CN105069202A - 一种变电站接地网的智能敷设设计方法 - Google Patents

Abstract

一种变电站接地网的智能敷设设计方法。其包括建立能够兼容CAD和三维展示的界面；建立接地网设计输入输出及中间结果数据库；接地网设计计算及结果展示等步骤。本发明效果：采用了形象的CAD界面和灵活的输入输出接口交互式结构，设计人员可根据变电站面积大小选择敷设接地网的区域，灵活选择所需接地材料及给定初始界面，具备自动计算接地网的接触电压、跨步电压和截面校验的功能，并能够自动输出接地网设计计算结果表，对敷设效果加以三维展示。还具备和其他接地材料进行经济技术比较的功能，推荐出最优接地方案，具有准确、高效、灵活、经济、形象的特点。

Description

一种变电站接地网的智能敷设设计方法

技术领域

本发明属于电网规划设计接地网设计技术领域，特别是涉及一种变电站接地网的智能敷设设计方法。

背景技术

变电站接地网对于电力系统以及电网的正常运行具有重要的现实意义，不仅对变电站的电力设备以及电力系统等都具有一定的保护作用，对于变电站的工作人员的生命财产安全也是一种有力的保障。

当前变电站的主接地网是电力系统过电压保护装置的重要组成部分，它以水平敷设的人工接地体为主，辅以垂直接地体，构成变电站人工接地装置。目前常用的接地网设计计算方法有手算算法和软件算法，但是手算算法耗时费力，精度有限；软件算法大多集成在功能较大的其他整体软件中，购买成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种变电站接地网的智能敷设设计方法。

为了达到上述目的，本发明提供的变电站接地网的智能敷设设计方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)建立能够兼容CAD和三维展示的界面；选择一种能够兼容CAD和三维展示的界面，以便于借助编程来实现界面的特异化；

步骤2)建立接地网设计输入输出及中间结果数据库；依据接地网设计计算涉及的参数及输入输出结果，逐个建立数据库中的输入表、结果输出表及中间结果对照表，并保证每次开始新一轮的计算时将上述数据表清空；

步骤3)接地网设计计算及结果展示；根据CAD手动敷设接地网的区域；根据自动弹出窗口选择水平接地体材质和给定初始截面；根据规范DL/T621和GB/T50065的要求进行接地网设计计算，并根据规范要求校验接地网的接触电压、跨步电压和截面选择合理性；将计算结果加以图形展示和三维展示，根据需要生成接地网设计计算结果表和图纸导出，根据需要进行技术经济比较计算和结果导出。

在步骤1)中，所述的三维展示的界面为互动界面，最上层设置为菜单栏，下面放置工具栏，整体界面中间为显示栏，下方为命令栏。

在步骤2)中，所述的数据库为Access数据表，所有表格为.mdb格式；所述的输入表包括：敷设接地网区域存储表，包含所选择区域端点的横、纵坐标；计算数据输入表,内含接地计算的各种参数，如土壤电阻率，所选接地材料，接地方式；结果输出表，存储相关结果数据，如接地装置的接触电压、跨步电压、截面校验、经济技术比较结果；中间结果对照表，内存储中间计算的一些对比数据。

在步骤3)中，所述的接地网设计计算的具体方法为：

1.计算用入地短路电流的计算

I＝(I_max-I_n)×(1-K_el)(1)

I＝I_n(1-K_e2)(2)

式中：I——入地短路电流，A；

I_max——接地短路时的最大接地短路电流，A；

I_n——发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流，A；

K_e1,K_e2——分别为厂或所内和厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用入地短路电流取两式中较大的I值。

2.人工接地极工频接地电阻的计算

1)垂直接地极的接地电阻采用下式计算：

当l＞＞d时，

$R_v=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}(ln\frac{8l}{d}-1)---\left(3\right)$

式中：R_v——垂直接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地极的长度，m；

d——接地极用圆钢时，圆钢的直径，m。

2)不同形状水平接地极的接地电阻采用下式计算：

$R_h=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}(ln\frac{l^2}{hd}+A)---\left(4\right)$

