羅　欣

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京　100088)

牽引變電所接地系統(tǒng)是其安全運(yùn)行的根本保證，所以牽引變電所接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，接地參數(shù)是否能滿足安全需要，在運(yùn)行壽命周期內(nèi)能否起到應(yīng)有的作用，是在牽引變電所設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的問題。

牽引變電所的接地設(shè)計(jì)過程中，對(duì)地網(wǎng)接地電阻的準(zhǔn)確計(jì)算、跨步電位差以及接觸電位差的合理驗(yàn)算才是接地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，另外除盡可能滿足接地電阻的限值之外，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件制定出不同的地網(wǎng)布置方案，并且考慮所內(nèi)接觸電位差和跨步電位差的要求，以達(dá)到均衡接地的目的[1-2]。在校驗(yàn)接觸電位差和跨步電位差滿足設(shè)計(jì)要求之后，適當(dāng)提高變電所要求的接地電阻值，進(jìn)而再采取不同降阻措施，即可在確保設(shè)備及人身安全的前提下節(jié)約工程投資[3-4]。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用于工程中接地參數(shù)解析計(jì)算的方法都是建立在均勻土壤[5-6]，或有條件限制的雙層土壤情況下[7-10]。所以對(duì)于地質(zhì)條件惡劣、嚴(yán)寒凍土等地區(qū)，就無法采用上述文獻(xiàn)中所提供的計(jì)算方法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，這時(shí)就需要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。利用加拿大SES公司開發(fā)的CDEGS軟件包，從不同的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、埋設(shè)深度、敷設(shè)位置等方面綜合評(píng)估地網(wǎng)性能，從而為此類地區(qū)牽引變電所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒方法。

1　季節(jié)性凍土簡述及危害

哈爾濱地區(qū)屬中溫帶，亞干旱大陸性氣候。冬季寒冷漫長，夏季濕熱短暫，春季多風(fēng)。多年平均氣溫3.4～4.7 ℃，平均雨量528.1～527.4 mm，最低氣溫-23.1 ℃，最大積雪深度為39 cm，最大風(fēng)速16.3～24.7 m/s。按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬嚴(yán)寒地區(qū)。

地表普遍存在季節(jié)性凍土，通常每年10月中下旬開始凍結(jié)，3月中旬達(dá)到最大凍深，沿線土壤最大凍深劃分：

哈爾濱站～K54+0002.05 m；

K54+000～牡丹江站1.91 m。

在上述凍土地區(qū)，地表的土壤電阻率會(huì)隨著季節(jié)的變化而改變，通常會(huì)由幾十(Ω·m)增加到上千(Ω·m)，這種程度的變化直接影響到地網(wǎng)的接地性能。當(dāng)接地網(wǎng)埋深于凍土層中，隨著土壤凍結(jié)深度不斷增大，在冰凍季節(jié)，接地網(wǎng)的接地電阻值可能會(huì)達(dá)正常季節(jié)的1.7～3倍[11]，同時(shí)接觸電位差、跨步電位差以及地表電位升等地網(wǎng)參數(shù)也隨之提升。

2　基本邊界條件及計(jì)算參數(shù)

擬建的亞溝牽引變電站站址在距離哈爾濱市阿城區(qū)東南9.5 km處的亞溝鎮(zhèn)，電源供電線采用LGJ-240 mm2；避雷線采用GJ-70 mm2；線路采用雙回路，單獨(dú)架設(shè)；進(jìn)線電壓等級(jí)為220 kV；采用三相V/V接線，主變設(shè)計(jì)容量為2×(16+25) MVA。短路最大入地電流取值為4 kA。

2.1　土壤模型

根據(jù)相關(guān)地勘結(jié)果，牽引所區(qū)域凍土層土壤在夏季土壤電阻率約為100 Ω·m；冬季條件下凍土層土壤電阻率最高可達(dá)5 000 Ω·m。歷年最大凍結(jié)深度取2.05 m。本文土壤模型取值見表1。

