高压试验室接地系统的设计

杨碧轩，来文娟，张彦涛

(1.陕西省防雷中心，西安　710014；2.陕西华安防雷工程技术有限责任公司，西安　710014)



高压试验室接地系统的设计

杨碧轩1，来文娟2，张彦涛2

(1.陕西省防雷中心，西安710014；2.陕西华安防雷工程技术有限责任公司，西安710014)

摘要：以高压实验室为例介绍了一种高压场所地网设计的方法。通过建立双层土壤模型结构，利用四级法测量多组视在土壤电阻率，构建最优化目标函数，求解确定土壤参数；再根据土壤参数，利用CDEGS软件中的建模，来估算接地系统的组织及最大接触电压、最大跨步电压来指导工程施工。

关键词：接地系统；最大接触电压；最大跨步电压

接地系统是保障电力系统正常运行，防止人身电击事故，预防电气火灾，防止雷击和静电损害人民生命与财产安全的基本措施。但实际上理想的接地装置(阻值为零)是不存在的，在通信站、军事设施、变电站建设中，对接地系统设计不仅仅有接地电阻值的要求，常常还有最大接触电压和最大跨步电压的要求，如何在接地系统的建设中满足这些要求，结合实际工作的一些做法和经验进行分析探讨。

1高压试验室接地要求分析

根据DL/T621—1997《交流电气装置的接地》规定，在确定发电厂、变电站的接地系统的形式和布置时，应降低接触电压和跨步电位并达到安全值以下。对于有效接地和低电阻接地系统的电气装置保护接地电阻要求满足R<2 000/I(R为参考了季节变化的最大接地电阻，I为流经接地装置的入地短路电流)。可以看出，接地电阻的数值不是一个具体的规定值，而是由最大入地电流的大小所决定的。确定接地系统的安全阻值，主要需要考虑两个问题：① 如果出现高压闪络，最大的入地电流会造成多高的地电位抬升；②在试验期间工作区的人员安全问题。

2土壤双层模型

2.1四级法和视在土壤电阻率

对于均匀土壤，四级法测出的土壤电阻率

(1)

其中，R是电压级电压V与电流级间流过的电流I之比,a是测量电极之间的间距。R的值可以用接地电阻仪直接测出。对于双层土壤模型，利用四级法测出的土壤电阻率为视在电阻率[2]。根据四级法测量的土壤视在电阻率与上层土壤电阻率、土壤的折射系数以及上层土壤的厚度存在关系式

(2)

其中，n为镜像的次数。在实际计算中，n取10～20即可。

2.2双层土壤参数的计算方法

2.2.1RESIST法为了确定双层土壤模型参数，运用最优化原理定义最优化目标函数

(3)

ρa(aj)为有限表达式决定的视在电阻理论值。当fφ(ρ1，k,h)极小时，所求得的ρ1、k和h值就是该土壤模型的最优解。对于这样一个无约束的极小化问题，可以采用快速下降法进行求解。

2.2.2SPET法对公式(3)进行适当修正后，土壤视在电阻率还可以改变表达形式。

当ρ2>ρ1时，

(4)

其中，vb=ρ1[-k-ln(1-k)]/(2πh),

c=16.413 3(ln(ρ2/ρ1))0.393468，

β=2.0-0.136 074ln(ρ2/ρ1)。

当ρ2<ρ1时，

ρa=ρ2+(ρ1-ρ2)[2e-b(a)a-e-b(a)2a]，

其中，b(a)=[bm-(bm-0.673 191)e-0.479 512a/h]/h，

bm=1.333 35-0.882 645(ρ2/ρ1)0.697 106。

(5)

根据优化目标函数，可以使用相同的方法或者遗传算法等优化算法对上式进行最小化，从而得出所对应土壤的各个参数。

3高压试验室接地网的设计

以西安某高压试验室为例介绍高压试验室接地网的设计。该试验室是进行高压测试和模拟的试验室，试验室配备有500 kV工频试验变压器、1 200 kV冲击电压发生器和±600 kV直流高压发生器各一台。由于试验室一侧靠近山边，一侧靠近公路，土壤结构复杂，土壤下层为岩石。为了防止低电位反击和使用设备产生静电感应，必须给该试验室设计独立的接地网。

3.1土壤电阻率的测量

采用四级法分别测量试验室所在地两侧的土壤电阻率，测量仪器采用ZC29B-2型接地电阻测试仪,测量时已连续3 d晴天，测试结果见表1和表2。

表1　公路侧土壤电阻率测试结果

表2　靠山侧土壤电阻率测试结果

根据测量结果，在靠公路一侧土壤宜分为两层考虑，0～4 m范围土壤电阻率变化较快，可取45 Ω/m，4 m以下取8 Ω/m；靠山一侧土壤电阻率明显大于公路侧，其原因可能是地下构成为岩石。若也分为两层考虑，则0～3 m范围土壤电阻率可取150 Ω/m,3 m以下取120 Ω/m。

3.2地网接地电阻等的计算

(1)接地电阻值、最大接触电压和最大跨步电压的计算

利用靠山一侧实测的土壤电阻率数据，通过CDEGS软件(CDEGS软件是由加拿大SES公司开发，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，并可以解决阴极保护等问题。)的RESAP模块计算得到所需地网模型(见图1)。考虑季节因素，上层土壤电阻率取152.7 Ω/m，上层土壤厚度取2.8 m，下层土壤电阻率取24.7 Ω/m。入地电流为10 A，计算得到的接地电阻为1.103 7 Ω，最大接触电压和最大跨步电压分别8.247 V和3.435 V。

图1　接地系统在CDEGS软件中的建模

(2)降低地网的接地阻值

计算得到的接地电阻的阻值(1.103 7 Ω)大于1 Ω，为了降低地网的接地阻值，在原地网设计中再增加17根离子棒接地极，可以有效降低地网接地电阻至0.6 Ω左右。另外，为了减小杂散电容对测量系统的影响，建议在试验设备的底部使用铁板铺垫，测量线路从铁板上的开口进入地下电缆沟再引入控制室。

4结论

(1)通过建立双层土壤模型来对高压试验室接地网的布局及使用接地材料数量进行准确计算，既能满足接地阻值的要求，又能对试验室的最大接触电压和最大跨步电压进行估算，对接地网的施工具有指导意义。

(2)利用实测的土壤电阻率数据，通过CDEGS软件RESAP模块计算，估算出设计地网的最大接触电压和最大跨步电压的方法，可以在高压试验室等高压场所的防雷安全设计做模拟计算，准确指导工程施工。

李崇福,苏静.Rotronic Hygrolab多路温湿度数据采集器本地化应用开发[J].陕西气象，2015(6)：43-44.

(3)利用此法，在雷电防护设计中计算雷击点附近的最大接触电压和最大跨步电压，量化风险参数，从而有针对性的采取防护措施。

参考文献：

[1]潘溪渊,曾嵘,何金良,等.变电站站址土壤结构分析[J].清华大学学报:自然科学版,2002,42(3):288-290.

[2]许虎，韩果，徐凯川.利用CDEGS软件分析埋地金属对土壤视在电阻率的影响[J]. 湖南电力,2012,36(2):62-64.

作者简介：李崇福(1963—)，男，河南巩义人，学士，高级工程师，从事气象装备技术保障工作。

收稿日期：2015-04-22

文章编号：1006-4354(2015)06-0043-03

中图分类号：P429

文献标识码：A