式中：R_h——水平接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——水平接地极的总长度，m；

h——水平接地极的埋深，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

A——水平接地极的形状系数。

水平接地极的形状系数采用DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表A1所列数值。

3)水平接地极为主边缘闭合的符合接地极或接地网的接地电阻采用下式计算：

R_n＝α₁R_e(5)

${\mathrm{\α}}_1=(3ln\frac{L_0}{\sqrt{S}}-0.2)\frac{\sqrt{S}}{L_0}$

$R_e=0.213\frac{\mathrm{\ρ}}{\sqrt{S}}(1+B)+\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}(ln\frac{S}{9hd}-5B)$

$B=\frac{1}{1+4.6\frac{h}{\sqrt{S}}}$

式中：R_n——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；

R_e——等值，即等面积、等水平接地极总长度的方形接地网的接地电阻，Ω；

S——接地网的总面积，m²；

h——水平接地极的埋深，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

L——水平接地极的总长度，m；

L₀——接地网的外缘边线总长度，m。

4)人工接地极的简易计算采用DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表A2所列公式。

在步骤3)中，所述的根据规范要求校验接地网的接触电压、跨步电压和截面选择合理性的具体方法为：

1.发生接地故障时，接地装置的电位、接触电位差和跨步电位差的计算

a)接地装置的电位按下式计算：

U_g＝IR(6)

式中：U_g——接地装置的电位，V；

I——计算用入地短路电流，A；

R——接地装置(包括人工接地网及与其连接的所有其他接地极)的接地电阻，Ω；

b)均压带等间距布置时接地网地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算。

1)接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差按下式计算：

U_tmax＝K_tmaxU_g(7)

式中：U_tmax——最大接触电位差，V；

K_tmax——最大接触电位差系数；

当接地极的埋设深度h＝0.6～0.8m时，K_tmax按下式计算：

K_tmax＝K_dK_LK_nK_s(8)

式中：K_d,K_L,K_n和K_s——系数，对30×30m²≤S≤500×500m²的接地网按式(9)计算：

式中：n——均压带计算根数；

d——均压带等效直径，m；

L₁,L₂——接地网的长度和宽度。

2)接地网外的地表面最大跨步电位差按下式计算：

U_smax＝K_smaxU_g(10)

式中：U_smax——最大接触电位差，V；

K_smax——最大接触电位差系数。

正方形接地网的最大跨步电位差系数按下式计算：

$K_{smax}=(1.5-a_2)ln\frac{h^2+{(h+T/2)}^2}{h^2+{(h-T/2)}^2}/ln\frac{20.4S}{dh}$

${\mathrm{\α}}_2=0.35{\left(\frac{n-2}{n}\right)}^{1.14}{\left(\frac{\sqrt{S}}{30}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(11\right)$

$\mathrm{\β}=0.1\sqrt{n}$

而T＝0.8米，即跨步距离；

对于矩形接地网，n值由下式计算：

$n=2\left(\frac{L}{L_0}\right){\left(\frac{L_0}{4\sqrt{S}}\right)}^{1/2}---\left(12\right)$

式中：L——水平接地极的总长度，m；

L₀——接地网的外缘边线总长度，m。

c)均压带非等间距布置时正方形或矩形接地网地表面的最大接触电位差和最大跨步电位差的计算

1)接地网均压带按DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表B1所示的不等间距方式布置。

2)接地网地表面最大接触电位差仍采用式(7)计算，但K_tmax变为：

K_tmax＝K_tdK_thK_tLK′_tmaxK_tnK_ts(13)

式中各系数依次为对最大接触电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且：

$K_{td}=0.401+0.522/\sqrt[6]{d}$

$K_{th}=0.257-0.095\sqrt[5]{h}$

K_tL＝0.168+0.002(L₂/L₁)L₂≤L₁

$K_{tmax}^{\′}=2.837+240.021/\sqrt[3]{m^2}$

$\begin{array}{cc}{K}_{tn}=0.021+0.217\sqrt{n_2/n_1}-0.132(n_2/n_1)& n_2\≤n_1\end{array}$

