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  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (4): 103-109  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.100
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引用本文 

陶亚光, 李天娇, 田野, 王兆军, 程法民, 李清泉. 不同土壤分层结构下接地网性能的差异计算[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(4): 103-109. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.100.
TAO Yaguang, LI Tianjiao, TIAN Ye, WANG Zhaojun, CHENG Famin, LI Qingquan. Difference calculation of grounding grid performance under different soil layered structures[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(4): 103-109. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.100.

作者简介

陶亚光(1992—), 男, 河南郑州人, 硕士研究生, 主要研究方向为电力系统接地技术.E-mail:53662130@qq.com

通讯作者

李清泉(1969—), 男, 山东莱芜人, 教授, 博士, 主要研究方向为气体放电, 电力设备绝缘监测. E-mail:lqq@sdu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-03-14
网络出版时间:2017-06-26 14:05:36
不同土壤分层结构下接地网性能的差异计算
陶亚光1, 李天娇2, 田野3, 王兆军3, 程法民3, 李清泉1     
1. 山东省特高压输变电技术与装备重点实验室, 山东 济南 250061;
2. 东北林业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040;
3. 国网山东省电力公司东营供电公司, 山东 东营 257000
摘要:为了尽可能量化不同土壤结构下变电站接地网安全性能的差异大小, 基于所得土壤电阻率测量试验数据, 对比分析了山地、沿海、丘陵3类地区垂直分层土壤结构和水平分层土壤结构下的变电站接地网接触电压和跨步电压等安全指标, 并以两者间的偏差百分比来衡量不同土壤结构与不同地区间差异。结果表明:使用现有的电流分布、电磁场、接地和土壤结构分布(current distribution, electromagnetic field and soil analysis, CDEGS)软件可以比较准确地计算出土壤水平分层和垂直分层结构; 各地区两种土壤分层结构下的接触电压和跨步电压的对比说明了考虑土壤垂直分层的必要性; 在同一地区垂直分层结构下, 靠近土壤分界面部分的接触电压和跨步电压偏差百分比较高; 最大值偏差百分比的计算结果说明,
关键词接地网    CDEGS    土壤分层    垂直分层    土壤分界面    偏差百分比    
Difference calculation of grounding grid performance under different soil layered structures
TAO Yaguang1, LI Tianjiao2, TIAN Ye3, WANG Zhaojun3, CHENG Famin3, LI Qingquan1     
1. Shandong Provincial Key Laboratory of UHV Transmission Technology and Equipment, Jinan 250061, Shandong, China;
2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China;
3. Dongying Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company, Dongying 257000, Shandong, China
Abstract: In order to quantify the difference in safety performance of the substation grounding network under different soil structures as much as possible, based on the measured soil resistivity data, the substation ground network safety indicators, such as step voltage and touch voltage of the mountains, coastal and hilly areas under the vertical layered soil structure and the level layered soil structure were analysed, and the differences between regions in percentage were evaluated. The results showed that the soil vertical layered structure and horizontal layered structure could be accurately calculated by using current distribution, electromagnetic field and soil analysis (CDEGS) software, the necessity of considering vertical layered soil was explained by the contrast of step voltage and touch voltage under two kinds of soil structure in different regions, deviation percentage of touch voltage and step voltage near the soil interface part under vertical stratification structure were higher at the same area, and the calculation results of maximum deviation percentage showed that the difference caused by different soil layers structure was more obvious in the bigger resistivity region
Key words: ground network    CDEGS    soil stratification    vertical stratification    soil interface    deviation percentage    
0 引言

基于土壤层次化的形成过程, 一直以来对变电站土壤的研究都以土壤水平分层为主, 这在很大程度上满足了当前变电站设计的需求[1-10]。但在部分地区, 比如山边、河海边、丘陵等地, 真实的土壤会在水平方向和垂直方向电阻率发生变化, 导致土壤分层不仅有水平方向、也有垂直方向的特征。单一的土壤水平分层模型可能会因为模型的不合适而导致变电站接地网的设计出现不可忽视的问题。

在对土壤结构分层的问题上, 文献[11-16]中采用不同方法测量土壤电阻率, 通过仿真和试验来反演最优化的土壤水平分层以进一步计算各种相关接地网参数。文献[17]利用镜像法证明温纳四极法在垂直分层的土壤中测量土壤视在电阻率的可行性; 文献[18]采用数值分析的方法探讨了在垂直分层的土壤结构中进行变电站接地网接地电阻的测试时测量电极的布置原则; 文献[19]运用电流分布、电磁场、接地和土壤结构分布(current distribution, electromagnetic field and soil analysis, CDEGS)软件分析左中右各层土壤电阻率对垂直三层土壤模型中地网接地电阻的影响规律, 构建了等效成相应单层土壤结构的求解模型。

