CN117117774A - 考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法及系统 - Google Patents

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CN117117774A CN202311056205.7A CN202311056205A CN117117774A CN 117117774 A CN117117774 A CN 117117774A CN 202311056205 A CN202311056205 A CN 202311056205A CN 117117774 A CN117117774 A CN 117117774A
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Abstract

本发明属于变电站接地网领域，提供了一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法及系统。其中，考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法包括基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程；计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下，接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，进而得到接地网各导体段及金属管道各段的电阻率，计算接地网及金属管道的接触电压和跨步电压数据；基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。

Description

考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法及系统
技术领域
本发明属于变电站接地网领域，尤其涉及一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
高压交流输电线路在运行时，其附近的埋地金属管网会由于法拉第电磁感应效应而产生纵向电动势，也称作交流干扰电压。交流输电线路与附近金属管网的电磁干扰源于系统的感性耦合、阻性耦合以及容性耦合。感性耦合是交流输电线路产生周期性交变电磁场时，附近金属管网相当于进行着切割磁感线的运动，交变磁场在金属管网上感应出交变电压，管道与大地形成回路，从而产生感应电流。感性耦合是处于稳态运行的线路对金属管网的主要干扰形式；
阻性耦合是金属管网与高压输电线路的杆塔接地极、变电站接地极接近时，经接地体入地的故障电流、雷击电流或接地体附近的杂散电流，通过邻近金属管网与接地体之间的电阻进行耦合，使交流电流流向管网。阻性耦合是线路发生单相接地故障或雷击故障时，对金属管网的主要干扰形式；容性耦合属于电容耦合方式，是管道建设期间，放置于地面上或架设在绝缘垫上的管道与交流输电线路平行较长距离时，二者之间分布电容小、容抗大，造成管道上的感应电压增大。对于施工完成后的埋地管道，由于管道有良好的绝缘层且接地铺设，使管道与大地间的电容很小，容性耦合几乎可以忽略。
在实际生产生活中，变电站可能面临雷击、短路故障等情况。为防止意外发生，通常在变电站地下埋设接地网，将故障电流导入大地，以减小接地阻抗和变电站地电位升(ground potential rise，GPR)保证站内设备安全；也可以有效减小接触电压、跨步电压，进而保障工作人员的人身安全。但是，城市内，大量燃气管网错综复杂地埋设在地下，这样可能使得一些地区的变电站接地网和部分地下金属管网距离较近。这种情况下，变电站接地网与周边地下金属管网之间的阻性耦合影响较大，输电线路的电流会通过接地体、经土壤流向埋地管网，可能会击穿管网防腐层，严重时可能烧伤管网本体；地下金属管网也会对接地网的地电位升、接地电阻产生较大影响。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法及系统，其能够有效降低短路故障对于接地系统及管道的影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法。
一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其包括：
基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程；
根据接地网各导体段中点和金属管道各段中点的电位向量方程，计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下的接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵；
根据接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，确定出接地网及金属管道的安全参数；
基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。
本发明的第二个方面提供一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定系统。
一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定系统，其包括：