$K_{ts}=0.054+0.410\sqrt[8]{S}$

式中：n₁——沿长方向布置的均压带根数；

n₂——沿宽方向布置的均压带根数；

m——接地网孔数，其中m＝(n₁-1)(n₂-1)；

h——水平均压带的埋深；

L₁,L₂——接地网的长度和宽度。

3)接地网的最大跨步电位差仍采用式(10)计算，但K_smax变为：

K_smax＝K_sdK_shK_sLK′_smaxK_snK_ss(14)

式中各系数依次为对最大跨步电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且：

$K_{sd}=0.574-0.64\sqrt[3]{d}$

$K_{sh}=383.964e^{-2.709}\sqrt[3]{h}$

K_sL＝0.741-0.011(L₂/L₁)L₂≤L₁

K′_tmax＝0.056+1.072/m

$\begin{array}{cc}{K}_{sn}=0.849+0.234\sqrt[12]{n_2/n_1}& n_2\≤n_1\end{array}$

$K_{ss}=0.07+01.08/\sqrt{S}$

式中参数意义同上。

2.确定发电厂、变电所接地装置的形式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差，并应符合下列要求。

a)在110kV及以上有效接地系统和6～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

$U_t=\frac{174+0.17{\mathrm{\ρ}}_f}{\sqrt{t}}---\left(15\right)$

$U_s=\frac{174+0.7{\mathrm{\ρ}}_f}{\sqrt{t}}---\left(16\right)$

式中，U_t——接触电位差，V；

U_s——跨步电位差，V；

ρ_f——人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m；

t——接地短路(故障)电流的持续时间，s；

b)3～66kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

U_t＝50+0.05ρ_f(17)

U_s＝50+0.2ρ_f(18)

c)在条件特别恶劣的场所，例如水田中，接触电位差和跨步电位差的允许值宜适当降低。

3.接地装置的热稳定校验

1)根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下列要求：

$S_g\≥\frac{I_g}{c}\sqrt{t_e}---\left(19\right)$

式中：S_g——接地线的最小截面。mm²；

I_g——流过接地线的短路电流稳定值，A(根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定)；

t_e——短路的等效持续时间，s；

c——接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。

2)根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75％。

在步骤3)中，所述的接地网设计计算及结果展示方法包括下列步骤：

步骤3.1)选定敷设区域：在CAD图上框选需要敷设接地网的变电站站区；

步骤3.2)确定接地体：根据自动弹出窗口中选择水平接地体材料和截面，选择接地形式，若为水平或混合方式则需手动设置水平接地体的敷设间距，以满足DL/T621的相关规定；

步骤3.3)计算接地体参数：根据已知入地短路电流和不同接地形式的接地电阻，计算接地装置的电位，并由此计算接触电位差和跨步电位差；

步骤3.4)判断电位差校验是否通过：根据规范DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中对电气装置接地的一般规定，判断所选接地装置的接触电位差和跨步电位差是否满足规定的要求，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.5)，否则下一步返回步骤3.2)；

步骤3.5)判断所选水平接地体的截面校验，根据规范DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中对接地装置热稳定校验的规定，判断所选接地装置的截面是否满足规定的要求，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.6)，否则下一步返回步骤3.2)；

步骤3.6)图上布置水平接地网，视用户需要还可布置垂直接地极，导出计算结果后，视用户需要对布置的接地结果进行三维展示；

步骤3.7)根据用户需要，判断是否进行经济技术比较，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.8)，否则流程至此结束；

步骤3.8)经济技术比较：根据选择合格的截面自动匹配其他两种材质的截面，并根据全站接地网用量进行经济技术比较，导出计算结果；本流程至此结束。

本发明提供的变电站接地网的智能敷设设计方法的效果：

本发明采用了形象的CAD界面和灵活的输入输出接口交互式结构，设计人员可根据变电站面积大小选择敷设接地网的区域，灵活选择所需接地材料及给定初始界面，具备自动计算接地网的接触电压、跨步电压和截面校验的功能，并能够自动输出接地网设计计算结果表，对敷设效果加以三维展示。还具备和其他接地材料进行经济技术比较的功能，推荐出最优接地方案，具有准确、高效、灵活、经济、形象的特点。