表1　土壤模型

2.2　接地網(wǎng)模型

以水平接地網(wǎng)為基礎(chǔ)建立接地網(wǎng)模型，地網(wǎng)參數(shù)如下。

面積：80 m×60 m；

導(dǎo)體間距：10 m；

導(dǎo)體材質(zhì)：50 mm×5 mm鍍鋅扁鋼；

水平地網(wǎng)埋深：-0.8 m。

由于故障電流入地點(diǎn)在接近地網(wǎng)邊緣時(shí)，計(jì)算出的最大接觸電位差和跨步電位差都要偏大[12]，所以本文將短路電流注入點(diǎn)設(shè)置在地網(wǎng)邊角處，具體水平地網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1　10 m×10 m網(wǎng)格模型

2.3　計(jì)算參數(shù)

本文分別仿真計(jì)算了以下4種因素在凍土層形成后對(duì)變電所地網(wǎng)電氣參數(shù)的影響，具體如下：

(1)水平接地網(wǎng)均壓帶網(wǎng)格數(shù)量變化；

(2)單根垂直接地極設(shè)置位置的不同；

(3)垂直接地極長度的不同；

(4)多根垂直接地極設(shè)置數(shù)量、位置的不同。

3　影響接地網(wǎng)電氣參數(shù)的因素分析

3.1　水平接地網(wǎng)網(wǎng)格間距的影響

根據(jù)圖1提出的水平接地網(wǎng)模型，將水平均壓帶網(wǎng)格大小均勻增加，由單一外框變化至2 m×2 m網(wǎng)格的情況進(jìn)行仿真計(jì)算，得出接地電阻、接觸電位差、跨步電位差在不同網(wǎng)格大小情況下的數(shù)值參數(shù)，進(jìn)行比較分析，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　不同網(wǎng)格間距對(duì)電氣參數(shù)值的影響

不同網(wǎng)格大小對(duì)接地電阻的影響曲線見圖2。

圖2　不同網(wǎng)格大小對(duì)接地電阻的影響曲線

不同網(wǎng)格大小對(duì)接觸電位差、跨步電位差的影響曲線見圖3。

圖3　不同網(wǎng)格大小對(duì)接觸電位差、跨步電位差的影響曲線

從表2、圖2與圖3可以看出，接地網(wǎng)的接地電阻值、接觸電位差值以及跨步電位差值均隨著均壓帶網(wǎng)格數(shù)量的增加而降低，從單一外框增加至10 m×10 m共計(jì)48個(gè)網(wǎng)格時(shí)，接地網(wǎng)3個(gè)參數(shù)值均迅速降低，這主要是因?yàn)楫?dāng)均壓帶數(shù)量增多，接地網(wǎng)與土壤接觸面積增加，使得故障電流能夠更快的流入土壤中。

而當(dāng)均壓帶網(wǎng)格由10 m×10 m的48格增加至2 m×2 m的1200格時(shí)，雖然接地網(wǎng)參數(shù)值仍然不斷減小，但是其下降的幅度卻大大降低，這主要是由于導(dǎo)體與土壤接觸面積增加的同時(shí)，導(dǎo)體之間距離不斷減小，導(dǎo)體之間的屏蔽效應(yīng)增加，使得故障電流散流作用減小。故而根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果以及文獻(xiàn)[5]中相關(guān)規(guī)定，優(yōu)先選用5 m×5 m網(wǎng)格的均壓帶布置方式。

由以上結(jié)論可以看出，雖然增加均壓帶網(wǎng)格數(shù)量可以有效地降低地網(wǎng)電氣參數(shù)值，提高地網(wǎng)安全水平，但是僅采用敷設(shè)在凍土層中的水平接地網(wǎng)顯然不能滿足牽引所接地性能的要求，這時(shí)就需采用增加垂直接地極的復(fù)合接地網(wǎng)方式。但與此同時(shí)也必須對(duì)垂直接地極位置、數(shù)量以及長度等因素對(duì)接地電阻、接觸電位差、跨步電位差的影響進(jìn)行分析。

