变电站和移动基站共建时接地网的可靠性研究

张建臣，刁首人，高志新，张志新，李晓龙

(1．国网河北省电力公司 信息通信分公司，河北 石家庄 050021;2．华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003;3．国网河北省电力公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

近年来随着电压等级越来越高，变电站内采用的弱电设备及系统越来越多，如数据采集系统、通信系统、控制和继电保护系统等。在变电站复杂而恶劣的电磁环境中，这些弱电设备可能会收到工频电流、电压和雷电、系统短路故障操作冲击以及多种放电现象引起的电磁干扰。在此背景下，越来越多的研究人员开始研究变电站的电磁环境问题。同时根据变电站的二次设备长期运行经验积累，提出一些有效的电磁防护措施［1～3］。目前文献［4，5］已经研究了移动基站遭受雷击时，雷电流对基站的影响，并给出了响应的防护措施;文献［6，7］也研究了雷击变电站接地网时的暂态响应;文献［8］研究了雷击变电站时不同接地网、不同雷电流、不同土壤电阻率对暂态地电位升的影响。移动基站和变电站共建时主要考虑雷击基站铁塔，因为移动基站的铁塔一般高于变电站的所有设备和建筑物，雷电会先击中基站铁塔。雷电流通过移动基站铁塔入地，会在变电站接地网上产生不均匀的地电位升，这种地电位升将在屏蔽层双端接地的二次电缆屏蔽层上产生对地电位分布，并在屏蔽层上产生电流，该电流经屏蔽电缆的转移阻抗将在二次电缆芯线上产生纵向感应电压，从而影响保护和控制设备的正常运行。

本文通过国内外通用软件包CDEGS(Current Distribution，Electromagnetic Interference，Grounding and Soil Structure Analysis)中HIFREQ 模块建立变电站接地网、移动基站接地网、基站铁塔、二次电缆屏蔽层的计算模型，在雷击基站铁塔顶部时，移动基站和变电站接地网不同的连接方式，在变电站二次电缆产生的电磁骚扰影响;分析接地网之间不同间距、不同电阻率的情况下变电站二次电缆末端的骚扰电压和电流以及地电位升和地表电位分布。

1 计算模型

本文计算河北某地区的110 kV 变电站的接地网，其规格是72 ×64．2 m，接地网埋深为0．8 m，接地网的水平接地导体采用的是50 ×6 mm 的扁钢，垂直接地体采用的是50 ×5 ×2 500 mm 的角钢，接地网外缘垂直接地体间距是6 m，均压带上垂直接地体间距是6 m，接地导体的电阻率是1．75 ×10-8Ωm，磁导率是4π ×10-7H/m，土壤采用的是单层土壤，土壤电阻率是100 Ωm，目标电缆型号是KYJCE/B3-14 × 1．5，电缆长40 m，电缆两端接地，沿着屏蔽电缆所在廊道敷设有一根在两端与主接地网相连的铜带，铜带的材料和参数与接地网的导体相同，屏蔽电缆屏蔽层在两端通过铜带接地。基站铁塔的高45 m，铁塔建模用等效半径为0．083 m。变电站和移动基站接地网连接的模型如图1 所示，移动基站和变电站接地网不连接方式是图1 中两个接地网之间没有电连接，基站铁塔的模型如图2 所示。

图1 变电站和移动基站接地网连接模型

图2 基站铁塔模型

雷电流采用国际标准IEC 62305-1，10/350 μs，200 kA 的双指数型雷电流，为了确保雷电流能够衰减至零，雷电流的持续时间T=2 500 μs，FFT 变换的采样指数n=15，采样时间Δt=2 500/215=0．076 3 μs，奈奎斯特频率f=215/(2 × 2 500)×106=6．554 MHz，雷电流波形如图3 所示，雷电流的表达式如下:

式 中:I=204 885．8， α=2 049．38， β=563 758．3。

图3 双指数雷电流波形

根据文献［9，10］，二次电缆转移阻抗表达式:

式中:散射阻抗Zd;小孔电感Mh;编织电感Mb计算公式如下:

其中:b=4πcosα/C-nd，h=2bd/(b +d)，B=n(d2-πd2/4)，，v=C2sinα/(4πacosα)，绝缘层的直径D0=3．1 mm，每根编织线的直径d=0．2 mm，编织层的编束数C=24，编织束内的导线数n=6，编织层的平均半径a=7．8 mm，编织角度 α=38．1°。

首先建立基站和变电站模型，然后建立雷电流和二次电缆模型，最后通过MATLAB 编程和CDEGS 进行计算电缆末端口的骚扰电流和骚扰电压，具体的计算流程图如图4 所示。

图4 计算流程图

2 计算结果及分析

2.1 接地网不同连接方式

通过CDEGS 建模计算，分析变电站接地网和移动基站接地网连接和不连接两种情况下，雷击移动基站铁塔顶端时，在变电站二次电缆产生的骚扰电流和骚扰电压的大小，可以得出连接时的骚扰电流和骚扰电压远大于不连接时的骚扰电流和电压，计算结果如图5、图6 所示。

图5 二次电缆骚扰电流波形

图6 二次电缆骚扰电压波形

2.2 接地网不同间距

通过分析两接地网间距为10 m，20 m，30 m，40 m，50 m 不同情况下对变电站二次电缆的影响，可以得出二次电缆骚扰电压随着间距变大而变大，计算波形如图7。

图7 二次电缆骚扰电压波形

2.3 地电位升和最大地表电位分布

为了研究接地网的连接方式和土壤电阻率对于观测点A 的地电位升和整个地表电位分布的影响，计算了连接与不连接，土壤电阻率是100 Ωm和500 Ωm 的情况。由图8 可得观测点A 处的GPR 初始时刻快速上升，然后逐渐衰减至零;土壤电阻率相同时，接地网连接时的情况GPR 高于不连接的情况;接地网连接形式相同时，土壤电阻率高的情况GPR 高于土壤电阻率低的情况。

由图9 可以得出，接地网不连接时的地表电位大于接地网连接，且不连接时两接地网之间的电位变化剧烈，为了保护人畜安全，应该设置保护区。

图8 A 点的地电位升

图9 接地网地表电位分布

3 结论

本文利用CDEGS 建立了变电站接地网、移动基站接地网、基站铁塔、二次电缆屏蔽层的计算模型，计算了接地网不同连接方式下，雷击基站铁塔顶部时在变电站二次电缆产生的电磁骚扰，分析接地网不同连接方式、不同间距、不同土壤电阻率对二次电缆的影响。从计算结果可以得出，两个接地网采用不连接、最大间距的电连接方式时二次电缆的骚扰电流和电压最小;接地网不连接、土壤电阻率低时观测点地电位升最小和地表电位分布均匀。因此，建议移动基站和变电站共建时两接地网应采用不连接方式，间距尽可能大，且需要降低土壤电阻率，同时变电站和移动基站之间应设立安全区。

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