附图说明

图1为本发明提供的变电站接地网的智能敷设设计方法中接地网设计计算及结果展示步骤的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的变电站接地网的智能敷设设计方法进行详细说明。

本发明的目的是针对目前变电站接地网设计中存在的问题，提出一种基于CAD图纸，以数据库存储的形式，自动计算出接地网接触电压、跨步电压及截面校验的智能敷设设计方法；该方法可以大大提高变电站接地网设计的效率和准确性，并对计算结果加以三维展示，更具直观性；并结合材料选择可以进行经济技术比较，更具经济性。

本发明所采用的技术方案如下：

1.建立接地网敷设系统界面，具备兼容CAD和三维展示的功能。

2.建立各计算过程及输入输出的中间数据库表。

3.编写程序，设定输入输出接口及相关界面，设定算法，进行接地网的布置计算，计算过程中要根据所选择材料对其接触电压、跨步电压，截面选择进行校验。

4.按设计者要求灵活选择是否需要经济技术比较，若需要，根据已选择的一种材料的截面去匹配其他两种材料的截面，进行经济技术比较。

5.将计算结果形象地体现在图纸上，并输出接地网设计的结果表，选择材料、截面、允许的接触电压、跨步电压等，具备接地网敷设的三维展示功能。

本发明提供的变电站接地网的智能敷设设计方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)建立能够兼容CAD和三维展示的界面；选择一种能够兼容CAD和三维展示的界面，以便于借助编程来实现界面的特异化；

步骤2)建立接地网设计输入输出及中间结果数据库；依据接地网设计计算涉及的参数及输入输出结果，逐个建立数据库中的输入表、结果输出表及中间结果对照表，并保证每次开始新一轮的计算时将上述数据表清空；

步骤3)接地网设计计算及结果展示；根据CAD手动敷设接地网的区域；根据自动弹出窗口选择水平接地体材质和给定初始截面；根据规范DL/T621和GB/T50065的要求进行接地网设计计算，并根据规范要求校验接地网的接触电压、跨步电压和截面选择合理性；将计算结果加以图形展示和三维展示，根据需要生成接地网设计计算结果表和图纸导出，根据需要进行技术经济比较计算和结果导出。

在步骤1)中，所述的三维展示的界面为互动界面，最上层设置为菜单栏，下面放置工具栏，整体界面中间为显示栏，下方为命令栏，整体功能布局可以充分利用本体的CAD功能，整个界面能够提供与用户的自由交互。

在步骤2)中，所述的数据库为Access数据表，所有表格为.mdb格式，能够与当前的各种计算机语言交互，能够实现大数据量的存储和转换；所述的输入表包括：敷设接地网区域存储表，包含所选择区域端点的横、纵坐标；计算数据输入表,内含接地计算的各种参数，如土壤电阻率，所选接地材料，接地方式等；结果输出表，存储相关结果数据，如接地装置的接触电压、跨步电压、截面校验、经济技术比较结果等；中间结果对照表，内存储中间计算的一些对比数据，用于将计算结果与该中间数据进行对比，以判断计算结果的正确性，从而决定是否在结果输出表中输出结果。在每开始新一轮的计算之前，将以上所有表格中的数据全部清空。

在步骤3)中，所述的接地网设计计算的具体方法为：

1.计算用入地短路电流的计算

I＝(I_max-I_n)×(1-K_el)(1)

I＝I_n(1-K_e2)(2)

式中：I——入地短路电流，A；

I_max——接地短路时的最大接地短路电流，A；

I_n——发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流，A；

K_e1,K_e2——分别为厂或所内和厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用入地短路电流取两式中较大的I值。

2.人工接地极工频接地电阻的计算

1)垂直接地极的接地电阻采用下式计算：

当l＞＞d时，

$R_v=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}(ln\frac{8l}{d}-1)---\left(3\right)$

式中：R_v——垂直接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地极的长度，m；

d——接地极用圆钢时，圆钢的直径，m。

2)不同形状水平接地极的接地电阻采用下式计算：

$R_h=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}(ln\frac{l^2}{hd}+A)---\left(4\right)$

