程凌云, 向念文, 徐宗奇, 王立天, 樊春雷, 趙海軍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司,北京 100070; 3.中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司,天津 300250)

高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)是隱蔽工程,主要作用是滿足變電站一、二次側(cè)系統(tǒng)的接地需求,同時保護(hù)站內(nèi)設(shè)備與人員的安全[1]。工頻接地短路和雷電沖擊是造成高速鐵路牽引變電站故障的重要原因[2],通常國內(nèi)牽引變電站接地網(wǎng)設(shè)計多以接地阻抗值作為唯一評價指標(biāo)[3],隨著高速鐵路的迅速發(fā)展,在一些土壤條件惡劣的地區(qū),按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以滿足接地阻值小于0.5 Ω的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[4],在變電站發(fā)生工頻接地故障或遭受雷電沖擊時,站內(nèi)的設(shè)備及人員存在安全隱患[5-6]。2013年7月,京滬高鐵德州東站遭受雷擊,雷擊引起地電位升高致使二次側(cè)212保護(hù)板燒毀;2017年8月,京廣高鐵董家牽引變電站發(fā)生絕緣子閃絡(luò)跳閘事故,由于跳閘供電桿處接地阻抗超標(biāo),導(dǎo)致其地電位升高擊穿了開關(guān)設(shè)備箱。為了避免此類事故的再次發(fā)生,需對現(xiàn)有變電站接地網(wǎng)安全性能進(jìn)行重新評價和改造。因此,可靠的接地網(wǎng)安全性能評價是高速鐵路供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。

除了我國之外,德國、英國、法國、日本等國家也擁有高速鐵路,但由于上述地區(qū)存在緯度較高、雷電活動稀疏及高鐵運(yùn)營里程較短等原因,相關(guān)研究較少[7-8]。國內(nèi)牽引變電站接地網(wǎng)設(shè)計方法主要依賴于GB/T 50065—2011計算方法進(jìn)行接地阻抗安全限值計算[9],或通過軟件仿真計算接觸電壓及跨步電壓。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用CDEGS軟件中RESAP和MALZ模塊構(gòu)建了牽引變電站土壤和接地網(wǎng)模型,將計算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了比較;文獻(xiàn)[11]通過改變接地網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)獲得相對安全的接觸電壓或跨步電壓等指標(biāo),給出了評價指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù),并提出了評價方法;文獻(xiàn)[12]建立了電磁暫態(tài)仿真計算模型,得出牽引變電站遭受雷擊后站內(nèi)地表的電位分布,優(yōu)化了變電站工頻條件下的地網(wǎng)安全評價方法。然而,以上文獻(xiàn)對牽引變電站接地網(wǎng)評價過于單一,無法全方位地反映接地網(wǎng)性能,導(dǎo)致設(shè)計上存在缺陷,帶來一定的安全隱患,影響牽引變電站的安全可靠運(yùn)行,因此迫切需要建立一個多維度的高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)評價體系。

本文建立了高速鐵路牽引變電站三維電磁暫態(tài)仿真計算模型,使用矩量法和傅里葉變換,研究接地網(wǎng)工頻入地短路電流暫態(tài)特性與雷擊暫態(tài)散流和地電位分布特性,以牽引變電站工頻接地狀態(tài)下接地阻抗、接地網(wǎng)接觸電壓、跨步電壓以及雷電沖擊狀態(tài)下接地網(wǎng)的地電位升(ground potential rise,GPR)、網(wǎng)孔電位差作為接地網(wǎng)安全性的評價指標(biāo),進(jìn)行高速鐵路牽引變電站安全性能評價。

1 安全性能評價的分析方法

采用電磁計算法分析安全性能評價指標(biāo),通過分析求解場域,構(gòu)造場域方程確定邊界條件,再通過解析或者有限元的方法對場域方程進(jìn)行求解,將整個接地網(wǎng)及周圍得到介質(zhì)都看作場域一部分進(jìn)行分析[13]。

接地網(wǎng)的接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓等指標(biāo)與電流在接地網(wǎng)中的分布密切相關(guān)。因此,進(jìn)行接地網(wǎng)安全性能評估計算的關(guān)鍵是接地導(dǎo)體中漏電流的分布。