3.2　單根垂直接地極設(shè)置位置的影響

在圖1所示水平接地網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加1根長5 m的純銅管垂直接地極，并將該垂直接地極分別設(shè)置在圖1所示的45、55、56、65、67、75、78、79等共計(jì)8處進(jìn)行仿真計(jì)算，得出單根垂直接地極設(shè)置在不同位置下的接地電阻值、接觸電位差最大值、跨步電位差最大值，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　不同垂直接地極位置對(duì)電氣參數(shù)值的影響

由表3可知，當(dāng)垂直接地極由接地網(wǎng)中心向邊角移設(shè)時(shí)，3個(gè)參數(shù)值都有相應(yīng)的減小，這說明了垂直接地極設(shè)置在接地網(wǎng)邊緣時(shí)能更有效的提高地網(wǎng)安全，降低接地電阻值。不同垂直接地極位置對(duì)電氣參數(shù)值的影響曲線見圖4。

圖4　不同垂直接地極位置對(duì)接地電阻的影響曲線

由圖4可見，垂直接地極設(shè)置于接地網(wǎng)邊角處時(shí)，接地電阻值達(dá)到最小，接地網(wǎng)導(dǎo)體之間的屏蔽作用也最小，故障電流可以較好地利用地網(wǎng)流入大地。但是可以看出，僅僅設(shè)置1根垂直接地極并不能滿足要求，所以接下來將進(jìn)一步分析復(fù)合接地網(wǎng)多根垂直接地極的不同設(shè)置方式。

3.3　垂直接地極長度的影響

在圖1水平接地網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，利用純銅管垂直接地極，并沿地網(wǎng)邊緣每相隔20 m設(shè)置1根，共設(shè)置14根。垂直接地極長度由0 m變化至20 m(深入下層土壤)時(shí)，分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得出復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻值、接觸電位差最大值、跨步電位差最大值，其計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　不同垂直接地極長度對(duì)電氣參數(shù)值的影響

不同垂直接地極長度對(duì)接地電阻值的影響曲線見圖5。

圖5　不同垂直接地極長度對(duì)接地電阻值的影響曲線

不同垂直接地極長度對(duì)接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線見圖6。

圖6　垂直接地極長度對(duì)接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線

由表4可以看出，垂直接地極的長度與接地網(wǎng)電氣參數(shù)值有著密切的聯(lián)系，垂直接地極越長，則接地電阻值、接觸電位差值、跨步電位差值都在降低，這說明了垂直接地極具有非常有效的散流作用。

根據(jù)圖5及圖6所示，當(dāng)垂直接地極埋設(shè)于凍土層中時(shí)(當(dāng)垂直接地極設(shè)置長度小于1.2 m時(shí))，接地網(wǎng)電氣參數(shù)緩慢降低，效果并不是很明顯，但當(dāng)垂直接地極長度大于1.25 m時(shí)(垂直接地極長度超過1.25 m，埋設(shè)深度超過凍土層2.05 m)，垂直接地極與下層低電阻率土壤接觸后，接地網(wǎng)電氣參數(shù)值迅速下降。隨著垂直接地極的不斷加長，接地網(wǎng)電氣參數(shù)值降低速度又逐漸減緩，所以垂直接地極的設(shè)置并非越長越好，相反，若設(shè)置過長的垂直接地極，不但不能有效提高接地網(wǎng)的安全性能，反而增加了施工難度，提高了工程成本，得不償失。