式中：R_h——水平接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——水平接地极的总长度，m；

h——水平接地极的埋深，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

A——水平接地极的形状系数。

水平接地极的形状系数采用DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表A1所列数值。

3)水平接地极为主边缘闭合的符合接地极或接地网的接地电阻采用下式计算：

R_n＝α₁R_e(5)

${\mathrm{\α}}_1=(3ln\frac{L_0}{\sqrt{S}}-0.2)\frac{\sqrt{S}}{L_0}$

$R_e=0.213\frac{\mathrm{\ρ}}{\sqrt{S}}(1+B)+\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}(ln\frac{S}{9hd}-5B)$

$B=\frac{1}{1+4.6\frac{h}{\sqrt{S}}}$

式中：R_n——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；

R_e——等值，即等面积、等水平接地极总长度的方形接地网的接地电阻，Ω；

S——接地网的总面积，m²；

h——水平接地极的埋深，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

L——水平接地极的总长度，m；

L₀——接地网的外缘边线总长度，m。

4)人工接地极的简易计算采用DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表A2所列公式。

在步骤3)中，所述的根据规范要求校验接地网的接触电压、跨步电压和截面选择合理性的具体方法为：

1.发生接地故障时，接地装置的电位、接触电位差和跨步电位差的计算

a)接地装置的电位按下式计算：

U_g＝IR(6)

式中：U_g——接地装置的电位，V；

I——计算用入地短路电流，A；

R——接地装置(包括人工接地网及与其连接的所有其他接地极)的接地电阻，Ω；

b)均压带等间距布置时接地网地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算。

1)接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差按下式计算：

U_tmax＝K_tmaxU_g(7)

式中：U_tmax——最大接触电位差，V；

K_tmax——最大接触电位差系数；

当接地极的埋设深度h＝0.6～0.8m时，K_tmax按下式计算：

K_tmax＝K_dK_LK_nK_s(8)

式中：K_d,K_L,K_n和K_s——系数，对30×30m²≤S≤500×500m²的接地网按式(9)计算：

式中：n——均压带计算根数；

d——均压带等效直径，m；

L₁,L₂——接地网的长度和宽度。

2)接地网外的地表面最大跨步电位差按下式计算：

U_smax＝K_smaxU_g(10)

式中：U_smax——最大接触电位差，V；

K_smax——最大接触电位差系数。

正方形接地网的最大跨步电位差系数按下式计算：

$K_{smax}=(1.5-a_2)ln\frac{h^2+{(h+T/2)}^2}{h^2+{(h-T/2)}^2}/\ln \frac{20.4S}{dh}$

$a_2=0.35{\left(\frac{n-2}{n}\right)}^{1.14}{\left(\frac{\sqrt{S}}{30}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(11\right)$

$\mathrm{\β}=0.1\sqrt{n}$

而T＝0.8米，即跨步距离；

对于矩形接地网，n值由下式计算：

$n=2\left(\frac{L}{L_0}\right){\left(\frac{L_0}{4\sqrt{S}}\right)}^{1/2}---\left(12\right)$

式中：L——水平接地极的总长度，m；

L₀——接地网的外缘边线总长度，m。

c)均压带非等间距布置时正方形或矩形接地网地表面的最大接触电位差和最大跨步电位差的计算

1)接地网均压带按DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表B1所示的不等间距方式布置。

2)接地网地表面最大接触电位差仍采用式(7)计算，但K_tmax变为：

K_tmax＝K_tdK_thK_tLK′_tmaxK_tnK_ts(13)

式中各系数依次为对最大接触电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且：

$K_{td}=0.401+0.522/\sqrt[6]{d}$

$K_{th}=0.257-0.095\sqrt[5]{h}$

K_tL＝0.168+0.002(L₂/L₁)L₂≤L₁

$K_{tmax}^{\′}=2.837+240.021/\sqrt[3]{m^2}$

$\begin{array}{cc}{K}_{tn}=0.021+0.217\sqrt{n_2/n_1}-0.132(n_2/n_1)& n_2\≤n_1\end{array}$

