變電站(換流站)地網(wǎng)參數(shù)的仿真計(jì)算與分析

李 雍,郭 飛,戴玉松

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039;2.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,鄭州 450052)

?

變電站(換流站)地網(wǎng)參數(shù)的仿真計(jì)算與分析

李 雍1,郭 飛2,戴玉松1

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039;2.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,鄭州 450052)

為準(zhǔn)確評(píng)估變電站(換流站)地網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性與安全性,解決地網(wǎng)參數(shù)解析解難以計(jì)算的問題,筆者在借鑒前人研究基礎(chǔ)上,編寫了一種可用于計(jì)算任意復(fù)雜變電站、換流站地網(wǎng)參數(shù)的程序。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)室比例試驗(yàn)和程序計(jì)算接地電阻及地面電位的結(jié)果,驗(yàn)證了程序的正確性,同時(shí),結(jié)合算例計(jì)算結(jié)果來發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)問題,從而對(duì)其實(shí)施改進(jìn),為已建成變電站(換流站) 故障分析、地網(wǎng)改造、防護(hù)優(yōu)化提供參考意見,為后續(xù)變電站(換流站)的地網(wǎng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

變電站(換流站);地網(wǎng)參數(shù);仿真;計(jì)算程序

變電站、換流站是整個(gè)電力系統(tǒng)的心臟,其安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行與國民經(jīng)濟(jì)和人民生活息息相關(guān)[1]。地網(wǎng)是變電站(換流站)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行的守護(hù)神,它直接關(guān)系到變電站巡檢人員的人身安全。所以地網(wǎng)的接地參數(shù)的計(jì)算對(duì)地網(wǎng)設(shè)計(jì)、電站絕緣驗(yàn)證、變電站的連續(xù)運(yùn)行和巡檢人員人身安全具有十分關(guān)鍵的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)接地網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)于導(dǎo)體半徑較大的直流接地極進(jìn)行了相關(guān)研究和計(jì)算,但很難應(yīng)用于半徑較小的交流接地網(wǎng)的計(jì)算;文獻(xiàn)[5-6]提出了運(yùn)用復(fù)鏡像法代替經(jīng)典鏡像法計(jì)算地網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算方法,對(duì)一個(gè)實(shí)際變電站(其地網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要為矩形方框)的接地電阻、接觸電壓、跨步電壓進(jìn)行了計(jì)算。但是隨著超特高交直流的快速發(fā)展以及城市變電站面積小型化需求,地網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不等間距矩形方框、圓形、局部不規(guī)則多邊形等極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu),難以進(jìn)行計(jì)算。對(duì)此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上[2-10],編寫了一種可用于計(jì)算任意復(fù)雜變電站、換流站地網(wǎng)參數(shù)的程序,它根據(jù)地網(wǎng)的設(shè)計(jì)圖紙能夠快速得到接地網(wǎng)接地電阻、電位分布、接觸電壓、跨步電壓,建立接地網(wǎng)電位和梯度分布的三維圖、色階圖、灰度圖和等高線圖,以更加直觀地評(píng)估地網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性與安全性,而且在實(shí)際接地網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算過程中,對(duì)其進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和優(yōu)化。

1 地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的原理

1.1 恒定電流場(chǎng)理論

設(shè)恒定電流I由某一接地點(diǎn)注入地網(wǎng)當(dāng)中,根據(jù)恒定電流場(chǎng)理論和格林函數(shù)相關(guān)原理,假設(shè)無窮遠(yuǎn)處的某一點(diǎn)電位為0,可計(jì)算得電極泄漏電流在任意一點(diǎn)P的電位為

V(P)=∫∫SG(P，Q)*J(Q)ds

(1)

式中:J(Q)是接地極導(dǎo)體表面S上的Q點(diǎn)處的泄漏電流密度;G(P,Q)是相應(yīng)接地極導(dǎo)體的格林函數(shù),此處代表單位電流經(jīng)過接地極導(dǎo)體表面Q點(diǎn)在P點(diǎn)作用的電位值。

流經(jīng)地網(wǎng)在土壤中的泄漏電流等于注入接地極導(dǎo)體的電流I,即

I=∫∫SJ(Q)ds

(2)

假設(shè)接地極導(dǎo)體表面為一均勻等電勢(shì)體,則意味著邊界條件為

(3)

1.2 表面電荷法

電荷法可用來處理線狀接地極導(dǎo)體,將線狀導(dǎo)體均分為n段,然后針對(duì)因電流密度不同在P點(diǎn)產(chǎn)生的不同電位進(jìn)行分析和研究。

假設(shè)參考電勢(shì)在無窮遠(yuǎn)處,注入接地極導(dǎo)體的電流為恒定值I,均勻土壤電阻率為ρ;設(shè)接地極導(dǎo)體總長為L,通過接地極導(dǎo)體總的泄流電流為I,運(yùn)用微積分原理均分L,第j段幾何尺寸為Lj,其中心為Oj,對(duì)應(yīng)的泄流電流為Ij,則有:

(4)

(5)

(6)

式中:V(P)為通過L的泄露電流I在P點(diǎn)作用產(chǎn)生的電位;G(P,Oj)為以O(shè)j為中心的微段向地中注入單位電流時(shí)在P點(diǎn)產(chǎn)生的電位。

如果P點(diǎn)在電極微段i上,每個(gè)微段通過泄流均要在i點(diǎn)產(chǎn)生電位,則式(6)可修正處理,即接地體接地電阻為

R=UG/I

(7)

1.3 Rij和G(P,Oj)的計(jì)算

由上述可知,G(P,Oj)代表一個(gè)微段單元注入土壤一單位電流時(shí),在P點(diǎn)產(chǎn)生的電位。當(dāng)P點(diǎn)與電極微段j相距無限遠(yuǎn)時(shí),則電極可以看成一個(gè)點(diǎn)模型,則有:

(8)

式中:r和r′分別為點(diǎn)P到微段和到微段鏡像的中心之間的距離。 鏡像法計(jì)算示意圖如圖1所示。

圖1 鏡像法計(jì)算示意圖

(9)

微段i和微段j的互電阻Rij關(guān)系為

(10)

假設(shè)根據(jù)地面上任一P點(diǎn)的電位Vp,可算出P點(diǎn)的電位梯度值VP,以及P點(diǎn)的接觸電壓UTP。

(11)

UTP=Vg-VP

(12)

式中:Vg為接地設(shè)備離地面1.8 m處的對(duì)地電位升。

設(shè)人腳如果接觸地表點(diǎn)P和距離點(diǎn)P為0.8 m的點(diǎn)M兩點(diǎn),則跨步電壓US為

US=VM-VP

(13)

式中:VM為M點(diǎn)的電位值。

基于以上物理學(xué)、數(shù)學(xué)、電力學(xué)相關(guān)原理,編制了相關(guān)的接地參數(shù)計(jì)算程序,經(jīng)過不斷的優(yōu)化和改進(jìn),該程序可以根據(jù)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算出任意桿塔、任意接地極、任意交流變電站、任意直流換流站地網(wǎng)的接地電阻,在確定注入地網(wǎng)電流后計(jì)算電位分布、接觸電壓、跨步電壓等,并將計(jì)算結(jié)果以三維圖形呈現(xiàn)出來,使計(jì)算結(jié)果更加直觀、全面。

2 方法與程序的合理性驗(yàn)證

2.1 接地電阻的驗(yàn)證

接地電阻的測(cè)量可以確定因電力系統(tǒng)接地故障電流引起的地面電位升高及在整個(gè)地段內(nèi)的電位變化等一系列問題[11],是地網(wǎng)參數(shù)的重要數(shù)據(jù)。所以通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)室比例模型試驗(yàn)法得出的接地電阻和本文編程計(jì)算得出的接地電阻,判斷程序的準(zhǔn)確性。

220 kV某變電站(A)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,圓圈以及×分別代表3.5 m、2.5 m垂直接地體,其它代表水平接地體。地網(wǎng)埋深0.8 m,帽檐式均壓帶埋深由內(nèi)及外依次為0.8 m、1.6 m、2.4 m,土壤電阻率為450 Ω·m,恒定電流為10 kA。將地網(wǎng)導(dǎo)體半徑、導(dǎo)體長度等數(shù)據(jù)導(dǎo)入已編制的程序進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖2 某220 kV變電站(A)地網(wǎng)分布圖

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室測(cè)量程序計(jì)算接地電阻/Ω1.611.626

由表1可知,實(shí)驗(yàn)室比例模型測(cè)量和程序計(jì)算之間的誤差在0.9%左右(實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)受到儀器精確度、儀器布置準(zhǔn)確度等一系列不確定性因素影響,與實(shí)際值有細(xì)小誤差。),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的高度吻合驗(yàn)證了程序計(jì)算接地電阻的可行性與正確性。

2.2 電位分布的驗(yàn)證

為了更加直觀簡便地驗(yàn)證程序計(jì)算地網(wǎng)電位分布的正確性,設(shè)計(jì)了具有對(duì)稱性能的桿塔接地體并對(duì)地面電位進(jìn)行計(jì)算,接地極如圖3所示,中間是一垂直接地體,十字架為水平接地極。桿塔接地體地面電位分布色階圖,如圖4所示,地面電位等勢(shì)線如圖5所示。

圖3 桿塔接地體分布圖

圖4 桿塔地面電位分布色階圖(32色階)