当前对土壤水平分层的研究很多, 且较为深入; 但是对土壤垂直分层的研究则相对较少。而且在土壤复合性强的地区, 只是存在一些对不同土壤结构所造成接地网性能差异的定性分析, 对比不足, 同时相关的定量分析极为匮乏, 且分析的标准不一。

为了量化不同分层结构带来的差异, 给特殊地区变电站接地网的设计提供更多参考, 本研究在搜集整理特殊地区变电站土壤电阻率测量数据的基础上, 以山地、沿海、丘陵三个区域为例, 运用CDEGS模拟故障电流, 计算分析了同一接地网格在不同地区两种土壤分层结构下的跨步电压和接触电压等变电站接地网性能评估的代表性指标, 并使用偏差百分比来量化不同土壤结构和不同地区间的差异。

1 近山侧的接地网

山地多岩石, 这在很大程度上决定了山地区域土壤电阻率较高的特点, 也使得变电站土壤具有很强的复合分层特征。研究所用资料来自福建闽北山区[20], 该地区地壳岩以花岗岩为主, 四极法所得的电阻率测量结果如表 1所示。运用CDEGS分别计算对应的水平分层、垂直分层结果, 其中水平分层结果的计算采用最速下降法, 垂直分层的结果以RMS误差, 即土壤电阻率的实际测量数据与分层结果数据的均方根值误差, 最小为准, 对应RMS误差为12.5%, 结果如表 2所示。

表 1 山地区域土壤视在电阻率测量结果 Table 1 Measurement results of the apparent soil resistivity in mountain areas
表 2 山地区域土壤结构参数 Table 2 Soil structure parameters in mountain areas

表 2所述的ρlρr分别为左右两边的土壤电阻率, D为中心o点与分界面距离, θ为分界面与ox轴夹角; ρ1ρ2ρ3分别为上中下3层的土壤电阻率, h1h2h3为各层对应的厚度。

本节构建了100m×100m的接地网模型, 地网与复合分层土壤的关系如图 1所示。其中, 最左侧为影响土壤分布的山、河海、丘陵等因素, 这些因素影响到了变电站接地网一侧的土壤电阻率, 使得在计算接地网性能时该区域的土壤既可以等效为水平分层的计算模型, 也可以等效为垂直分层的计算模型。

图 1 接地网与复合分层土壤 Figure 1 Grounding grid and composite stratification soil

地网参数如下:模型网孔数为10×10, 横纵方向各有11根导体, 每根导体长100m, 分10段, 每段10m, 埋深0.8m;接地导体为圆柱状裸钢, 半径0.01m, 电阻率取1.78×10-7Ω·m, 相对磁导率200。

使用MALT模块模拟1000A的故障电流, 分别计算故障时两种土壤结构下的接触电压和跨步电压, 其对比如图 23所示。

图 2 两种土壤结构下接触电压对比 Figure 2 Comparison of touch voltage under two kinds of soil structure
图 3 两种土壤结构下跨步电压对比 Figure 3 Comparison of step voltage under two kinds of soil structure

可以看到, 在高电阻率的山地区域, 土壤垂直分层结构下的接触电压和跨步电压比水平分层结构下对应的安全指标要高, 且在靠近低电阻率的岩石区域愈发明显; 与土壤水平分层结构下电压分布相对对称的情况相比, 垂直分层结构下的接触电压和跨步电压分布不具有对称性, 在部分局部倾向明显, 说明在该部分强化接地水平是有必要的。

2 近海侧的接地网

沿海地区受海洋影响, 土壤含水量较高, 电阻率较低, 且跟所测土壤与河海的距离呈一定程度的正相关, 这导致该区域土壤电阻率在水平方向并不均匀。研究所用资料来源于广东某变电站[21], 位于珠江三角洲中部河网地带, 距水源较近, 采用四极法试验测量的电阻率结果如表 3所示。

表 3 沿海区域土壤视在电阻率测量结果 Table 3 Measurement results of the apparent soil resistivity in coastal areas

同样采用最速下降法计算该区域土壤的水平分层结果, 在对土壤垂直分层的处理上, 选用共轭法作为最佳算法, 其RMS误差为7.6%, 具体结果如表 4所示。

表 4 沿海区域土壤结构参数 Table 4 Soil structure parameters in coastal areas

同样模拟1000A故障电流, 计算所得的接触电压与跨步电压的对比如图 45所示。

图 4 两种土壤结构下接触电压对比 Figure 4 Comparison of touch voltage under two kinds of soil structure
图 5 两种土壤结构下跨步电压对比 Figure 5 Comparison of step voltage under two kinds of soil structure