$K_{ts}=0.054+0.410\sqrt[8]{S}$

式中：n₁——沿长方向布置的均压带根数；

n₂——沿宽方向布置的均压带根数；

m——接地网孔数，其中m＝(n₁-1)(n₂-1)；

h——水平均压带的埋深；

L₁,L₂——接地网的长度和宽度。

3)接地网的最大跨步电位差仍采用式(10)计算，但K_smax变为：

K_smax＝K_sdK_shK_sLK′_smaxK_snK_ss(14)

式中各系数依次为对最大跨步电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且：

$K_{sd}=0.574-0.64\sqrt[3]{d}$

$K_{sh}=383.964e^{-2.709}\sqrt[3]{h}$

K_sL＝0.741-0.011(L₂/L₁)L₂≤L₁

K′_tmax＝0.056+1.072/m

$\begin{array}{cc}{K}_{sn}=0.849+0.234\sqrt[12]{n_2/n_1}& n_2\≤n_1\end{array}$

$K_{ss}=0.07+01.08/\sqrt{S}$

式中参数意义同上。

2.确定发电厂、变电所接地装置的形式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差，并应符合下列要求。

a)在110kV及以上有效接地系统和6～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

$U_t=\frac{174+0.17{\mathrm{\ρ}}_f}{\sqrt{t}}---\left(15\right)$

$U_s=\frac{174+0.7{\mathrm{\ρ}}_f}{\sqrt{t}}---\left(16\right)$

式中，U_t——接触电位差，V；

U_s——跨步电位差，V；

ρ_f——人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m；

t——接地短路(故障)电流的持续时间，s；

b)3～66kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

U_t＝50+0.05ρ_f(17)

U_s＝50+0.2ρ_f(18)

c)在条件特别恶劣的场所，例如水田中，接触电位差和跨步电位差的允许值宜适当降低。

3.接地装置的热稳定校验

1)根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下列要求：

$S_g\≥\frac{I_g}{c}\sqrt{t_e}---\left(19\right)$

式中：S_g——接地线的最小截面。mm²；

I_g——流过接地线的短路电流稳定值，A(根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定)；

t_e——短路的等效持续时间，s；

c——接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。

2)根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75％。

如图1所示，在步骤3)中，所述的接地网设计计算及结果展示方法包括下列步骤：

步骤3.1)选定敷设区域：在CAD图上框选需要敷设接地网的变电站站区；

步骤3.2)确定接地体：根据自动弹出窗口中选择水平接地体材料和截面，选择接地形式，若为水平或混合方式则需手动设置水平接地体的敷设间距，以满足DL/T621的相关规定；

步骤3.3)计算接地体参数：根据已知入地短路电流和不同接地形式的接地电阻，计算接地装置的电位，并由此计算接触电位差和跨步电位差；

步骤3.4)判断电位差校验是否通过：根据规范DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中对电气装置接地的一般规定，判断所选接地装置的接触电位差和跨步电位差是否满足规定的要求，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.5)，否则下一步返回步骤3.2)；

步骤3.5)判断所选水平接地体的截面校验，根据规范DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中对接地装置热稳定校验的规定，判断所选接地装置的截面是否满足规定的要求，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.6)，否则下一步返回步骤3.2)；

步骤3.6)图上布置水平接地网，视用户需要还可布置垂直接地极，导出计算结果后，视用户需要对布置的接地结果进行三维展示；

步骤3.7)根据用户需要，判断是否进行经济技术比较，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.8)，否则流程至此结束；

步骤3.8)经济技术比较：根据选择合格的截面自动匹配其他两种材质的截面，并根据全站接地网用量进行经济技术比较，导出计算结果；本流程至此结束。

本发明提出一种变电站接地网的智能敷设设计方法，在保证准确、高效地选择接地网水平接地体截面，满足接触电压、跨步电压要求的同时，能够结合CAD图纸进行三维立体展示，并能够根据不同的接地材料进行经济技术比较，从而为变电站接地网设计推荐出最优的方案。

Claims (6)