3.4　多根垂直接地極設(shè)置數(shù)量、位置的不同

在圖1水平接地網(wǎng)設(shè)置的基礎(chǔ)上，增加長5 m，純銅管垂直接地極，并從垂直接地極設(shè)置的數(shù)量、位置綜合考慮，即分別從沿邊緣稀疏分布、沿邊緣密集分布、邊緣分布+中心分布等方面對(duì)接地網(wǎng)電氣參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，具體垂直接地極分布方案及對(duì)應(yīng)接地電阻值、接觸電位差值、跨步電位差值計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　垂直接地極分布對(duì)電氣參數(shù)值的影響

由表5可知，增加垂直接地極的數(shù)量對(duì)于提高接地網(wǎng)性能十分有效，增加沿邊緣設(shè)置的垂直接地極數(shù)量能更直接提高接地網(wǎng)性能，相應(yīng)地若保持邊緣垂直接地極數(shù)量不變，在接地網(wǎng)中央增加垂直接地極，雖亦能有效降低接地電阻等電氣參數(shù)的值，但是效果并不如僅沿邊緣設(shè)置垂直接地極明顯。

垂直接地極分布對(duì)接地電阻電壓值的影響曲線見圖7。

圖7　垂直接地極分布對(duì)接地電阻電壓值的影響曲線

垂直接地極分布對(duì)接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線見圖8。

圖8　垂直接地極分布對(duì)接觸電位差值、跨步電位差值的影響曲線

從圖7、圖8可以更清楚地看出，當(dāng)垂直接地極設(shè)置在邊緣且埋設(shè)深度深入凍土層以下時(shí)，增加垂直接地極數(shù)量有明顯的降阻跟降低接觸電位差值、跨步電位差值的效果，但是隨著數(shù)量不斷增加，這種降低效果逐漸減弱，這說明垂直接地極的利用率也隨之減小，所以需要根據(jù)凍土環(huán)境、凍深等實(shí)際情況選擇垂直接地極的數(shù)量及分布，在接地網(wǎng)投資與接地網(wǎng)性能間尋找一個(gè)平衡。

通過對(duì)水平接地網(wǎng)、垂直接地極不同因素對(duì)于接地網(wǎng)電氣參數(shù)的影響分析，并且結(jié)合文獻(xiàn)[5]中相關(guān)規(guī)定，在采用水平接地網(wǎng)與垂直接地極相結(jié)合的負(fù)荷接地網(wǎng)方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合垂直接地極的長度、位置綜合確定。

4　接地方案的仿真計(jì)算與分析

4.1　跨步電位差和接觸電位差規(guī)范限值要求

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中附錄C，即式C.0.1-1與式C.0.1-2計(jì)算，可計(jì)算出變電所接地裝置的接觸電位差和跨步電位差的安全限值，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6　接觸電位差和跨步電位差設(shè)計(jì)限值

由此可見，當(dāng)表層土壤電阻率很高時(shí)，接觸電位差及跨步電位差的限值也相應(yīng)升高，其中跨步電位差的安全限值相較接觸電位差還要高出很多，所以在本文將冰凍時(shí)期接地網(wǎng)接觸電位差的數(shù)值作為本工程接地網(wǎng)性能的主要研究參數(shù)。

4.2　接地方案的提出

根據(jù)亞溝牽引所土壤現(xiàn)狀，提出3個(gè)接地網(wǎng)方案，具體如下。

(1)深埋水平接地網(wǎng)方案。凍土層對(duì)地網(wǎng)安全性能的影響主要是因?yàn)椋乇韮鐾翆釉诮鈨龊捅鶅銮闆r下來回轉(zhuǎn)換，使得地表凍土層土壤電阻率發(fā)生翻天覆地的變化，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)敷設(shè)在凍土層中時(shí)，因冰凍時(shí)期土壤電阻率極速升高，將會(huì)導(dǎo)致地網(wǎng)接地電阻等參數(shù)的升高，無法保證人員安全。但是在一般情況下凍土層下層中的土壤電阻率卻是相對(duì)恒定的，因此當(dāng)下層土壤為低電阻率性能時(shí)，可以考慮將水平地網(wǎng)深埋至非凍土層中，以降低高電阻率凍土對(duì)接地性能的影響[13]。根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]中規(guī)定，季節(jié)性凍土層或季節(jié)性干旱形成的高電阻率層的厚度較淺時(shí)，可將接地網(wǎng)埋在高電阻率層下0.2 m。不過對(duì)于高電阻率層的厚度深淺無明顯的界定，再結(jié)合文獻(xiàn)[14]中的論述，此方案可以用于凍土層深度小于1 m的淺凍土層地區(qū)。