圖5 桿塔地面電位分布等勢(shì)線圖

從圖4、5可知,桿塔中間垂直體處電位最高,可達(dá)18 000 V左右,地面電位由內(nèi)向外逐漸減小,且呈現(xiàn)出明顯的對(duì)稱性。受水平接地體的影響,中間電位分布呈現(xiàn)出以水平接地體為對(duì)角線的正方形形狀,但由內(nèi)向外,這種影響逐漸減小。由此可以看到,計(jì)算結(jié)果和理論非常吻合,驗(yàn)證了程序計(jì)算地面電位的合理性。

3 算例

3.1 交流變電站的計(jì)算

運(yùn)用已經(jīng)編制的程序計(jì)算某220 kV交流變電站(B),其地網(wǎng)分布如圖6所示,黑色圓點(diǎn)代表垂直接地體,其他網(wǎng)格表示水平接地體,水平接地體埋深0.8 m,變電站(B)右下大門處,設(shè)置帽檐式均壓帶,兩個(gè)圓弧所埋深度不同,計(jì)算結(jié)果如圖7-9所示,X、Y、Z軸分別表示地網(wǎng)橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)電位。計(jì)算步長選擇0.25 m,計(jì)算步長越小,計(jì)算結(jié)果精度越高,但是步長過小會(huì)使得程序死循環(huán),引起死循環(huán)的本質(zhì)原因是過小的計(jì)算步長會(huì)引起第一節(jié)中數(shù)學(xué)方程無解。

圖6 某220 kV交流變電站(B)地網(wǎng)分布圖

圖7 某220 kV交流變電站(B)地面電位分布色階圖(46色階)

由圖7可知,電位分布與地網(wǎng)分布相似,呈現(xiàn)出矩形網(wǎng)格狀,網(wǎng)格中心點(diǎn)電位比網(wǎng)格線上電位低,這是屏蔽效應(yīng)的結(jié)果;變電站右下角大門處,地面電位變化比較平緩,這是設(shè)置了帽檐式均壓帶的結(jié)果。

圖8 某220 kV交流變電站(B)地面電位分布三維圖

從圖8可以看出,除右下角外地面電位總體變化均勻;左下角處平均電位較高,這是因?yàn)榇颂帥]有鋪設(shè)地網(wǎng),且處于剛剛離開電網(wǎng)的邊緣部位;右下角平均電位較高是因?yàn)椴贾昧司鶋簬У脑颉?/p>

圖9 某220 kV交流變電站(B)地面電位梯度分布圖

從圖9可以看出,整個(gè)變電站(B)的地面電位梯度變化總體均勻、較低,但在X=650,Y=260處梯度呈現(xiàn)出最大值在1200 V左右,原因是此處垂直接地體較多、增加了交叉布置的水平接地體,使地網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,這間接地說明了地網(wǎng)并不是接地體越多,梯度電壓越低。

3.2 直流換流站的計(jì)算

某500 kV直流換流站地網(wǎng)分布如圖10所示,運(yùn)用本文所述的計(jì)算程序計(jì)算的地面電位分布色階圖和梯度圖如圖11、12所示。

圖10 某500 kV直流換流站(C)地網(wǎng)分布圖

由圖11可知,直流換流站呈現(xiàn)出和交流變電站同樣的規(guī)律:網(wǎng)格線上電位較高,網(wǎng)格中心點(diǎn)電位較低,原因是屏蔽效應(yīng)的作用。不同的地網(wǎng)得出相同的規(guī)律,也可以從側(cè)面印證程序的正確性。

由圖12可以看出,該直流換流站(C)地面電位梯度總體呈現(xiàn)出平滑均勻的規(guī)律,驗(yàn)證了地網(wǎng)設(shè)計(jì)的正確性,在坐標(biāo)點(diǎn)(300,220)到(300,650)區(qū)域有相同的毛刺,這是因?yàn)榇颂幪幱谧冸娬句佋O(shè)地網(wǎng)和不鋪設(shè)地網(wǎng)的交界點(diǎn)緣故。所以需借鑒圓形均壓帶降壓的措施對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn),也可以在分界點(diǎn)鋪設(shè)電阻率較高的礫石、碎石等介質(zhì),從而降低此處的電位梯度,保證巡檢人員的人生安全以及換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11 某500 kV直流換流站(C)地面電位分布色階圖(32色階)

圖12 某500 kV直流換流站(C)地面電位梯度分布三維圖

4 結(jié) 論

1) 通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、程序運(yùn)算以及變電站與換流站計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)的相同規(guī)律,驗(yàn)證了計(jì)算方法與程序的合理性、正確性。

2) 基于恒流場(chǎng)、表面電荷法的地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算方法克服了解析解難以計(jì)算的問題,可用于不同形狀接地極的地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算,求解簡便、適用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)。

3) 本文編制的程序可以計(jì)算任意桿塔接地體、交流變電站、直流換流站地面電位分布,可以計(jì)算規(guī)則矩形地網(wǎng)、不規(guī)則地網(wǎng)、圓形地網(wǎng)(如帽檐式均壓帶),有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