电位向量方程构建模块，其用于基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程；
电阻率计算模块，其用于根据接地网各导体段中点和金属管道各段中点的电位向量方程，计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下的接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵；
电压数据计算模块，其用于根据接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，确定出接地网及金属管道的安全参数；
短路保护方案确定模块，其用于基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明综合考虑了在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合的情况，利用地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程，计算杂散电流和电位的关系矩阵，再确定出接地网及金属管道的安全参数，最后根据相应安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，为降低接地系统电阻，降低管道处地电位升，延缓管道腐蚀提供最佳解决方案，有效降低了短路故障对于接地系统及管道的影响。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的金属管道等值电路模型；
图2是本发明实施例的利用CDEGS和ETAP电力系统分析程序搭建接地网和管网模型；
图3是本发明实施例的CDEGS仿真接地网中心沿着垂直于金属管道方向到接地网边缘处的标量电势、接触电压以及跨步电压变化趋势；
图4是本发明实施例的CDEGS仿真旧管道在地图东北方向开始与接地网并行处作为始端，到并行末端的相关安全参数得到的变化趋势；
图5是本发明实施例的CDEGS仿真新管道在地图东北方向开始与接地网并行处作为始端，到并行末端的相关安全参数得到的变化趋势；
图6是本发明实施例的ETAP仿真得到的地电位升变化趋势；
图7是本发明实施例的本发明实施例的ETAP仿真得到的接触电压趋势；
图8是本发明实施例的本发明实施例的ETAP仿真得到的跨步电压变化趋势。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供了一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程。
对于变电站接地网周围存在地下金属管道的情况，当接地网中有故障电流流入时，需要考虑金属管道对电位的影响。在计算电磁学的矩量法视域下，此时，接地网的散流I和管道的杂散电流IA在某点叠加产生的电位即为空间中该点的电位。接地网的电位记为U0，金属管道的电位记为UA，将接地网和金属管道分别剖分成足够小的n段和a段，则每个小导体段的散流可以近似为其中心的点电流。分别建立接地网和金属管道各段中点的电位向量方程：
U0＝R00I+RA0IA,UA＝R0AI+RAAIA (1)
其中：I＝[I1,I2,…,In]是接地网各段散流向量，IA＝[IA1,IA2,…,IAa]是管道各段杂散电流向量，U0＝[U01,U02,…,U0n]是接地网各导体段中点电位向量，UA＝[UA1,UA2,…,UAa]是金属管道各导体段中点电位向量，R00、RAA分别为接地网和金属管道的电阻系数矩阵；RA0为金属管道对接地网影响的互电阻
系数矩阵；R0A为接地网对金属管道影响的互电阻系数矩阵。所有电阻系数矩阵的元素为Rij，对角线元素为第i段导体自电阻，非对角线元素为第i、j段导体之间的互电阻。
步骤2：根据接地网各导体段中点和金属管道各段中点的电位向量方程，计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下的接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵。
其中，在接地网各导体段及金属管道各段的电阻率的计算过程中，将接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程分别与接地网等值电路模型及周边管网等值电路模型得到。
建立金属管道等值电路模型，如图1，根据基尔霍夫定律，可得金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵：
TAUA＝IA (2)
式中：Zi＝ZLi+Zmi+Zm(i+1),i＝1,2,…,a-1,G为单位长度管道对地的绝缘电导，Δx为第i段管道长；TA为金属管道等效电路矩阵。
接地网可以看作等位体，在注入电流大小iset已知时，有:
u0＝U01＝U02＝…＝U0n,iset＝I1+I2+…+In (4)
化简成矩阵形式可得：
该方程是a+n+1维矩阵方程，E为a阶单位矩阵。可以求得接地网散流分布I、金属管道电位分布UA和接地网的电位u0，由前可得到金属管道的杂散电流分布IA，根据电场叠加原理，进而可以得出空间中任意点的电位分布。
类似的，对于变电站接地网附近存在多根金属管道构成的金属管网时，可得到其电位关系表达式为：
其中U0…UK为接地网和金属管网电位分布，TA…TK为金属管网等效电路矩阵，Rij(i，j＝0，A...K)为接地网和金属管网本身以及互相影响形成的电阻系数矩阵，K为金属管网中管道数目。与前文单根金属管道的情况类似，推导得出最终的矩阵方程为
