CN114709782A - 一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，通过在变电站电缆沟内铺设分裂的多根铜排来实现，根据二次系统网内电位差情况针对优化，选择出合理的铜排分裂数量和截面积大小，能有效降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差，保护变电站二次系统的可靠运行，保障国家能源安全，在经济性、可操作性和准确性方面具有明显得优势，为国民经济和社会发展提供可靠的电力供应。

Description

一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法

技术领域

本发明属于高电压技术领域，具体涉及一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法。

背景技术

良好的接地是电力系统安全运行的基本保证。与变电站发生短路故障或受到雷击时，冲击电流入地会引起地电位升、网孔电位差、跨步电势、接触电势以及二次骚扰电压等安全问题，对站内的设备以及工作人员的安全构成威胁，由于接地体并不是良导体，大电流集中通过时，也会在接地网上产生较大的电位差。变电站内存在大量分散接地的设备，地电位差会通过这些分散的接地点施加到设备上。对于一次设备而言，其耐压能力较高，地电位差对其影响不大，但对于二次设备由于二次电缆布置很远两端地电位差较大，而同时二次设备本身的耐压能力较弱。

目前降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差，主要是降低变电站二次系统中二次电缆两端的电位差，通常采用在二次电缆所在的电缆沟内沿电缆线铺设单根铜排来实现。目前实际工程设计规范中只说明了要在电缆沟内加入铜排来降低电位差，但是由于单根铜排自身电抗很大，因此即使在电缆沟内铺设了单根铜排可能依然无法达到设计安全限值要求，同时施工时只能依靠经验来选择铺设铜排截面积的大小，经济性、可操作性和准确性都较差。因此建立一种更有效的降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，并可以在施工时更有效、准确对于变电站接地网设计和建设具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，通过在变电站电缆沟内铺设分裂的多根铜排来实现，并针对变电站自身情况选择出合理的铜排数量和截面积，来支撑变电站接地网的设计和建设。

为达到上述目的，本发明所述一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，包括以下步骤：

S1、根据变电站接地网自身的材料电气参数、接地网结构和土壤参数搭建出变电站接地网模型；

S2、计算变电站接地网模型中电缆沟内首尾两点的冲击电位差，并与安全限值比较：

当电缆沟内首尾两点的冲击电位差小于等于安全限值时：不做处理；

当电缆沟内首尾两点的冲击电位差大于安全限值时：采取接地网模型电缆沟沿线铺设单根铜排的方式降低电缆沟内首尾两点的电位差；然后通过不断增加单根铜排截面积迭代计算电缆沟内首尾两点的冲击电位差，直至电缆沟内首尾两点的冲击电位差小于等于安全限值，得到满足安全限值的单根铜排截面积；确定铜排分裂数；

S3、在S2得出的单根铜排截面积基础上将铜排分裂布置，将满足安全限值要求的单根铜排截面积与铜排分裂数相除，得到分裂铜排初始截面积；

S4、根据分裂数和分裂铜排的初始截面积，进行迭代计算，得到分裂铜排最终截面积；

S5、按照铜排分裂数和最终的分裂铜排截面积布置铜排。

进一步的，S2中，每次增加的铜排截面积相同。

进一步的，S2中，通过在变电站接地网模型中注入冲击电流的方式，计算变电站接地网模型中电缆沟内首尾两点的冲击电位差。

进一步的，S2中，计算电缆沟内首尾两点的冲击电位差包括以下步骤：

S2.1、将埋地导体分成多个导体段，以导体段的交点为一个局部计算中心，交点连接的导体作为一个局部导体网络，建立局部导体电路图；

S2.2、局部导体电路图中所有的电压源都是漏电流的函数，局部导体电路图中的电流是电压源和电阻的函数，所以电路图中的电流是漏电流和电阻的函数，写出每个导体段的电流方程，所述电流方程只包含漏电流和电阻的方程。；将所有的导体段的电流方程联立，得到一个只含有漏电流和电阻的方程组，求解所述方程组，得到所有导体段的漏电流分布；