像本工程處于我國東北地區(qū)，雖然土質(zhì)大多為具有良好導(dǎo)電性的低電阻率土壤，但是凍土層較深，冬季最大凍結(jié)深度可超2 m，此時(shí)將接地網(wǎng)全部敷設(shè)在凍土層以下顯然不是一種最好的解決方案，所以本文不再對(duì)深埋水平接地網(wǎng)方案進(jìn)行分析研究。

(2)復(fù)合接地網(wǎng)。在凍土層較深地區(qū)，采用垂直接地極深入凍土層以下，可以有效分走故障電流，亦能夠明顯降低接地電阻、改善地表電位分布。因此推薦此方法作為解決凍土地區(qū)地網(wǎng)安全性能的有效方案。

(3)水平地網(wǎng)非等間距布置。該方案的基本原理是減少地網(wǎng)中部均壓帶的數(shù)量，一是能改善導(dǎo)體的電流分布；二是使地網(wǎng)各網(wǎng)孔的接觸電位差更趨于平衡。水平地網(wǎng)導(dǎo)體按指數(shù)規(guī)律分布既可以有效降低地表電位梯度，也被證明是一種安全可行的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)置的關(guān)鍵點(diǎn)就是尋找到最優(yōu)壓縮比C0[15]。

4.3　亞溝牽引變電所接地網(wǎng)方案及計(jì)算

根據(jù)上文所述，并且結(jié)合影響地網(wǎng)電氣參數(shù)的4種因素，以亞溝牽引變電所為例，設(shè)置埋深0.8 m的水平接地網(wǎng)，并輔以設(shè)置垂直接地極，采用復(fù)合接地網(wǎng)方案。復(fù)合接地網(wǎng)具體設(shè)置方案如下。

方案1：水平地網(wǎng)采用5 m×5 m網(wǎng)格，沿邊緣相隔10 m均勻設(shè)置28根5 m垂直接地極，地網(wǎng)中央均勻設(shè)置18根5 m垂直接地極。

方案2：水平地網(wǎng)采用5 m×5 m網(wǎng)格，沿邊緣相隔10 m均勻設(shè)置28根5 m垂直接地極，地網(wǎng)中央不設(shè)置垂直接地極。

方案3：水平地網(wǎng)采用5 m×5 m網(wǎng)格，沿邊緣相隔10 m均勻設(shè)置28根10 m垂直接地極，地網(wǎng)中央不設(shè)置垂直接地極。

方案4：將方案三中水平地網(wǎng)優(yōu)化為非等間距網(wǎng)格布置，邊緣稀疏均勻設(shè)置28根10 m垂直接地極，地網(wǎng)中央不設(shè)置垂直接地極。

以上所述4種方案仿真計(jì)算結(jié)果見表7。

表7　復(fù)合地網(wǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表7的仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)于牽引變電所，牽引所站址大小一經(jīng)確定，地網(wǎng)面積隨之確定，此時(shí)采用復(fù)合接地網(wǎng)方案可以有效降低接地電阻值，亦能很好地控制接觸電位差值與跨步電位值。

以上4種復(fù)合接地網(wǎng)的方案，在接觸電位差、跨步電位差的指標(biāo)上，都能夠滿足地網(wǎng)參數(shù)限值要求。故而在嚴(yán)寒地區(qū)新建鐵路牽引變電所時(shí)，采用復(fù)合地網(wǎng)方案是可行的。