式中：
RT＝[RA0TA RB0TB…RK0TK]
RP＝[R0A R0B…R0K]
U＝[UA UB…UK]
iset为接地网总的散流值；E为m阶单位阵，m为金属管网剖分后的管道段数。解该m+n+1维矩阵方程式，可得到接地网散流分布I、电位u0以及金属管网电位分布。
接地网周围没有金属管网影响时的接地网电位-散流关系矩阵为:
可以求解得到没有管道影响时接地网的电位U0及散流分布向量I。相应地，接地网的接地电阻可根据求得。
步骤3：根据接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，确定出接地网及金属管道的安全参数。
步骤4：基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。
其中，所述短路保护方案包括地表铺设高阻碎沙砾层方案、变电站围墙设定距离设置屏蔽网方案和管道处增设排流及防强电冲击装置方案。
具体地，在所述短路保护方案数据库中，预先存储有接地网的安全参数数据与接地网地表铺设高阻碎沙砾层厚度的关系、金属管道的安全参数数据与金属管道地表铺设高阻碎沙砾层厚度的关系、接地网的安全参数数据与屏蔽网间隔变电站围墙的距离的关系以及金属管道的安全参数数据与排流及防强电冲击装置参数的关系。
在步骤4中，预设安全条件为：
接触电位差不超过接触电位差允许值；
且跨步电位差不超过跨步电位差允许值。
以某地区的220kv变电站接地网及其周边地下金属管网为对象，利用CDEGS和ETAP电力系统分析程序搭建接地网和管网模型见图2。
利用CDEGS仿真程序，对变电站接地网和周围地下金属管道进行建模分析。首先仿真分析变电站内短路故障产生15kA故障电流，经接地网入地时，站内最大接触电压和跨步电压，分析结果见表1。
表1变电站内基本安全参数
接地网中心沿着垂直于金属管道方向到接地网边缘处的标量电势、接触电压以及跨步电压变化趋势如图3；旧管道与新管道在地图东北方向开始与接地网并行处作为始端，到并行末端的相关安全参数得到的变化趋势分别见图4和图5；可知：当变电站内发生短路故障时，接地网中心到边缘的地电位升不均匀分布，在靠近地下金属管网处的地电位升较高；中心点的接触电压较低为104.62V，其余路径上接触电压在400V上下波动；中心点的跨步电压为84.6V，路径上其他位置均低于该值。旧管道上方地电位升与接触电压呈现中间高、两端低的变化趋势；旧管道末端的跨步电压为42.363V，其余位置跨步电压均低于该值。新管道的地电位升呈现中间高、始末两端低的变化趋势；新管道始、末端接触电压较高，管道其余位置的跨步电压均低于该值。
利用ETAP仿真程序进行同样的分析，得到的地电位升、接触电压以及跨步电压变化趋势依次见图6～图8，与CDEGS得到的变化趋势十分接近。将CDEGS与ETAP仿真分析得到的变电站基本安全参数进行对比，见表2。
表2CDEGS与ETAP仿真结果对比
由表2可知，对于接地系统电阻的计算，ETAP与CDEGS仅相差0.001，地电位升差值为5.76。本领域技术人员可根据实际情况来选择CDEGS和ETAP电力系统任一种，均适用于项目工程实际运用。
根据上述仿真分析结果，析接地网单独存在时接地系统的电阻和电位，管道存在有涂层(3-PE防腐层)以及无涂层时接地系统的电阻，如表3。
表3管道对接地系统电阻的影响
根据表3可以得出：管道不存在时，接地系统电阻为0.425Ω，地电位升为6377.06V；如果管道存在，但是无涂层，接地系统电阻为0.392Ω，降低了接地系统电阻；如果管道存在且有涂层，接地系统电阻为0.424Ω，与管道不存在时接地系统电阻值相差很少，说明加涂层的管道对接地系统的电阻影响很小。
在本实施例中，短路保护方案数据库中所存储的数据为：
在接地网和管道模型地表加入0.2m厚，电阻率为8534.4Ω·m的碎砂砾层，得到加表层前后的接触电压与跨步电压数据，见表4。
附表4加表层前后的接触电压、跨步电压
由表4可知，在接地网和金属管道上方地表铺设高阻碎沙砾层可以有效地使跨步电压、接触电压降低到安全限值以下，保障人身安全。对于变电站侧，由于本工程所在位置空间十分受限，变电站接地体边界调整范围有限，因此推荐采用在变电站围墙外设置屏蔽网的方式，屏蔽网沿变电站围墙外侧敷设，顶部埋深0.5m，高度3m，沿与管道邻近侧围墙埋设。屏蔽网采用304不锈钢网，网孔宽度30mm，网丝直径3mm。对于被干扰管道侧，根据GB/T50698中相关规定，本工程设置在管道处排流及防强电冲击装置，排流接地体采用带状锌合金阳极(15.88mm×22.22mm)，锌带沿绿化带北侧与废弃燃气管道之间敷设，长度约400m，上下两层布置，可以进一步有效降低短路故障对于接地系统及管道的影响。
实施例二
本实施例提供了一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定系统，其具体包括如下模块：
(1)电位向量方程构建模块，其用于基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程。
(2)电阻率计算模块，其用于根据接地网各导体段中点和金属管道各段中点的电位向量方程，计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下的接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵。
