CDEGS在实验室接地网设计中的应用*

姜 辉，张雅妮，刘 娟，张长秀，刘 璇，高 剑

(1.中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071 2.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101)

0 前言

良好的接地是电气设备及建筑物安全稳定运行的基本保证，在高土壤电阻率地区，地网的设计及接地电阻的降低通常需要耗费更多的成本投入[1-3]。降低地网接地电阻，提高地网运行的安全性是地网优化设计的两个重要方面[4,5]。高电压实验室中的高电压试验厅以及各设备间均应有良好的接地装置，以确保保护接地和工作接地能够满足试验需求，其接地电阻值必须要做得很小，最好小于0.5 Ω[6]。中国石化青岛安全工程研究院高电压试验大厅一直运用于解决石油化工行业雷电灾害控制及防护技术研究相关的难题[7,8]，其接地电阻会对相关实验结果造成影响。本文运用CDEGS接地仿真软件，对试验大厅地网安全性及接地电阻进行仿真分析及优化设计。

CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Field, Grounding and Soil Structure Analysis，即电流分布、电磁场、接地和土壤结构分析)软件是由加拿大SES公司出品的，具有接地系统设计、土壤结构分析、电流分布、电磁场及其干扰计算、雷击保护计算等功能的集成软件。目前软件具有：①土壤电阻率测量和解释 ；②接地分析、线缆参数计算、故障电流分布计算 ；③估算电磁环境影响(电晕、 音频和射频噪声) ；④电磁干扰电磁兼容分析和干扰缓解；⑤雷电屏蔽分析、雷电浪涌瞬态分析等功能[9,10]。

1 地网安全性的设计

接地网除起到良好的接地作用外，还应确保接触电压、跨步电压及接触电势处于合理的数值范围以内，保证工作人员人身安全。本文选取中国石化青岛安全工程研究院高电压实验室地网作为研究对象，其地网成矩形网格状排列于实验室地坪下，总长48 m，总宽30 m，深度0.6 m，由水平接地极组成矩形网格状，网格数量6×8，另设27根垂直接地极，每根2.5 m。经过仿真得到其跨步电压分布，如图1。由图1可知，地网电位分布不均匀，特别是地网中间区域的跨步电压较大，且整个地网范围内地电位的分布梯度较大。同样的，接触电压、接触电势等其他参数也普遍偏大，地网安全性较差。

图1 原始地网跨步电压分布

为增强地网安全性，增加5根横向6根纵向水平接地极，使整个地网呈网状结构，各横向纵向接地极等距离分布。再次进行仿真得到跨步电压分布，如图2。由图2可知，地网电位分布的均匀性得到极大的改善，地网范围内的跨步电压均处于较低的水平，地网安全性得到有效改善。

图2 改进后地网跨步电压分布

图2中，跨步电压的分布仍然存在一定的不均匀性，地网边缘区域的跨步电压比中心区域大。在水平接地极数量不变的情况下，尝试对接地极的分布进行调整，以期得到更好的结果。使水平接地极不再按照等间距的方式排列，而是按照指数压缩的方式进行排列，压缩比为0.8，结果仿真得到跨步电压分布如图3所示。

图3 指数排列方式下地网跨步电压分布

由图3可知，跨步电压的分布均匀性得到一定的改善，4个角落处的跨步电压有所减小，中间地带跨步电压略微增大，地网区域内跨步电压的分布公差降低，最大跨步电压值减小，地网安全性进一步得到改善。

2 放射性接地极对方形地网的降阻效果分析

在接地网降阻设计中，经常会采取敷设放射型接地极的方式来达到降阻目的。但放射型接地极的敷设数量和方式，以及预期的效果并无量化的结论。通过CDEGS仿真计算，对放射型接地极于方形地网的降阻效果进行分析。放射型接地极的敷设方式如图4所示，接地极数量依次为1，2，4，8。

图4 放射型接地极设置的几种情形

目标接地网为边长30 m的正方形水平结构，内部设置有纵竖各3根水平接地极，且等间距分布，整个地网深度为0.6 m，所处区域土壤电阻率为100 Ω·m。当放射型接地极数量分别为1，2，4，8，单根接地极长度分别为400，200，100，50 m时，地网接地电阻计算结果如图5所示。

图5 不同情形下接地电阻计算结果

由图5可知，放射型接地极数量越多，长度越长，其降阻效果越明显。当所用放射型接地极总长度一定时，其降阻效果相差不大。不过，放射型接地极总长度时，不同组合所算得接地电阻值仍存在差别，并呈现出规律：放射型接地极根数越少，降阻效果越理想。

3 放射型接地极在地网优化设计中的应用

中国石化青岛安全工程研究院高电压实验大厅所建区域为高电阻率土壤结构，通过CDEGS软件仿真和数值计算，对实验室地网进行优化设计，使之达到规范要求，即接地电阻小于0.5 Ω。

图6是高电压试验大厅，建筑物大门朝东(左侧)，大门外(东侧)20 m范围内区域可以直接用于延伸地网，增加垂直接地极；超过20 m的区域也可以利用，但因其他限制，只能布置约100 m的水平放射型接地极；大厅西侧距园区围栏的距离略大于20 m，也可用于延伸地网。该建筑物北侧有一条平行于建筑物墙体的路，与大厅相距2 m左右，不方便打入垂直接地极，但是可以向外布置放射型接地极。建筑物南侧为山体断面，不可利用。

图6 试验大厅

试验大厅所在房间为建筑物右半部分，即较高一侧，面积为24(东西)×30(南北)(m2)。建筑物左半部分为控制室等其他房间，面积同样为24×30(m2)，其地网结构建模如图7所示。计算所用土壤结构采用水平分层结构。山体石块的土壤电阻率定为1 500 Ω·m，厚度为200 m，200 m以下的地基土壤电阻率为75 Ω·m。

如图7所示，接地电阻计算结果为3.56 Ω。在其右边大厅地面打入9根垂直接地极，并通过水平网格将其和之前模拟的建筑物接地极相连，具体结构见图8，红框处为新加入的9根垂直接地极。

通过计算可知，图8结构的接地电阻为3.26 Ω。仅比图7结构少了0.30 Ω，距离0.5 Ω的要求相差很多，需要在建筑物外引入辅助的接地系统。

图7 实验大厅原始接地网建模

图8 更新后的建筑图接地网络

继续对接地网进行优化。在建筑物东、西侧墙外，平行间隔10 m处各设计一个30 m×10 m的矩形接地网络，具体结构见图9。地网接地电阻降为2.98 Ω，降阻效果不明显。

图9 左右(东西)两边加入辅助接地极后的接地极整体结构

增加放射型接地极，包括3根100 m水平接地极，和1根300 m水平接地极，如图10所示。计算结果显示地网接地电阻降为0.79 Ω。

图10 进一步增大接地网格面积

增加东北角向北边接地极长度至300 m，并增加两根东北和西北角度的水平放射型接地极，如图11所示。经CDEGS仿真计算，该地网接地电阻降为0.38 Ω，符合要求。

图11 增加放射型接地极数量和长度后的地网

4 结论

水平网状地网结构可有效减小跨步电压，使地电位分布更为均匀。按照指数压缩的方式进行排列的网状结构可进一步提高地网安全性，降低地网区域内跨步电压的分布公差，减小最大跨步电压值。放射型接地极数量越多，长度越长，其降阻效果越明显。当所用放射型接地极总长度一定时，其降阻效果相差不大，但仍有细微差别：放射型接地极根数越少，降阻效果越理想，这是由于导体屏蔽效能所致。