S2.3、根据所有导体段的漏电流分布，求出电缆沟内首尾两点的电位，根据电缆沟内首尾两点的电位求出电缆沟内首尾两点的冲击电位差。

进一步的，S3中，进行迭代计算时，按照设定的计算步长降低分裂铜排截面积。

进一步的，S3中，根据电缆沟空间和分裂铜排的间距确定铜排分裂数。

进一步的，S5中，分裂铜排按照20cm的间距布置。

进一步的，S4中，确定分裂铜排最终截面积过程为：

将分裂铜排初始截面积作为起始铜排截面积，不断降低分裂铜排截面积来进行迭代计算，直至电缆沟内首尾两点的冲击电位差不满足安全限值，将不满足安全限值时的前一次迭代计算的铜排数量和截面积作为最终的分裂铜排截面积。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

1)本发明通过建立变电站接地网模型，根据变电站接地网模型计算电缆沟内首尾两点的电位差，通过电位差和安全限值的大小关系来确定单根铜排的截面积，然后根据单根铜排截面积计算分裂铜排截面积，以在满足设计安全限值要求的同时，尽量减小铜排的截面积，可针对变电站接地网情况，根据二次系统网内电位差情况针对优化，选择出合理的铜排分裂数量和截面积大小，在经济性、可操作性和准确性方面具有明显得优势。

2)本发明通过分裂铜排的布置形式可以显著增加铜排等效半径降低电抗，从而在有效的降低网内电位差的同时节省了铜材料。

3)本发明的技术方案，综合考虑了变电站接地网自身的材料电气参数和接地网结构实际情况、以及电缆沟内空间布置大小情况和经济性的要求。

4)本发明能有效降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差，保护变电站二次系统的可靠运行，保障国家能源安全，为国民经济和社会发展提供可靠的电力供应。

5)本发明的技术方案经济性、可操作性和准确性都较高。

附图说明

图1为单根导体电流示意图；

图2为局部导体示意图；

图3为局部导体电路图；

图4为地网结构图；

图5为地网二次电缆沟内测点冲击电压波形图；

图6为地网二次电缆沟内铺设3根10x4的铜排时测点冲击电压波形图；

图7为地网二次电缆沟内铺设单根30x4的铜排时测点冲击电压波形图。

附图中：1、导体，2、包覆层。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，包括以下步骤：

1)首先，根据变电站接地网自身的材料电气参数、接地网结构和土壤参数，在电磁环境分析软件中搭建出变电站接地网模型；其中，材料电气参数包括导体电阻率、导体磁导率，土壤参数包括土壤电阻率和土壤相对介电常数；

2)然后通过在变电站地网模型中注入冲击电流来计算得出变电站接地网模型中电缆沟内首尾两点的电位差，并与安全限值进行比较；

3)当电缆沟内首尾两点的电位差未超出安全限值时，不用铺设铜排；

当计算得出电缆沟内首尾两点的电位差V_x超出安全限值V_max时：采取在地网模型电缆沟沿线首先铺设单根铜排，并通过通过不断增加铜排截面积迭代计算电缆沟内首尾两点的电位差，直到满足安全限值时停止迭代，从而得到满足限值要求的铺设单根铜排时的铜排截面积；

迭代增加的截面积步长设置为S_r，S_r越小迭代次数越多计算越准确，即第一次迭代计算时S_r1＝S_r、第二次迭代时S _r2＝S_r+S_r，直到迭代至j次。得到铺设单根铜排时的铜排截面积S _rj＝jS_r然后依据变电站电缆沟内空间高度H，通过H除以20cm得出铜排分裂数n，即n＝H/20cm。4)由于单根铜排自身电抗很大，因此采取只铺设单根铜排降低电位差的方法会导致单根铜排非常粗，经济性较差，参考导线分裂的形式，采用一定间距的分裂铜排会可以显著增加铜排等效半径降低电抗，从而在有效的降低网内电位差的同时节省了铜材料。因此，在步骤3得出的单根铜排截面积基础上将铜排进行分裂布置，依据电缆沟空间大小选择铜排分裂数量(3～5根)分裂数越多效果越好，分裂铜排按间距20cm布置。将满足限值要求的铺设单根铜排时的铜排截面积与根据电缆沟空间大小选择铜排分裂数相除得出分裂计算起始铜排截面积开始计算，然后与安全限值进行比较；

