CN107766622A - 一种地下变电站接地系统设计优化方法 - Google Patents

一种地下变电站接地系统设计优化方法 Download PDF

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吕征宇
王紫雷
周亮
庄培玲
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Abstract

本发明涉及一种地下变电站接地系统设计优化方法，该方法包括如下步骤：(1)建立模拟地下空间层以及周边多层土壤模型的多块土壤模型；(2)根据多块土壤模型和接地系统结构确定最大入地故障电流；(3)根据不同的故障电流入地点确定各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压；(4)将步骤(3)结构与预先确定的安全性标准进行比较，若满足安全性标准则接地系统结构合理，否则调整接地系统结构并返回步骤(2)。与现有技术相比，本发明能够有效地对接地系统结构进行优化改进，保证接地系统的安全性，从而进一步保证变电站安全。

Description

一种地下变电站接地系统设计优化方法
技术领域
本发明涉及一种地下变电站优化方法，尤其是涉及一种地下变电站接地系统设计优化方法。
背景技术
城区地下变电站同普通城区变电站相比，地下变电站占地面积较大，桩基较多，短路电流大；地下变电站进出线一般采用电缆，发生短路故障时，缆芯和护套之间存在强烈的感应，从而影响故障电流的分布；地下变电站一般采用GIS，相线和金属外壳之间的强烈电磁感应使得GIS金属外壳的电位分布极不均匀，GIS不同位置之间存在极大的电位差，须考虑保证GIS接触电压安全性；城区地下变电站同商用、民用建筑共存，其接地系统直接或间接与管道或建筑物接地系统存在电气连接，所有共存设施建筑间相互影响。
接地网是保证变电站安全运行不可缺少的组成部分，其性能好坏直接影响到安全性能和雷电流的散流。目前，在设计接地网时，仅考虑单层土壤结构和面积的影响。而在实际中进行接地网设计时，影响因素很多，如土壤结构、故障入地电流、周围存在的建筑物等。对于一些规范中没有具体要求的参数，大多根据自身的经验和理解进行布置。经常会出现施工后相关参数与设计值差别很大的情况。
大型地下变电站与普通电力变电站的根本区别在于：(1)大型地下变电站通常占据一个更大的范围和包括不同层次的地下基础设施和大型地基；(2)大型地下变电站的故障电流通常比较大；(3)大型地下变电站多高压等级的存在，使得故障电流有很大一部分是环流(故障点和变压器电流源都在电站内)；(4)大型变电站所占的大范围、与周边楼层及水泥钢筋的连接对电站接地阻抗的减小起着良好的作用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种地下变电站接地系统设计优化方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种地下变电站接地系统设计优化方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立模拟地下空间层以及周边多层土壤模型的多块土壤模型；
(2)根据多块土壤模型和接地系统结构确定最大入地故障电流；
(3)根据不同的故障电流入地点确定各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压；
(4)将步骤(3)结构与预先确定的安全性标准进行比较，若满足安全性标准则接地系统结构合理，否则调整接地系统结构并返回步骤(2)。
步骤(1)建立多块土壤模型具体为：测量不同测试点位置的土壤电阻率，结合土壤电阻率利用CDEGS软件建立多块土壤模型。
步骤(3)采用CDEGS软件获取各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压，其中接地阻抗包括：考虑地下桩基时的接地阻抗以及不考虑地下桩基时的接地阻抗。
步骤(4)中安全性标准包括接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压的最大允许值。
接触电压最大允许值通过下式获得：
其中，Cs为地表层衰减系数，ρs为地表层电阻率，ρ为地表层下方的电阻率， hs为地表层厚度，ts为接地故障电流电流持续时间，Ut为接触电压最大允许值。
跨步电压最大允许值通过下式获得：
其中，Cs为地表层衰减系数，ρs为地表层电阻率，ρ为地表层下方的电阻率，hs为地表层厚度，ts为接地故障电流电流持续时间，Us为跨步电压最大允许值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明建立多块土壤模型，在此基础上对接地系统结构进行分析，从各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压多个方便对接地系统的安全性进行全面评估，从而对接地系统结构进行优化改进，保证接地系统的安全性，从而进一步保证变电站安全；
(2)本发明利用CDEGS软件建立多块土壤模型并进行各故障点数据分析获取，CDEGS(电流分布Current Distribution、电磁场Electromagnetic Fields、接地Grounding和土壤结构分析Soil Structure Analysis的英文首字母的缩写)是一套功能强大的集成软件工具，用来精确分析接地、电磁场、电磁干扰等问题，分析结果更加准确，提高后续安全性评估的准确性。
附图说明
图1为本发明地下变电站接地系统设计优化方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种地下变电站接地系统设计优化方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立模拟地下空间层以及周边多层土壤模型的多块土壤模型；
(2)根据多块土壤模型和接地系统结构确定最大入地故障电流；
(3)根据不同的故障电流入地点确定各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压；
(4)将步骤(3)结构与预先确定的安全性标准进行比较，若满足安全性标准则接地系统结构合理，否则调整接地系统结构并返回步骤(2)。
步骤(1)建立多块土壤模型具体为：测量不同测试点位置的土壤电阻率，结合土壤电阻率利用CDEGS软件建立多块土壤模型。
目前在进行土壤电阻率测量时，一般采用四极法。电极布置包括两个外侧电流注入电极和两个内侧电势电极，这些电极在同一条直线且为等间距布置。通过两个外侧电极注入电流，测量两个内侧电极间的电压，从而得到视在电阻率。当相邻的电流、电压极相距较近，测量的土壤电阻率反映表层土壤的特性。当电极之间相距甚远，测量土壤电阻率反映深层平均土壤特性。原则上，最大土壤电阻率测量间距至少应是所研究的接地系统尺寸的几倍。当电极间距为100m时，基本可以真实代表地下50m以内的土壤特性，而50m以外的土壤结构几乎完全不可知。
另一方面，土壤底层电阻率对接地网的性能有着极大的影响。考虑圆台体的电阻，首先将圆台体分解为许多高度为Δr的小圆台体，每一小圆台体的电阻ΔRi近似为：
式中：k为常数；ρi为第i个小圆台体的密度值；ri为第i个小圆台体的半径。
而整个圆台体的电阻R为：
一个接地网的接地电阻正是多个圆台体电阻的并联。可以看到，当ρ10＝10ρ1时，R1＝R10。就是说，如果第10层土壤电阻率是第一层的10倍，那么它们对接地电阻的贡献是同样的。
根据接地网的不同尺寸，所要了解的大地土壤电阻率的深度也要有所不同。更确切地说，就是接地网越大，所要了解的土壤电阻率的深度要越大。一般而言，接地系统的地电位升(GPR)主要决定于深层土壤(对应于大电极间距电阻率测量值)；而接触和跨步电压做为地电位升的百分比则取决于当地表层土壤特性(对应于短电极间距电阻率测量值)。
步骤(3)采用CDEGS软件获取各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压，其中接地阻抗包括：考虑地下桩基时的接地阻抗以及不考虑地下桩基时的接地阻抗。
步骤(4)中安全性标准包括接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压的最大允许值。
接触电压最大允许值通过下式获得：
其中，Cs为地表层衰减系数，ρs为地表层电阻率，ρ为地表层下方的电阻率， hs为地表层厚度，ts为接地故障电流电流持续时间，Ut为接触电压最大允许值。
跨步电压最大允许值通过下式获得：
其中，Cs为地表层衰减系数，ρs为地表层电阻率，ρ为地表层下方的电阻率， hs为地表层厚度，ts为接地故障电流电流持续时间，Us为跨步电压最大允许值。

