变电站接地极电阻建模计算及特征分析

齐晓朋+马俊贵

摘 要： 在变电站中，为有效预防发生變电站接地故障，利用PSCAD软件搭建某变电站35 kV电网的电阻仿真模型，通过建模计算变电站接地极的电阻大小，并分析其特征，改善变电站接地极电阻设置方案以确保规避变电站接地风险。结果表明，在变电站中，中性点经电阻接地更适用于变电站中性点电阻接地方式，在变电站中，经建模计算其接地电阻理论值是1.28 ，但在实际中为提升变电站建设的经济性，降低造价成本，可以将电阻设计值定为0. 687 ，同时可以为变电站设置高阻地面以满足实际中变电站安全运行的要求，不仅有利于变电站安全、稳定的运行，也可使变电站运行的安全性提升42.0%。结论证实，通过建模计算变电站接地极电阻，并分析接地极电阻的特征，有助于设计优化方案，预防变电站接地发生，产生积极影响。

关键词： 变电站接地； 特征分析； 建模计算； 接地极电阻

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）01?0149?03

Abstract： In order to prevent the substation grounding fault， the PSCAD software is used to establish the resistance simulation model of a certain substation 35 kV power grid. The grounding electrode resistance is obtained by means of the modeling calculation， and its features are analyzed. The setting scheme of the substation grounding resistance was improved to avoid the substation grounding risk. The results show that the neutral point grounding through the resistance is suitable for the neutral point resistance grounding mode in substation. The theoretical value of the substation grounding resistance obtained by modeling calculation is 1.28 Ω， and the resistance design value is 0.687 Ω to improve the substation safety operation and reduce the cost. The high resistance ground can be set for the substation to satisfy the requirement of practical substation safety operation， facilitate the substation safe and stable running， and the substation running safety is increased by 42%. The conclusion verifies that the modeling calculation of the substation grounding electrode resistance and the analysis of the grounding electrode resistance features are conducive to the design of the optimization scheme and prevention of the substation grounding situation， and have a positive impact.

Keywords： substation grounding； feature analysis； modeling calculation； grounding electrode resistance

针对变电站接地极电阻建模及特征分析的相关问题，基于PSCAD软件，建模计算变电站接地极电阻大小，并分析接地极电阻特征，优化计算变电站接地电阻值，确保变电站可以正常运行。

1 对变电站接地极电阻进行建模分析的意义

目前变电站的接地工程中，如何将接地电阻降至安全限值以下依然是主要的技术难题之一[1]。近年来人们开始采用接地模块作为接地体解决接地降阻难题， 但对于变电站中由于接地极模块方面，还缺乏科学的依据，在构建中存在盲目性，无形中提升了变电站接地的风险。并且，若是在城市城区内建设变电站，由于用地面积因素，使得变电站的面积大为缩减，这样会导致接地网不能向四周进行伸展，从而在接地极电阻设置中也将面临挑战[2?6]。另外，若是要将变电站建立在多山的区域，或是在丘陵地带中，由于当地土壤的电阻率比较大，若是按常规的接地电阻设计，则不能达到变电网运行中对接地电阻的要求[7]。为此， 只有强化变电站接地极电阻建模及特征分析工作，通过对变电站现场实验测量与仿真模型计算，对变电站接地极电阻进行建模计算[8?12]，设置出合理的变电站接地极电阻值，发挥积极的实用意义。

2 变电站项目概况

2.1 基本资料

对于本次研究中，选择的变电站位于某山区境内。并且，对于该变电站项目，其占地面积能够达到80 m×70 m，并对变电站周围地质进行勘察，证实所建变电站区域的地貌是侵蚀堆积的坡地地貌，并且也存在缓坡地带。同时，变电站中场地的覆盖土层都是由粘土以及含砾粉粘土组成的，根据场地土壤电阻率测试报告显示，在变电站的整个场地中，南面电阻率高于北面，因此在建设变电站的过程中，应该强化接地极电阻的设计规范，以保证变电站运行安全。

