形网孔微段两端坐标，计算规则导体的自电阻；

若有不规则导体，计算不规则导体的自电阻，计算各微段的中线几何坐标，计算规则导体之间的互电阻；

若有不规则导体，计算所有的不规则导体互电阻；

计算各微段的电流I1、I2...In及电位；

计算空间各点电位、跨步电压、接触电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图具体包括：

步骤4.3、将所述电位数据或梯度数据转化为矩阵数据；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3计算结果能够直接得到整个接地网的总电阻、每段接地导体的自电阻、相邻导体的互电阻、以及地面各点的电位值和电位梯度值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5能够直接读取接地网上任一点的电位及电位梯度。