基于CDEGS软件的变电站接地网优化研究

卓 越 蒋 伟

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

基于CDEGS软件的变电站接地网优化研究

卓 越 蒋 伟

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

CDEGS是一款可进行接地仿真设计的大型软件，现结合具体工程，使用CDEGS软件对变电站接地网络进行了仿真建模，建立了多层土壤模型，对变电站接地网的接触、跨步电势差进行了三维计算校验，结合校验结果对接地网进行了优化设计。使用CDEGS软件，在接地网设计过程中可以找到技术性和经济性的最佳平衡点。

CDEGS软件；接地网；优化设计；多层土壤模型

1 CDEGS简介

CDEGS软件是由加拿大SES公司开发的，旨在解决电力系统接地、电磁场和电磁干扰等工程问题的强大工具软件，它还可以解决阴极保护等问题。CDEGS软件可在正常、故障、雷电和暂态条件下，计算地上或地下任意位置的带电导线组成的网状结构产生的接地电位、导线电位和电磁场。

2 常规接地设计方案的缺点

接地网作为变电站交直流设备接地及防雷保护接地，对维护系统的安全运行、保障运行人员和电气设备的安全起着重要的作用。大多数设计单位对于变电站的接地设计仍采用了《交流电气装置的接地》推荐的设计方案及计算公式，常规变电站复合接地网的接地电阻计算方法，物理概念清晰，使用方便简捷，但存在以下问题：(1) 没有考虑土壤的不均匀性。大型变电站占地面积很大，故障时故障电流入地较深，深层土壤对接地网接地电阻影响较大，而将土壤视为均匀的，可能造成较大的计算误差。(2) 只能初步估算变电站内地电位升的平均值，不能计算变电站内任意点的电位，无法分析变电站内任意点的接触电势差和跨步电势差，不利于接地网的全面安全设计。(3) 等电位模型不能反映接地导体材料对接地网性能的影响。变电站占地面积大，电气设备分布范围广，故障时通过大故障电流的设备所处的位置不同，即电流注入点的位置不同，会使接地网的电位升高不同，等电位模型不能反映这种差异。(4) 等间距布置的大型接地网，其内部导体的利用系数很低，导体散流密度小，地表电位梯度大。

随着变电站电压等级的提高，用于接地网的费用占变电站总投资的比例呈上升趋势。如何科学准确地分析设计接地系统，在满足接地网安全性的同时，兼顾投资的经济性，是在今后变电站接地设计中迫切需要解决的问题。在A变电站的工程设计中，笔者将利用CDEGS模块对变电站进行“多层土壤模型”的接地电阻仿真计算及优化设计。

3 基于CDEGS软件的接地网优化设计

3.1 水平接地网设计

变电站主接地网以水平接地网为主，水平接地网间距布置较小有利于降低接地网电阻与站内电势梯度，但是接地成本较高。较大的间距可以有效降低接地成本，但会增大接地网电阻和网格内电势梯度。为解决这一矛盾，寻求经济性与技术性的合理平衡点，利用CDEGS软件对不同间距与接地网电阻的关系进行了分析计算。设接地网面积为300 m×300 m，土壤电阻率为100 Ω·m，水平接地网不同间距与接地网电阻及接地体长度关系如图1、图2所示。

图1 接地电阻随水平接地网间距变化图

图2 接地体长度随水平接地网间距变化图

可见，随着水平接地网间距减小，接地网电阻减小，但是减小幅度很小，且接地体长度急剧上升，接地成本呈倍数增加。可见，水平接地体间距在一定范围内，对接地电阻的影响不大，但接地成本起伏很大。考虑设备尺寸及经济合理性，选取15 m×15 m间距作为A变电站主网最佳布置间距。

3.2 垂直接地网设计

为提高变电站发生短路故障时水平接地网的泄流能力，一般在主接地网水平导体交叉处安装垂直接地极。然而，随着接地网面积增大，垂直接地极数量大幅增加，投资也大幅上升。经过CDEGS模块对变电站接地网的仿真计算，发现在达到同等接地效果的情况下，可以对垂直接地极的布置方案进行局部优化。根据CDEGS软件计算优化结果，笔者对优化前方案与优化后方案进行了综合对比。与以往方案相比，优化方案取消了接地网中央区域的垂直接地极。经优化后，节约垂直接地极投资57%，而对接地电阻、地电位升、跨步电势差和接触电势差的影响不足0.1%。

3.3 接地网三维建模

在确定了A变电站水平接地网及垂直接地极的设计方案后，采用CDEGS模块对A变电站接地网络进行了3D建模，如图3所示。

图3 接地网三维模型图

3.4 基于多层土壤模型计算接地电阻

根据地勘报告，A变电站场平后，对于站区土壤的分布产生一定影响。开方区主要出露黏性土、卵石层浅埋，局部地段位于基底的黏性土用做一般建筑物的天然地基，局部地段采用超挖换填进行处理，填方区将出现一定厚度的填土。为简化土壤结构模型，将土壤分布等效为2层：第1层起止深度为0～7 m，电阻率取100 Ω·m，反射系数取1；第2层起止深度为7 m以下，电阻率取400 Ω·m，反射系数取0.6。利用CDEGS可以较为便利地建立2层土壤电阻率分布模型，经计算，A变电站主接地网接地电阻在该模型下计算值为0.449 Ω。

3.5 接触、跨步电势差的可视化校验

经CDEGS计算，A变电站跨步、接触电势差要求值可进行三维可视化直观校验，接触电势差全场分布图如图4所示。

由上文可知，CDEGS模块可以通过三维接地网络模型，直观地反映出变电站短路时整个接地网络跨步、接触电势差的分布情况，同时可以人工设置电势差要求值，通过较为突出的颜色将跨步电势差和接触电势差不满足要求的位置和范围清楚地反映出来。根据跨步电势差、接触电势差的检验结果，可以对整个变电站接地网络进行调整和优化。

图4 接触电势差分布三维图

4 优化结果

在A变电站中，由于边沿采用不等距优化设计，与等间距布置方案相比，A变电站跨步电势差和接触电势差在全站中央区域分布更加均衡；同时，通过对围墙边缘增设5 m的水平均压带，大大降低了围墙边缘区域表面电位梯度；另外，优化方案取消了接地网中央区域的垂直接地极，节约垂直接地极投资57%，而其对接地电阻、地电位升、跨步电势差和接触电势差的影响不足0.1%。

2014-07-11

卓越(1980—)，男，四川自贡人，工学硕士，高级工程师，从事变电设计技术管理及工程管理工作。