高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)的占地面積較大,電位分布非等電位,為計算其接地網(wǎng)的性能,將接地網(wǎng)分為許多短導(dǎo)體,選取短導(dǎo)體上漏電流作為變量,且設(shè)漏電流在每一根短導(dǎo)體上由其中心軸線均勻流出,根據(jù)各導(dǎo)體表面電位的連續(xù)性這一條件,建立下列方程[14]：

(1)

由于導(dǎo)體內(nèi)外表面兩端的電位差值相等,可以得到:

(2)

假設(shè)一個被分為k段的接地網(wǎng),其中第k段的導(dǎo)體與其他導(dǎo)體段的連接情況如圖1所示。圖1中,k、k-、k+分別為第k段的中點(diǎn)和2個端點(diǎn)。φk為由所有導(dǎo)體段的漏電流在各導(dǎo)體段中點(diǎn)處產(chǎn)生的電位,計算公式為：

(3)

(4)

圖1 接地網(wǎng)局部

(5)

(6)

將(3)式代入(5)式,(5)式或(6)式代入(4)式,經(jīng)整理可以得到僅有各段導(dǎo)體漏電流的等式,即

(7)

結(jié)合(7)式,建立以各段導(dǎo)體段上的漏電流為未知數(shù)的線性代數(shù)方程組,即

(8)

對上述方程進(jìn)行求解可得各導(dǎo)體段上的漏電流,從而計算包括接地網(wǎng)接地阻抗、接地網(wǎng)接觸電壓、跨步電壓、網(wǎng)孔電位差及地電位升等牽引變電站接地網(wǎng)安全性能評價指標(biāo)。

2 接地網(wǎng)安全性能評價案例

徐州牽引變電站接地網(wǎng)模型如圖2所示。結(jié)合徐州高速鐵路220 kV牽引變電站進(jìn)行接地網(wǎng)安全性能評價,由圖2可知,該牽引變電站接地網(wǎng)長89 m,寬79 m,總面積約7 030 m2;水平接地體為截面積185 mm2純銅絞線,埋深0.6 m,總長度為2 260 m。垂直接地體為106根外徑50 mm、壁厚4 mm、長2.5 m的紫銅管。

設(shè)土壤模型為均勻無限大結(jié)構(gòu),電阻率為50 Ω·m,其電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為常數(shù),激勵注入點(diǎn)見圖2。

圖2 徐州牽引變電站接地網(wǎng)模型

2.1 接地網(wǎng)工頻接地狀態(tài)分析

2.1.1 接地阻抗分析

接地阻抗是反映接地網(wǎng)泄流能力的宏觀指標(biāo),是高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)設(shè)計的重要參數(shù),用接地阻抗進(jìn)行直觀的接地網(wǎng)性能評價是方便快捷的。在均勻土壤中,根據(jù)IEEE Std.80—2000中的Schwarz公式[15]來確定含有垂直接地體的接地網(wǎng)接地阻抗,即

(9)

其中,R1為接地網(wǎng)水平接地導(dǎo)體電阻;R2為所有垂直接地體的接地阻抗;R12為接地網(wǎng)水平接地導(dǎo)體和所有垂直接地體之間的互阻。

將徐州牽引變電站接地網(wǎng)數(shù)據(jù)代入(9)式,得出接地阻抗值為0.282 Ω,通過點(diǎn)匹配矩量法得到的接地阻抗值為0.269 Ω;若結(jié)果相差在5%以內(nèi),則可認(rèn)為接地阻抗實(shí)際阻值接近0.27 Ω。因?yàn)樵摖恳冸娬久娣e不大且土壤電阻率較低,所以接地阻抗值小于0.5 Ω為安全,即該變電站滿足接地阻抗的安全評價指標(biāo)。