2.2 分析变电站接地极的短路电流

對于变电站中，其主要接地极参数包括接地电阻、接触电压、跨步电压、网孔电压及接地网上面的地表电位分布等。计算一般是基于如下原始参数进行的：

（1） 接地系统的形状、尺寸布置图；

（2） 接地系统所处土壤的特性（土壤电阻率及分层情况）；

（3） 注入接地系统的电源特性，如电源的频幅值及波形。

3 建模计算变电站接地极电阻

3.1 实验设置

利用接地计算软件PSCAD对接地模块的降阻率进行仿真计算，对变电站接地极电阻进行建模计算。实验场地建模布置如图1所示。

以石墨材质得出的电阻值为理论电阻值，接地极电阻材质如表1所示。

同时，以有限元工具ANSYS和接地分析软件PSCAD为工具，计算不同接地极电阻特征下变电站接地极的电阻大小。

3.2 实验结果分析

（1） 分析接地极电阻特征

变电站接地极电阻建模特征分析结果，如图2所示。

通过对图2分析可知，将石墨与扁钢进行组合作为接地极电阻材料，把它们相连后作为电阻元件，此时变电站中接地极整体的电阻产生较大的幅度变化，主要就是由于将扁钢埋入到土壤中，由于季节变化因素以及电阻材质接触因素的影响，从而使变电站接地极的电阻大小产生波动。经证实，运用由石墨组合构成的接地极电阻材料，其电阻较为稳定，可以发挥积极影响。

（2） 建模计算变电站接地极电阻值

在实际变电站接地极电阻设置中，可以采取提高接地极地面电阻率的措施确保变电站安全运行；同时，保证变电站接地极的电阻小于1.28这样可以提升变电站的运行安全性。

4 分析变电站接地极电阻特征

4.1 特征分析

在变电站实际运行中，由于其接地极往往连接着高低压电气设备、低压用电等设备的接线，降低电网接地电阻可以确保电网安全运行。若接地极的电阻过大，则容易在变电站发生接地故障，在出现大电流入地时，使得变电站接地的电位发生异常升高，从而导致变电网接地系统的电位不能均匀分布，以至于变电站监测控制设备拒动，影响变电站运行的安全性，给变电站带来经济损失。对于分析变电站接地极电阻特征方面，由于电阻元件是一种发挥电阻作用的材料，若采取扁钢作为电阻，经过长时间的风吹日晒，容易使接地极电阻扁钢材料与地面土壤连接处产生腐蚀，从而增加变电站的接地风险，使变电站发生接地故障。应用石墨组合材质构建接地极电阻，经过建模分析，在长时间运行中，较少会受到季节、接触状况等因素的影响，会在表层出现一些浅表腐蚀情况，不会造成钢结构腐蚀，依然可以发挥降阻作用，发挥变电站接地极电阻的质量，有效维护变电站的安全可靠运行。

4.2 实现接地极降阻的方案

随着当前我国电力变电站事业的不断发展，变电站接地极的电阻越来越大，难以降低变电站接地电阻，极易增加变电站接地风险，为此，应该根据接地极电阻特征，采用合理的降阻措施，保证变电站接地电阻满足实际运行要求。对于实际变电站的接地控制方案需要考虑到周边环境的影响，利用打斜井的方式解决接地电阻的问题。具体方法是在变电站四个角上向外打四口斜井，每口斜井长度不小于80 m，斜井站位深度不小于5 m，斜井方向及位置可以根据现场情况进行适当调整。斜井内采用与主网接地相同的材料作为接地极，并与主网联接起来，最后在斜井内采用接地增强剂进行回填，以保证接地极与周围土壤间的良好接触。

同时，也可以在变电站的接地极周围敷设一些降阻剂，这样能够增大接地极电阻的外形尺寸，从而降低变电站与接地网接触过程中局部土壤的电阻率，降低变电站接地极与土壤产生的接触电阻，从而降低接地极电阻，确保变电站安全运行。

5 结 论

综上所述，通过建模计算变电站接地极电阻，并分析接地极电阻特征，对于变电站的接地极电阻建模分析中，经建模计算出理论上变电站的接地极电阻是1.28然后经进一步建模计算，优化设计电阻值，使其接地极电阻控制在0.687，不仅可以降低变电站建设过程中的经济投入，同时根据电站的电阻特征，做好局部的高阻地面，也可以避免变电站安全事故的发生，有效满足实际中变电站的运行要求，有助于设计优化方案，预防变电站接地发生，产生积极影响。

参考文献

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