4) 圖2中變電站(A)計(jì)算得到的接地電阻為1.61 Ω,不滿足規(guī)程要求,需要采取降低電阻的措施,可以考慮和相鄰地網(wǎng)并聯(lián)或者增加地網(wǎng)面積等措施;為防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害,可將接地網(wǎng)的高電位引向站外或?qū)⒌碗娢灰蛘緝?nèi)設(shè)施,也可采取隔離措施。

5) 地網(wǎng)分界點(diǎn)處電位梯度較高,可以借鑒圓形均壓帶降壓的措施進(jìn)行地網(wǎng)改進(jìn),也可以在分界點(diǎn)鋪設(shè)電阻率較高的礫石、碎石等介質(zhì)。

[1] 周浩.特高壓交直流輸電技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2014.ZHOU Hao.Ultra high voltage AC/DC power transmission technology[M].HANGZHOU:Zhejiang University press,2014.

[2] 戴江江.發(fā)、變電站大地接地問題邊界元法計(jì)算[J].武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào),1984,1(1):51-63.DAI Jiangjiang.Calculation of grounding in power generation station and substation using boundary element method[J].Engineering Journal of Wuhan University, 1984,1(1):51-63.

[3] 顏懷梁,陳先祿.接地計(jì)算方法及應(yīng)用不均勻網(wǎng)孔改善地網(wǎng)電位分布的計(jì)算研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),1985,1(4):130-139.YAN Huailiang, CHEN Xianlu.Research on grounding calculation method and the calculation of potential distribution in grounding system using ununiform loops[J].Journal of Chongqing University, 1985,1(4):130-139.

[4] 彭岳林,王堅(jiān)強(qiáng).均勻地質(zhì)水平接地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1995,1(1):75-77.PENG Yuelin,WANG Jianqiang.The parameter calculation of a horlzontal ground grid in homogeneous medium[J].Transactions of China Electrotechnical Society,1995,1(1):75-77.

[5] 李中新,袁建生,張麗萍.變電站接地網(wǎng)模擬計(jì)算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,19(5):76-79.LI Zhongxin, YUAN Jiansheng, ZHANG Liping.numerical calculation of substation grounding systems[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering,1999,19(5):76-79.

[6] 張麗萍,袁建生,李中新.一個(gè)實(shí)際變電站接地網(wǎng)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算與分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2000,15(1):72-75.ZHANG Liping, YUAN Jiansheng, LI Zhongxin.The numerical calculation and analysis of a practical substation grounding grid[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2000,15(1):72-75.

[7] 何金良,曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.HE Jinliang, ZENG Rong.Power system grounding technology[M].Beijing:Science Press, 2007.

[8] IEEE Std 91-1983.IEEE Guide for Measuring Earth Resisti-vity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System[S].1983.

[9] 陳建軍.變電站接地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算和分析[D].北京:華北電力大學(xué)碩士學(xué)術(shù)論文,2010.CHEN Jianjun.Calculation and analysis of substation grounding grid parameters[D].BEIJING:Symposium of North China Electric Power University,2010.

[10] 李謙,文習(xí)山,肖磊石.土壤特性對(duì)變電站接地網(wǎng)特性參數(shù)影響的數(shù)值計(jì)算[J].高電壓技術(shù),2013,39(11):2656-2663.LI Qian, WEN Xishan, XIAO Leishi.Numerical analysis of influence of soil characteristics on characteristic parameters of substation grounding grid[J].High Voltage Engineering, 2013,39(11):2656-2663.

[11] GB/T17949.1-2000.接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測(cè)量導(dǎo)則[S],2000.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Simulation calculation and analysis of grounding grid parameters in substation (converter station)

LI Yong1, GUO Fei2, DAI Yusong1

(1.School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihu University, Chengdu 610039, China; 2.State Grid Henan Economic Research Institute, Zhengzhou 450052, China)

To accurately evaluate the security and rationality of grounding grid design for substation (converter station) and to solve the difficulty in calculating the analytic solution of grounding grid, the author wrote a program for calculating complicated grounding grid parameters of any substations or converter stations based on the previous studies.Through the comparison between the grounding resistance and potential calculated by laboratory scale experiment and that by the program mentioned above, the correctness of the program was verified.Meanwhile, combined with the results of calculation example, the problems of grounding network were found and transformed, so as to provide the reference about fault analysis, grounding network transformation, prevention and protection optimization for the established substations (converter stations), and the advice on grounding network design for the subsequent ones.

substation (converter station);grounding grid parameters;simulation;calculation program

2016-04-27。

本課題由西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(ycjj2016160)。

李 雍(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)雷電防護(hù)、接地及過電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)。

TM63

A

2095-6843(2016)05-0418-05