基于变电站接地网雷电冲击暂态特性的研究

梁湛原

摘 要：接地网对变电站的安全运行起着重要的作用，其接地性能一直是设计和生产运行部门关注的重要点。采用接地分析软件CDEGS搭建了接地网雷电冲击暂态响应计算模型，分析了雷电流注入点、接地网参数和土壤结构对雷电冲击下接地网暂态电位的影响规律。研究发现，减小网格间距有利于减小地网冲击特性参数，当网格间距从20 m缩短到10 m时，地网冲击特性参数下降比较明显。

关键词：CDEGS软件；变电站；接地网；雷击冲击；

中图分类号：TM76 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.105

随着我国电网的发展，变电站越来越多地采用了HGIS、户内或户外GIS等紧凑型配电装置，变电站的面积越来越小，使变电站接地设计的多种问题越来越明显。本文介绍了一种先进的CDEGS软件，可监测电流分布、电磁场、接地、土壤结构等，用于精确分析接地、电磁场、电磁干扰（包括降低交流/直流干扰、阴极保护和阳极床分析）等问题。在CDEGS软件中，变电站地网雷击暂态计算的过程分为雷电波频域分解、地网电磁场频域响应计算、地网电磁场频域响应计算。为了反映雷击暂态对人身地网的威胁，必须在CDEGS中对地网冲击接地电阻、最大电位升、接地网地表电位和接触电压数值进行分析。

1 变电站地网雷击暂态的计算方法

1.1 网格间距的影响

运用CDEGS软件建立200 m×200 m的地网模型，分别在接地网中心（A点）、角点（B点）、边缘中点（C点）注入雷电流，计算不同间距条件下地网冲击特性参数，分析网格间距对地网雷电冲击特性的影响。

利用CDEGS软件计算网格间距为3 m、5 m、8 m、10 m、12 m、15 m、20 m时的接地网雷击特性参数，随着网格间距的增大，地网冲击特性参数均增大。从地网中心注入雷电流时，其冲击特性参数最小，从地网角点注入雷电流时，冲击特性参数最大。当网格间距从3 m增大到8 m时，虽然减小了雷电流的散流通道，但地网电感效应减弱，地网冲击特性参数变化幅值较小；当网格间距增大到10 m之后，继续增大网格间距，接地网散流导体减少，冲击接地电阻、地网最大电位升、跨步电压、接触电压等冲击特性参数均明显增大。

1.2 地网雷击的有效面积

在雷电流冲击电流的作用下，由于变电站接地网呈现出明显的电感效应，地网接地性能在工频电流的作用下产生了不同。雷电流注入接地网时，只能在一定的范围内散流，即存在地网雷击有效面积，以（10～100 m）×（10～100 m）地网为例，网格为10 m×10 m时角点注入雷电流，网格为5 m×5 m时中点注入雷电流，并设地网注流点为坐标原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，具体如图1所示。仿真计算参数如表1所示。

随着地网面积的增加，冲击接地电阻和地网最大电位升逐渐降低，并趋于饱和。对于边长为5 m的网格，当地网边长为10 m时，冲击接地电阻为7.69 Ω，地网最大电位升为384.31 kV。当地网边长为30 m时，冲击接地电阻降为3.76 Ω，地网最大电位升下降为188.12 kV，下降幅度为51.1%；继续增大地网面积，冲击接地电阻和地网最大电位升下降幅度很小，变化幅度小于5%.

对于边长为10 m的网格，当地网边长为10 m时，冲击接地电阻为10.02 Ω，地网最大电位升为500.9 kV；当地网边长为30 m时，冲击接地电阻降为9.56 Ω，地网最大电位升下降为472.5 kV，下降了10.6%；继续增大地网面积，冲击接地电阻和地网最大电位升下降幅度小于5%.因此，地网雷击有效面积为30 m×30 m。

1.3 垂直接地体的影响

通过对地网雷击有效面积的分析可知，雷电流主要在注流点附近30 m×30 m 的范围内散流，增大地网面积对改善接地网的雷击冲击特性的意义不大。在此情况下，可以考虑在注流点附近增设短垂直接地极来增加雷电流散流通道，从而改善接地网的雷击冲击特性。以200 m×200 m接地网为例，网格间距为10 m，在注流点周围15 m的范围内增设2.5 m长的垂直接地体，a点即为注流点位置，b点与注流点空间、电气的距离为10 m，c 点距注流点空间的距离为14.41 m，距电气的距离为20 m，分别在a点、b点、c点以及多点位置组合安装垂直接地体，运用CDEGS软件建立地网模型，仿真分析垂直接地体对地网雷击特性的影响。

仿真计算安装垂直接地體前、后变电站地网冲击接地电阻、地网最大电位升以及地表最大电位升如表2所示。加装垂直接地体对地网冲击接地电阻和地网电位升影响非常小。加装垂直接地体前地网的冲击接地电阻和地网最大电位升分别为4.974 Ω 和248.7 kV，加装3根2.5 m长的垂直接地极后，地网冲击接地电阻和地网最大电位升分别为4.952 Ω 和247.6 kV，下降了0.4%.在注流点周围加装垂直接地体可降低地表电位，加装垂直接地体前地表最大电位为189.8 kV，注流点周围加装2根垂直接地体后，地表最大电位为175.57 kV，下降了7.3%.

加装垂直接地体前后，变电站内跨步电压和接触电压变化情况如表3所示。

加装垂直接地体前、后对接触电压的影响很明显。在不装垂直接地体的情况下，最大接触电压为118.49 kV，在a点与b点之间加装2根垂直接地体后，最大接触电压下降幅度最大，降至88.798 kV，下降了25.06%.

2 结束语

综上所述，CDEGS是国际领先的接地设计软件，完全秉承IEEE设计规范，设计成果易于被国际同行理解和采纳，有着广泛的应用前景。通过上述仿真结果可得，雷电流从地网中心注入时地网冲击特性参数最小，地网角点注流时雷电冲击特性参数最大。减小网格间距有利于降低地网冲击特性参数，当网格间距从20 m缩短到10 m时，地网冲击特性参数下降比较明显；继续缩短网格间距，虽然增加了雷电流散流通道，但地网电感效应增强，地网冲击特性参数下降幅度变小；加装垂直接地体，对接触电压影响明显。

参考文献

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[3]辛亮，傅正财，魏本刚.变电站接地网的暂态分析方法综述[J].电网技术，2007（21）.

〔编辑：张思楠〕