Claims (6)

1.一种地下变电站接地系统设计优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)建立模拟地下空间层以及周边多层土壤模型的多块土壤模型；
(2)根据多块土壤模型和接地系统结构确定最大入地故障电流；
(3)根据不同的故障电流入地点确定各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压；
(4)将步骤(3)结构与预先确定的安全性标准进行比较，若满足安全性标准则接地系统结构合理，否则调整接地系统结构并返回步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的一种地下变电站接地系统设计优化方法，其特征在于，步骤(1)建立多块土壤模型具体为：测量不同测试点位置的土壤电阻率，结合土壤电阻率利用CDEGS软件建立多块土壤模型。
3.根据权利要求1所述的一种地下变电站接地系统设计优化方法，其特征在于，步骤(3)采用CDEGS软件获取各故障点的接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压，其中接地阻抗包括：考虑地下桩基时的接地阻抗以及不考虑地下桩基时的接地阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种地下变电站接地系统设计优化方法，其特征在于，步骤(4)中安全性标准包括接地阻抗、电位升、接触电压和跨步电压的最大允许值。
5.根据权利要求4所述的一种地下变电站接地系统设计优化方法，其特征在于，接触电压最大允许值通过下式获得：
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其中，Cs为地表层衰减系数，ρs为地表层电阻率，ρ为地表层下方的电阻率，hs为地表层厚度，ts为接地故障电流电流持续时间，Ut为接触电压最大允许值。
6.根据权利要求4所述的一种地下变电站接地系统设计优化方法，其特征在于，跨步电压最大允许值通过下式获得：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>0.09</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;rho;</mi> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>h</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>0.09</mn> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
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其中，Cs为地表层衰减系数，ρs为地表层电阻率，ρ为地表层下方的电阻率，hs为地表层厚度，ts为接地故障电流电流持续时间，Us为跨步电压最大允许值。
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