1.一种变电站接地网的智能敷设设计方法，其特征在于：所述的变电站接地网的智能敷设设计方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)建立能够兼容CAD和三维展示的界面；选择一种能够兼容CAD和三维展示的界面，以便于借助编程来实现界面的特异化；

步骤2)建立接地网设计输入输出及中间结果数据库；依据接地网设计计算涉及的参数及输入输出结果，逐个建立数据库中的输入表、结果输出表及中间结果对照表，并保证每次开始新一轮的计算时将上述数据表清空；

步骤3)接地网设计计算及结果展示；根据CAD手动敷设接地网的区域；根据自动弹出窗口选择水平接地体材质和给定初始截面；根据规范DL/T621和GB/T50065的要求进行接地网设计计算，并根据规范要求校验接地网的接触电压、跨步电压和截面选择合理性；将计算结果加以图形展示和三维展示，根据需要生成接地网设计计算结果表和图纸导出，根据需要进行技术经济比较计算和结果导出。

2.根据权利要求1所述的变电站接地网的智能敷设设计方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的三维展示的界面为互动界面，最上层设置为菜单栏，下面放置工具栏，整体界面中间为显示栏，下方为命令栏。

3.根据权利要求1所述的变电站接地网的智能敷设设计方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的数据库为Access数据表，所有表格为.mdb格式；所述的输入表包括：敷设接地网区域存储表，包含所选择区域端点的横、纵坐标；计算数据输入表,内含接地计算的各种参数，如土壤电阻率，所选接地材料，接地方式；结果输出表，存储相关结果数据，如接地装置的接触电压、跨步电压、截面校验、经济技术比较结果；中间结果对照表，内存储中间计算的一些对比数据。

4.根据权利要求1所述的变电站接地网的智能敷设设计方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的接地网设计计算的具体方法为：

1.计算用入地短路电流的计算

I＝(I_max-I_n)×(1-K_el)(1)

I＝I_n(1-K_e2)(2)

式中：I——入地短路电流，A；

I_max——接地短路时的最大接地短路电流，A；

I_n——发生最大接地短路时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流，A；

K_e1,K_e2——分别为厂或所内和厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数；

计算用入地短路电流取两式中较大的I值；

2.人工接地极工频接地电阻的计算

1)垂直接地极的接地电阻采用下式计算：

当l＞＞d时，

式中：R_v——垂直接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地极的长度，m；

d——接地极用圆钢时，圆钢的直径，m；

2)不同形状水平接地极的接地电阻采用下式计算：

式中：R_h——水平接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——水平接地极的总长度，m；

h——水平接地极的埋深，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

A——水平接地极的形状系数；

水平接地极的形状系数采用DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表A1所列数值；

3)水平接地极为主边缘闭合的符合接地极或接地网的接地电阻采用下式计算：

R_n＝α₁R_e(5)

式中：R_n——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；

R_e——等值，即等面积、等水平接地极总长度的方形接地网的接地电阻，Ω；

S——接地网的总面积，m²；

h——水平接地极的埋深，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

L——水平接地极的总长度，m；

L₀——接地网的外缘边线总长度，m；

4)人工接地极的简易计算采用DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表A2所列公式。

5.根据权利要求1所述的变电站接地网的智能敷设设计方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的根据规范要求校验接地网的接触电压、跨步电压和截面选择合理性的具体方法为：

1.发生接地故障时，接地装置的电位、接触电位差和跨步电位差的计算

a)接地装置的电位按下式计算：

U_g＝IR(6)

式中：U_g——接地装置的电位，V；

I——计算用入地短路电流，A；

R——接地装置(包括人工接地网及与其连接的所有其他接地极)的接地电阻，Ω；

b)均压带等间距布置时接地网地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算；

1)接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差按下式计算：

U_tmax＝K_tmaxU_g(7)

式中：U_tmax——最大接触电位差，V；

K_tmax——最大接触电位差系数；

当接地极的埋设深度h＝0.6～0.8m时，K_tmax按下式计算：

K_tmax＝K_dK_LK_nK_s(8)