2.1.2 接觸電壓、跨步電壓及GPR分析

在實(shí)際工程設(shè)計中,僅依賴于接地阻抗一項指標(biāo)來評價接地網(wǎng)的安全性存在著一定的隱患。當(dāng)故障電流由注入點(diǎn)向周圍土壤流散時,會在土壤中產(chǎn)生壓降形成地表電位分布,此時附近人員用手去接觸與接地體相連接的物體時,手腳的電位不同會形成接觸電位差,同理人員走動時兩腳之間會形成跨步電位差。因此,需充分考慮在工頻接地狀態(tài)下,接地網(wǎng)接觸電壓、跨步電壓對人員安全的影響,以及地電位升對設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行的影響,基于上述指標(biāo)對接地網(wǎng)安全性展開進(jìn)一步的評價。

根據(jù)文獻(xiàn)[1,16],工頻接地短路電流取經(jīng)過接地網(wǎng)流入大地的最大短路電流9 kA,分別通過頻域矩量法得出徐州牽引變電站站內(nèi)接觸電壓、跨步電壓及地電位升,而后通過不等間距接地網(wǎng)地電位升、接觸電壓和跨步電壓計算公式[17]對矩量法計算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。安全電壓閾值參考IEEE Std80—2000,其中故障時間為0.5 s,表層土壤電阻率為2 000 Ω·m,厚度為15 cm。結(jié)果見表1所列。

表1 2種方法得到的接觸電壓、跨步電壓和GPR最大值 V

由表1可知,基于矩量法的結(jié)果,徐州牽引變電站原始接地網(wǎng)的接觸電壓最大值為679 V,超過安全閾值27.2%,而跨步電壓最大值為187 V,遠(yuǎn)低于其安全電壓閾值1 669 V,GPR的最大值為2 376 V,遠(yuǎn)低于二次設(shè)備網(wǎng)孔電壓耐受值4 kV[18],結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 接地網(wǎng)接觸電壓三維圖

圖4 接地網(wǎng)跨步電壓三維圖

圖5 接地網(wǎng)GPR三維圖

通過上述分析,可確定站內(nèi)跨步電壓和GPR均在安全電壓閾值以內(nèi),接觸電壓超過其安全電壓閾值,存在一定的安全隱患,需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行例如增加垂直接地極數(shù)量和長度、改變接地導(dǎo)體的直徑、水平接地導(dǎo)體外擴(kuò)等改進(jìn)措施。

對接地網(wǎng)模型進(jìn)行改進(jìn)后,站內(nèi)接觸電壓最大值降為328 V,如圖6所示,符合安全電壓閾值。此時,接地網(wǎng)滿足接觸電壓、跨步電壓和GPR評價指標(biāo)。

圖6 改進(jìn)后接地網(wǎng)接觸電壓三維圖

2.2 接地網(wǎng)雷電沖擊狀態(tài)分析

高速鐵路牽引變電站發(fā)生雷擊事故時,大量的雷電沖擊電流會注入變電站接地系統(tǒng),使得接地網(wǎng)瞬態(tài)電位大幅提升,直接威脅到變電站二次系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此,需要進(jìn)行變電站雷擊狀態(tài)下的接地網(wǎng)安全性能評價。

基于牽引變電站原始接地網(wǎng)和本文2.1中根據(jù)工頻接地安全指標(biāo)改進(jìn)的接地網(wǎng),建立了牽引變電站接地網(wǎng)雷擊瞬態(tài)三維電磁場計算模型,為了使研究內(nèi)容具有典型意義,雷電沖擊電流波形采用8/20 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形,取反映最嚴(yán)苛情況的變電站西北角避雷針注入幅值30 kA,依據(jù)目前雷電觀測結(jié)論,雷電流主要能量分布在數(shù)百kHz以內(nèi),參考雷電波形FFT分析結(jié)果,在保證分辨率的前提下,頻率選擇在0～7 MHz內(nèi),計算結(jié)果擬合獲得距雷擊點(diǎn)不同橫向距離地網(wǎng)電位分布特性如圖7所示。

由圖7的擬合結(jié)果分別得到原始接地網(wǎng)與改進(jìn)后接地網(wǎng)的網(wǎng)孔電位差,見表2所列。

結(jié)合圖7、表2可知,30 kA雷電流引起徐州牽引變電站原始接地網(wǎng)最大電位升為27.6 kV,網(wǎng)孔電位差最高達(dá)10.3 kV,距電流注入點(diǎn)16 m內(nèi)網(wǎng)孔電位差均已超過二次側(cè)設(shè)備4 kV的耐受值。在相同條件下,改進(jìn)后的接地網(wǎng)最大電位升為26.3 kV,網(wǎng)孔電位差最高為10.1 kV,同樣網(wǎng)孔電位差在距注入點(diǎn)16 m處超過設(shè)備耐受值。