5)由于在铜排总截面积相同的情况下，分裂铜排的布置效果一定优于单根铜排布置，因此从步骤4起始计算后不断降低分裂铜排截面积来进行建模迭代计算，直到满足安全限值时停止迭代，此时的铜排数量和截面积大小就是最节省材料并可以满足设计要求的布置形式。

具体操作过程为：从分裂铜排起始截面积S_x开始计算，然后依次降低分裂铜排截面积，来进行迭代计算，分裂铜排截面积降低的大小即迭代的截面积步长设置为S_h，S_h越小迭代次数越多计算越准确。即第一次迭代计算时S_x1＝S_x-S_h、第二次迭代时S_x2＝S_x-2S_h，直到迭代至k次，即S_xk＝S_x-kS_h不满足安全限值时停止迭代，按照不满足安全限值时的前一次计算的铜排数量n和截面积大小S_x(k+1)进行布置，即为优化布置的结果。

本发明的电磁场数值计算原理如下:

其中变电站接地装置可以看为一段段圆柱导体连接起来的埋地导体，埋地导体周围土壤中任一点的电位是由所有导体的泄漏电流共同产生的，在进行杆塔接地装置电位计算时，需要求出每段埋地导体的漏电流分布。

首先将埋地导体分段，分段后的导体小段越短，计算得到的漏电流分布及小段导体电位分布与实际情况越接近。同时，当分割得到的每一小段导体足够小时，可以认为漏电流从这一小段的中点集中流出。每一小段导体都满足基尔霍夫电流定律：

为第k段导体端口流入电流，

为第k段导体端口流出电流；

是该段导体漏电流，

是该段导体注入电流如图1所示。

图1中，导体包括导体1和导体1外的包覆层2。以小段导体的交点为一个局部计算中心，交点连接的导体作为一个局部导体网络，建立局部导体电路图。局部导体示意图如图4所示。依照图2建立局部导体的电路图如图3所示。电路图中φ₁、φ₂、…、φ_k、…、φ_q是整个埋地导体网络中第1、2、…、k、…、q段导体的漏电流在各段导体中点上产生的电位，Z_1-1、Z_2-2、…、Z_k-k、…、Z_q-q分别为第1、2、…、k、…、q段导体起点到中点之间的自阻抗，R_1-out、R_2-out、…、R_k-out、…、R_q-out是第1、2、…、k、…、q段导体包覆的绝缘层电阻。

电路图中所有的电压源φ₁、φ₂、…、φ_k、…、φ_q都是漏电流

的函数，电路图中的电流是电压源和电阻的函数，所以电路图中的电流是漏电流和电阻的函数，因为电路图中的电流和对应小段的漏电流满足基尔霍夫电流定律，每一小段导体都可以得到一个只包含漏电流和电阻的电流方程。所有的小导体段的电流方程组合起来可以得到一个只含有漏电流和电阻的方程组，求解这个方程组就可以求出所有导体段的漏电流分布。埋地导体周围土壤中任一点的电位是由所有导体的泄漏电流共同产生的。通过已经求出漏电流分布，求出土壤中任一点电位了，进而得出变电站接地网任意两点的冲击电位差。

实例应用

某个变电站区域由主厂房接地网、500kV开关站接地网、220kV开关站接地网、主控楼接地网、小水电接地网与尾水接地网组成，如图4所示。各接地网互联后起到了扩网降阻的作用，因此其工频接地阻抗较小。但根据计算分析表明在冲击电流注入下，电流注入点附近导体轴向电流较大，下降梯度较大，沿导体径向土壤中散流较多，导致电位较高，梯度较大，远离电流注入点的导体情况则相反，因此各个地网互联之后，由于两互联接地网之间距离较远，且连接并没有同一片地网之间那么紧密，当开关操作、雷击或故障时发生较大冲击电位差的隐患不容忽视。其中220kV开关站内有二次控制电缆通过电缆沟铺设至主控楼控制室，通过建模仿真计算仿选取站内220kV开关站地网中心进行冲击电流注入，冲击电流为8/20μs典型冲击电流波形，电流峰值为100kA，仿真计算220kV开关站内二次控制电缆通过电缆沟铺设至主控楼控制室的电缆两端测点的冲击电位差，测点冲击电位升波形如图5所示。可以看出该电缆沟内二次电缆首尾端的冲击电位差超过了1000V，出现了过大的情况。因此需对二次电缆沿线冲击地电位差开展仿真计算分析，并提出可行的改造措施。