可以看到, 在沿海地区, 垂直水平分层结构下的接触电压和跨步电压均比水平分层结构下的电压要高; 另外, 该地区垂直分层结构下的电压局部分布的倾向性不明显, 总体对称性较强。

3 丘陵上的接地网

丘陵地区多坡面, 这就使得土壤电阻率在沿纵向坡面的方向上具有空间连续性, 变电站覆盖区域土壤就有可能呈现出水平分层与垂直分层共存。研究所用资料来源为宁夏黄土高原地区[22], 所在地区土壤电阻率受地形影响很大。其土壤电阻率测量结果如表 5所示。

表 5 丘陵区域土壤视在电阻率测量结果 Table 5 Measurement results of the apparent soil resistivity in hilly areas

最优的水平分层结构由最速下降法获得, 计算垂直分层结构时选用共轭法, 对应RMS误差为11.5%, 相关数据如表 6所示。

表 6 丘陵区域土壤结构参数 Table 6 Soil structure parameters in hilly areas

模拟1000 A的故障电流, MALT运算后得到两种土壤结构下的安全指标对比如图 67所示。

图 6 两种土壤结构下接触电压对比 Figure 6 Comparison of touch voltage under two kinds of soil structure
图 7 两种土壤结构下跨步电压对比 Figure 7 Comparison of step voltage under two kinds of soil structure

可以看到, 在进行测试的黄土丘陵地区, 垂直分层结构下的接触电压和跨步电压均比水平分层结构下要高; 垂直土壤结构下的跨步电压和接触电压分布也具有局部倾向性。

4 对比与分析

为比较各个地区之间两种土壤结构下的接触电压和跨步电压差异大小, 本研究以偏差百分比作为衡量标准。假设p为两种土壤结构下接触电压的偏差百分比, V1为水平分层结构下的接触电压值, V2为垂直分层结构下的接触电压值。则

$p=\frac{{{V}_{2}}-{{V}_{1}}}{{{V}_{1}}}\times 100%。$ (1)

同理, 假设q为两种土壤结构下跨步电压的偏差百分比, V3为水平分层结构下的跨步电压值, V4为垂直分层结构下的跨步电压值。则

$q=\frac{{{V}_{4}}-{{V}_{3}}}{{{V}_{3}}}\times 100%。$ (2)

在该接地网模型中, 对接触电压, 取观测线y=100m, 分别计算各地区观测线上对应的p值。观测线y=100m的结果如图 8所示。

图 8 各地区两种土壤结构下接触电压差异对比 Figure 8 Difference comparison of touch voltage of different regions under two kinds of soil structure

对跨步电压, 取观测线y=90m, 分别计算各地区观测线上对应的q值, 结果如图 9所示。

图 9 各地区两种土壤结构下跨步电压差异对比 Figure 9 Difference comparison of step voltage of different regions under two kinds of soil structure

总体来说, 各地区均存在垂直土壤结构下接触电压、跨步电压更高的特点, 但安全指标偏差百分比的波动范围在各个地区差别很小, 说明土壤结构不同带来的指标差异与地区本身的关系不大。

另外, 观测线附近各地区垂直土壤结构下的接触电压和跨步电压均比水平土壤结构下要高, 说明在特殊地区进行接地网设计时有必要考虑土壤垂直分层的倾向性。另外可以看到, 在同一地区的垂直分层结构下, 与观测线对应, 山地区域x=100m左右, 沿海区域x=50m左右, 丘陵区域x=60m左右, 为土壤分界面所在, 分界面附近的接触电压和跨步电压偏差百分比均相对较高, 这与垂直分层结构下靠近分界面部分的地电位较高有关。

为了更好地表示这种差异, 选取各地区接触电压和跨步电压的最大值进行偏差百分比计算, 结果如表 7所示。

表 7 电压最大值偏差百分比 Table 7 Voltage maximum deviation percentages

表 7可以得到, 就接触电压而言, 测试地区土壤电阻率越大, 垂直土壤分层结构下的最大电压值相对水平分层结构下的偏差百分比越大; 跨步电压也有类似的规律。这跟土壤电阻率越大, 接地网泄流能力越弱有关。这就说明了在高土壤电阻率的复合分层地区进行变电站接地网设计时更需要考虑垂直土壤结构所带来的影响, 实际操作中可采取增加埋深、增加垂直接地极、增大地网导体直径等方法来强化地网的接地性能。

5 结论

本研究计算了复合分层土壤下的接触电压和跨步电压分布, 并量化了土壤分层结构不同产生的电压分布差异, 给变电站接地网的设计提供了参考。研究结果表明, 地区本身对不同土壤结构所带来的差异影响不大, 在复合分层的土壤地区进行土壤建模时应以垂直分层的模型为主, 必要时可在电阻率变化较大的局部区域增强接地性能以保障人和设备的安全。

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