式中：K_d,K_L,K_n和K_s——系数，对30×30m²≤S≤500×500m²的接地网按式(9)计算：

式中：n——均压带计算根数；

d——均压带等效直径，m；

L₁,L₂——接地网的长度和宽度；

2)接地网外的地表面最大跨步电位差按下式计算：

U_smax＝K_smaxU_g(10)

式中：U_smax——最大接触电位差，V；

K_smax——最大接触电位差系数；

正方形接地网的最大跨步电位差系数按下式计算：

而T＝0.8米，即跨步距离；

对于矩形接地网，n值由下式计算：

式中：L——水平接地极的总长度，m；

L₀——接地网的外缘边线总长度，m；

c)均压带非等间距布置时正方形或矩形接地网地表面的最大接触电位差和最大跨步电位差的计算

1)接地网均压带按DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中表B1所示的不等间距方式布置；

2)接地网地表面最大接触电位差仍采用式(7)计算，但K_tmax变为：

K_tmax＝K_tdK_thK_tLK′_tmaxK_tnK_ts(13)

式中各系数依次为对最大接触电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且：

K_tL＝0.168+0.002(L₂/L₁)L₂≤L₁

式中：n₁——沿长方向布置的均压带根数；

n₂——沿宽方向布置的均压带根数；

m——接地网孔数，其中m＝(n₁-1)(n₂-1)；

h——水平均压带的埋深；

L₁,L₂——接地网的长度和宽度；

3)接地网的最大跨步电位差仍采用式(10)计算，但K_smax变为：

K_smax＝K_sdK_shK_sLK′_smaxK_snK_ss(14)

式中各系数依次为对最大跨步电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且：

K_sL＝0.741-0.011(L₂/L₁)L₂≤L₁

K′_tmax＝0.056+1.072/m

式中参数意义同上；

2.确定发电厂、变电所接地装置的形式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差，并应符合下列要求：

a)在110kV及以上有效接地系统和6～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

式中，U_t——接触电位差，V；

U_s——跨步电位差，V；

ρ_f——人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω·m；

t——接地短路(故障)电流的持续时间，s；

b)3～66kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

U_t＝50+0.05ρ_f(17)

U_s＝50+0.2ρ_f(18)

c)在条件特别恶劣的场所，例如水田中，接触电位差和跨步电位差的允许值宜适当降低；

3.接地装置的热稳定校验

1)根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下列要求：

式中：S_g——接地线的最小截面，mm²；

I_g——流过接地线的短路电流稳定值，A(根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定)；

t_e——短路的等效持续时间，s；

c——接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定；

2)根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75％。

6.根据权利要求1所述的变电站接地网的智能敷设设计方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的接地网设计计算及结果展示方法包括下列步骤：

步骤3.1)选定敷设区域：在CAD图上框选需要敷设接地网的变电站站区；

步骤3.2)确定接地体：根据自动弹出窗口中选择水平接地体材料和截面，选择接地形式，若为水平或混合方式则需手动设置水平接地体的敷设间距，以满足DL/T621的相关规定；

步骤3.3)计算接地体参数：根据已知入地短路电流和不同接地形式的接地电阻，计算接地装置的电位，并由此计算接触电位差和跨步电位差；

步骤3.4)判断电位差校验是否通过：根据规范DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中对电气装置接地的一般规定，判断所选接地装置的接触电位差和跨步电位差是否满足规定的要求，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.5)，否则下一步返回步骤3.2)；

步骤3.5)判断所选水平接地体的截面校验，根据规范DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中对接地装置热稳定校验的规定，判断所选接地装置的截面是否满足规定的要求，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.6)，否则下一步返回步骤3.2)；

步骤3.6)图上布置水平接地网，视用户需要还可布置垂直接地极，导出计算结果后，视用户需要对布置的接地结果进行三维展示；

步骤3.7)根据用户需要，判断是否进行经济技术比较，如果判断结果为“是”，则进入步骤3.8)，否则流程至此结束；

步骤3.8)经济技术比较：根据选择合格的截面自动匹配其他两种材质的截面，并根据全站接地网用量进行经济技术比较，导出计算结果；本流程至此结束。