为了降低二次电缆沿线地电位差，通过在二次电缆所在路径内沿线铺设分裂铜排的措施，通过仿真软件建模不断跌断计算，在原地网模型电缆路径基础上增加铺设3根规格为10mm宽4mm厚的铜排时，采取同样的计算参数开展冲击仿真计算，计算220kV开关站内二次控制电缆通过电缆沟铺设至主控楼控制室的电缆两端测点的冲击电位差，测点冲击电位升波形如图6所示。此时冲击电位差低于1000V，满足了限值要求。而当铺设单根30x4(30mm宽，4mm厚)的铜排时，虽然总截面积与铺设3根时相同，但是电位值如图7所示，其超过了1000V依然不合格，所以本发明效果显著。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据变电站接地网自身的材料电气参数、接地网结构和土壤参数搭建出变电站接地网模型；

S2、计算变电站接地网模型中电缆沟内首尾两点的冲击电位差，并与安全限值比较：

当电缆沟内首尾两点的冲击电位差小于等于安全限值时：不做处理；

当电缆沟内首尾两点的冲击电位差大于安全限值时：采取接地网模型电缆沟沿线铺设单根铜排的方式降低电缆沟内首尾两点的电位差；然后通过不断增加单根铜排截面积迭代计算电缆沟内首尾两点的冲击电位差，直至电缆沟内首尾两点的冲击电位差小于等于安全限值，得到满足安全限值的单根铜排截面积；确定铜排分裂数；

S3、在S2得出的单根铜排截面积基础上将铜排分裂布置，将满足安全限值要求的单根铜排截面积与铜排分裂数相除，得到分裂铜排初始截面积；

S4、根据分裂数和分裂铜排的初始截面积，进行迭代计算，得到分裂铜排最终截面积；

S5、按照铜排分裂数和最终的分裂铜排截面积布置铜排。

2.根据权利要求1所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S2中，每次增加的铜排截面积相同。

3.根据权利要求1所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S2中，通过在变电站接地网模型中注入冲击电流的方式，计算变电站接地网模型中电缆沟内首尾两点的冲击电位差。

4.根据权利要求1或3所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S2中，计算电缆沟内首尾两点的冲击电位差包括以下步骤：

S2.1、将埋地导体分成多个导体段，以导体段的交点为一个局部计算中心，交点连接的导体作为一个局部导体网络，建立局部导体电路图；

S2.2、局部导体电路图中所有的电压源都是漏电流的函数，局部导体电路图中的电流是电压源和电阻的函数，所以电路图中的电流是漏电流和电阻的函数，写出每个导体段的电流方程，所述电流方程只包含漏电流和电阻的方程；将所有的导体段的电流方程联立，得到一个只含有漏电流和电阻的方程组，求解所述方程组，得到所有导体段的漏电流分布；

S2.3、根据所有导体段的漏电流分布，求出电缆沟内首尾两点的电位，根据电缆沟内首尾两点的电位求出电缆沟内首尾两点的冲击电位差。

5.根据权利要求2所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S3中，进行迭代计算时，按照设定的计算步长降低分裂铜排截面积。

6.根据权利要求1所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S3中，根据电缆沟空间和分裂铜排的间距确定铜排分裂数。

7.根据权利要求4所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S5中，分裂铜排按照20cm的间距布置。

8.根据权利要求1所述的一种降低冲击电流引起的变电站接地网内电位差的方法，其特征在于，所述S4中，确定分裂铜排最终截面积过程为：

将分裂铜排初始截面积作为起始铜排截面积，不断降低分裂铜排截面积来进行迭代计算，直至电缆沟内首尾两点的冲击电位差不满足安全限值，将不满足安全限值时的前一次迭代计算的铜排数量和截面积作为最终的分裂铜排截面积。

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