在接地网各导体段及金属管道各段的电阻率的计算过程中，将接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程分别与接地网等值电路模型及周边管网等值电路模型得到。
(3)电压数据计算模块，其用于根据接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，确定出接地网及金属管道的安全参数。
(4)短路保护方案确定模块，其用于基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。
其中，所述短路保护方案包括地表铺设高阻碎沙砾层方案、变电站围墙设定距离设置屏蔽网方案和管道处增设排流及防强电冲击装置方案。
具体地，所述预设安全条件为：
接触电位差不超过接触电位差允许值；
且跨步电位差不超过跨步电位差允许值。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法中的步骤。
本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其特征在于，包括：
基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程；
根据接地网各导体段中点和金属管道各段中点的电位向量方程，计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下的接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵；
根据接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，确定出接地网及金属管道的安全参数；
基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。
2.如权利要求1所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其特征在于，所述短路保护方案包括地表铺设高阻碎沙砾层方案、变电站围墙设定距离设置屏蔽网方案和管道处增设排流及防强电冲击装置方案。
3.如权利要求2所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其特征在于，在所述短路保护方案数据库中，预先存储有接地网的安全参数数据与接地网地表铺设高阻碎沙砾层厚度的关系、金属管道的安全参数数据与金属管道地表铺设高阻碎沙砾层厚度的关系、接地网的安全参数数据与屏蔽网间隔变电站围墙的距离的关系以及金属管道的安全参数数据与排流及防强电冲击装置参数的关系。
4.如权利要求1所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其特征在于，预设安全条件为：
接触电位差不超过接触电位差允许值；
跨步电位差不超过跨步电位差允许值。
5.如权利要求1所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法，其特征在于，在接地网各导体段及金属管道各段的电阻率的计算过程中，将接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程分别与接地网等值电路模型及周边管网等值电路模型得到。
6.一种考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定系统，其特征在于，包括：
电位向量方程构建模块，其用于基于接地网和周边管网相关参数，在计算电磁学的矩量法视域下，分别构建接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程；
电阻率计算模块，其用于根据接地网各导体段中点和金属管道各段中点的电位向量方程，计算在变电站发生短路且在变电站接地网和周边管网耦合情况下的接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵；
电压数据计算模块，其用于根据接地网各导体段及金属管道各段杂散电流和电位的关系矩阵，确定出接地网及金属管道的安全参数；
短路保护方案确定模块，其用于基于接地网及金属管道的安全参数分别与对应预设安全条件的比较结果及与比较结果关联的短路保护方案数据库，确定出短路保护方案。
7.如权利要求6所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定系统，其特征在于，所述短路保护方案包括地表铺设高阻碎沙砾层方案、变电站围墙设定距离设置屏蔽网方案和管道处增设排流及防强电冲击装置方案。
8.如权利要求7所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定系统，其特征在于，所述预设安全条件为：
接触电位差不超过接触电位差允许值；
且跨步电位差不超过跨步电位差允许值；
或
在接地网各导体段及金属管道各段的电阻率的计算过程中，将接地网各导体段中点的电位向量方程和金属管道各段中点的电位向量方程分别与接地网等值电路模型及周边管网等值电路模型得到。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的考虑接地网和周边管网的短路保护方案确定方法中的步骤。
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