(1)方案1/方案2：在任何季節(jié)的土壤條件下，所內(nèi)區(qū)域的接地網(wǎng)電氣參數(shù)值都能滿足規(guī)范要求，相對(duì)于其他方案，該兩種方案采用的5 m長垂直接地極較短，更利于施工。

(2)方案3：將方案1/方案2中的垂直接地極的長度增加至10 m，水平接地網(wǎng)還是采用5 m×5 m網(wǎng)格均壓帶，此方案在任何季節(jié)條件下接地網(wǎng)電氣參數(shù)值都能達(dá)到規(guī)范對(duì)于地網(wǎng)安全上限的要求，保證牽引變電所的安全運(yùn)行，但是相較于前兩個(gè)方案，采用10 m長垂直接地極，增加了投資，同時(shí)也增加了接地網(wǎng)施工難度。

(3)方案4：由表7得，當(dāng)上層土壤的土壤電阻率大于下層土壤時(shí)，采用非等間距布置接地網(wǎng)的接地電阻、接觸電位差以及跨步電位差相較于等間距布置地網(wǎng)偏大，同時(shí)參考文獻(xiàn)[16]得出的結(jié)論，在季節(jié)性凍土地區(qū)，凍土地區(qū)表層土壤電阻率大于深層土壤電阻率時(shí)，接地網(wǎng)內(nèi)均壓帶宜優(yōu)先采用等間距布置方式，以使地網(wǎng)達(dá)到最佳效果。

根據(jù)表7計(jì)算結(jié)果，亞溝牽引變電所的接地方案，推薦采用方案1。方案1正常季節(jié)及冰凍季節(jié)接觸電位差三維分布分別見圖9、圖10。

圖9　方案1正常季節(jié)接地網(wǎng)接觸電位差示意

圖10　方案1冰凍季節(jié)接地網(wǎng)接觸電位差示意

該方案在冰凍季節(jié)，由于垂直接地極能夠與下層土壤電阻率低的區(qū)域接觸，起到了很好的散流作用，接觸電位差值、跨步電位差值均能夠滿足規(guī)范限值要求。

5　結(jié)語

以新建哈牡線亞溝牽引變電所為例建立仿真計(jì)算模型，對(duì)水平接地網(wǎng)均壓帶設(shè)置情況、垂直接地極設(shè)置位置、長度及數(shù)量等因素對(duì)于接地性能的影響進(jìn)行了分析，即通過調(diào)整水平接地網(wǎng)均壓帶網(wǎng)格以及垂直接地極設(shè)置的不同，能夠很好地調(diào)整提高牽引所接地網(wǎng)的電氣性能。

研究了在嚴(yán)寒地區(qū)，地表凍土電阻率遠(yuǎn)大于下層低阻區(qū)域時(shí)，變電所地網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路，并且提出了可用于工程設(shè)計(jì)的可行方向。另外關(guān)于寒冷地區(qū)牽引所接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不能簡單盲目地降低接地電阻值。可以通過計(jì)算和實(shí)地測量等各種方法對(duì)所內(nèi)地表電位的分布進(jìn)行計(jì)算，做到有的放矢的采取相應(yīng)的措施，節(jié)約投資，保障設(shè)備和人員的安全。

在某些凍土地區(qū)，特別是永凍區(qū)域等，變電站接地網(wǎng)實(shí)施時(shí)存在設(shè)計(jì)方案實(shí)施難度大，經(jīng)濟(jì)極不合理時(shí)，可依據(jù)現(xiàn)場狀況進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)對(duì)研究范圍內(nèi)接觸電位差、跨步電位差及轉(zhuǎn)移電勢進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)這些參數(shù)均滿足要求時(shí)，可稍微放寬接地電阻的限值，從而使?fàn)恳镜鼐W(wǎng)設(shè)計(jì)更加合理。

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