表2 雷電沖擊下的接地網(wǎng)網(wǎng)孔電位差

由上述可知,改進(jìn)后的接地網(wǎng),其工頻接地狀態(tài)下的接觸電壓、跨步電壓水平有顯著改善,但對雷電沖擊狀態(tài)下的接地網(wǎng)網(wǎng)孔電位差無顯著影響。因此,針對徐州牽引變電站,建議在條件允許的情況下,將二次設(shè)備、二次回路及二次電纜等,布置在與避雷針及出線架構(gòu)距16 m以外處,同時完善變電站二次系統(tǒng)和二次線纜的接地、屏蔽、電源和信號系統(tǒng)的SPD選型等環(huán)節(jié),以滿足雷電沖擊下的評價指標(biāo)。

3 接地網(wǎng)安全性能評價指標(biāo)

牽引變電站接地網(wǎng)的合理設(shè)計是保證變電站安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,針對接地網(wǎng)設(shè)計的評價,多以接地阻抗值小于0.5 Ω作為衡量其性能的唯一指標(biāo),但通過上述對徐州高速鐵路牽引變電站的多個指標(biāo)的評價,發(fā)現(xiàn)了接地網(wǎng)在接地阻抗?jié)M足要求的情況下,工頻接地狀態(tài)下變電站內(nèi)局部接觸電壓及雷電沖擊狀態(tài)下局部網(wǎng)孔電位差超過安全標(biāo)準(zhǔn)值,故僅以接地阻抗的指標(biāo)來評價接地網(wǎng)的安全性具有一定的局限性。

接地網(wǎng)設(shè)計應(yīng)從設(shè)備和人員的安全角度出發(fā),充分注重其GPR、接觸電壓及跨步電壓等工頻接地狀態(tài)下的評價指標(biāo),同時,雷擊作為引起牽引變電站故障的重要原因,其引起的接地網(wǎng)GPR在高于4 kV時會直接影響到二次側(cè)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此,需結(jié)合上述工頻接地狀態(tài)下的接地阻抗、接地網(wǎng)電位升、接觸電壓、跨步電壓以及雷電沖擊狀態(tài)下接地網(wǎng)電位升、網(wǎng)孔電位差等評價指標(biāo)進(jìn)行多維度的高速鐵路牽引變電站接地網(wǎng)安全性能評價。

4 結(jié) 論

本文針對徐州牽引變電站接地網(wǎng),基于矩量法建立了接地網(wǎng)仿真模型,從變電站工頻接地和雷電沖擊2個方面進(jìn)行接地網(wǎng)安全性能的評價,得到如下結(jié)論:

(1) 在接地網(wǎng)接地阻抗?jié)M足安全標(biāo)準(zhǔn)的情況下,工頻接地狀態(tài)下的接觸電壓在接地網(wǎng)邊緣處超過安全閾值27.2%,該牽引變電站工頻接地狀態(tài)下存在一定的安全隱患。

(2) 雷電沖擊狀態(tài)下的網(wǎng)孔電位差在以注入點(diǎn)為圓心的16 m范圍內(nèi)均不滿足安全電壓標(biāo)準(zhǔn)。建議在條件允許的情況下,將二次設(shè)備、二次電纜與潛在雷擊點(diǎn)引下線接地點(diǎn)的距離控制在16 m以上,否則應(yīng)增加浪涌保護(hù)器等防護(hù)措施。

(3) 對接地網(wǎng)進(jìn)行增加垂直接地極數(shù)量和長度、改變接地導(dǎo)體的直徑及水平接地導(dǎo)體外擴(kuò)等改進(jìn)后,工頻接地狀態(tài)下的接觸電壓、跨步電壓水平有明顯下降,但雷電沖擊狀態(tài)下的GPR和網(wǎng)孔電位差沒有顯著的變化。