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  应用科技  2018, Vol. 45 Issue (5): 67-70  DOI: 10.11991/yykj.201712008
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引用本文  

苏秀兰. 基于IEEE Std 80-2013的400 kV开关站接地计算及仿真研究[J]. 应用科技, 2018, 45(5), 67-70. DOI: 10.11991/yykj.201712008.
SU Xiulan. Calculation and simulation of the ground grid of 400 kV substation based on IEEE Std 80-2013[J]. Applied Science and Technology, 2018, 45(5), 67-70. DOI: 10.11991/yykj.201712008.

通信作者

苏秀兰,E-mail:sxl771218@163.com

作者简介

苏秀兰(1980−),女,工程师

文章历史

收稿日期:2017-12-14
网络出版日期:2018-07-17
基于IEEE Std 80-2013的400 kV开关站接地计算及仿真研究
苏秀兰1,2    
1. 成都英华科技有限公司,四川 成都 610041;
2. 四川兴元电力设计有限公司,四川 成都 610021
摘要:为探讨400 kV开关站地网接地电阻和安全性能参数是否符合设计要求,使用CDEGS软件和IEEE Std 80-2013进行计算,分析比较2种方法在土壤电阻率的数据整理分析、地电位升、接触电压、跨步电压等多方面的差异。结果表明,采用CDEGS软件和IEEE Std 80-2013两种分析结果基本一致。
关键词接地网    接地电阻    接触电压    跨步电压    地电位升    开关站    地网模型    地网参数    IEEE Std 80-2013    
Calculation and simulation of the ground grid of 400 kV substation based on IEEE Std 80-2013
SU Xiulan1,2    
1. Chengdu Yinghua Technology Co., Ltd., Chengdu 610041, China;
2. Sichuan Xingyuan Electric Power Design Limited Company, Chengdu 610021, China
Abstract: In order to investigate whether the grounding resistance and safety performance parameters of the ground grid of the 400 kV switch station meet the design requirements, the CDEGS software and IEEE Std 80-2013 are used to calculate them; and then analyze and compare their differences in many aspects such as data sorting and analysis of soil resistivity, ground potential rise, contact voltage and step voltage etc. The results show that these two kinds of analysis results of CDEGS software and IEEE Std 80-2013 are coincident basically.
Keywords: grounding grid    earthing resistance    touch voltage    step voltage    ground potential rise    powerstation    ground grid model    ground grid parameter    IEEE Std 80-2013    

接地网是保证电气系统安全运行和维护人身安全的重要措施。接地事故发生时,接地网有减少人员接触电压、跨步电压和转移电压,抑制对地电位升,防止绝缘破坏,消除放电火花等作用;正常运行时,有维持电源相电压稳定、维持信号参考电位稳定、电磁场屏蔽、消除静电感应等作用[1-2]

目前电力系统接地网的设计主要参考GB/T 50065-2011交流电气装置的接地设计规范[3]中提供的公式进行计算接地电阻、接触电压、跨步电压,该规范人工接地极工频接地电阻的计算参考了已废除的DL/T 621-1997,而接触电压和跨步电压参考了IEEE Std 80-2000。以上3个规范均是基于均匀土壤环境下的计算方法,只能计算最大接触电压和最大跨步电压值,不能反映地网中每一点的电位分布、接触电压和跨步电压情况,对接地网施工图设计的深度远远不够,而对于复杂土壤环境情况下的地网计算更为困难。因此有必要使用CDEGS软件进行仿真分析,并与IEEE Std 80-2013的计算结果进行比较,最终优化地网设计。

1 工程概况

某开关站位于乌干达尼罗河上,是水电站工程枢纽的一部分。400 kV开关站入地短路电流值为11.959 kA,故障切除时间1 s;地网357 m×357 m,初步设计地网均压带距离为12 m;水平接地极采用120 mm2纯铜绞线,垂直接地极采用Φ20 mm×2 500 mm纯铜接地棒;接地电阻不大于1 Ω。

2 开关站土壤电阻率数据分析 2.1 IEEE Std 80-2013计算方法

采用温纳四极法[4]对开关站土壤电阻率进行了详细勘测,测试极间间距1~80 m,结果表明土壤水平分布较为均匀,垂直方向各层间电阻率变化比较缓慢。参考IEEE Std 80-2013,本开关站土壤电阻率可取其平均值216.33 Ω·m做为设计参数。

2.2 CDEGS软件建模仿真

根据项目的地质勘测报告,逐个数据输入CDEGS软件的RESAP土壤分析模块,仿真结果如图1表1所示。

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图 1 土壤电阻率分层结果
表 1 土壤电阻率成果计算
3 开关站地网最大允许接触电压和跨步电压

相比较而言,体重50 kg的人比体重70 kg的人承受的最大接触电压和跨步电压要低,所以设计中考虑50 kg的人承受的最大接触电压和跨步电压[5-7]

1)可承受的最大跨步电压值(体重50 kg):

${{E}}_{{\rm{step}}}^{} = {\rm{(1 \; 000}} + {6{C_s}} \cdot {{\rm{\rho }}_{\rm{s}}}{\rm{)}}\frac{{{\rm{0}}{\rm{.116}}}}{{\sqrt {{{{t}}_{{s}}}} }}$

2)可承受的最大接触电压值(体重50 kg):

${{{E}}_{{\rm{touch}}}} = {\rm{(1 \; 000}} + {\rm{1.5}}{{C_s}} \cdot {{\rm{\rho }}_{\rm{s}}}{\rm{)}}\frac{{{\rm{0}}{\rm{.116}}}}{{\sqrt {{{{t}}_{{s}}}} }}$

式中:Estep是最大跨步电压值,V;Etouch是最大接触电压值,V;ρs是地面材料的电阻率,Ω·m;ts是短路电流持续时间,s。

确定地面表层降级系数Cs

$ {C_s} = 1 - \frac{{0.09\displaystyle \left( {1 - \frac{\rho }{{{\rho _s}}}} \right)}}{{2{h_s} + 0.09}} $

式中:hs是地面表层材料的厚度,m;ρ是原土电阻率,Ω·m。

开关站地网上层铺设土壤电阻率选择大于3 000 Ω·m的碎石,厚度0.2 m。相关参数如下:ρ=216.33 Ω·m,ρs=3 000 Ω·m,hs=0.2 m。求解Estep=1 848.15 V;Etouch=549.03 V。

4 基于IEEE Std 80-2013的计算 4.1 接地电阻计算

1)地网的接地电阻

${R_1} = \frac{\rho }{{{\rm{\pi }}{L_c}}}\left[ {\ln \left( {\frac{{2{L_c}}}{{\alpha '}}} \right) + \frac{{{k_1} \cdot {L_c}}}{{\sqrt A }} - {k_2}} \right]$

式中:ρ是土壤电阻率,Ω·m;Lc是所有相连地网导体的总长度,m; $\alpha '$ = $\sqrt {\alpha \cdot 2h} $ ,2α是导体的直径,m;A是导体覆盖的面积,m2k1k2是系数[6]

2)垂直接地极组的接地电阻

${{{R}}_{\rm{2}}} = \frac{\rho }{{{\rm{2}}\pi {n_R}{{{L}}_{\rm{r}}}}}\left[{\rm{ln}}\frac{{{\rm{4}}{{{L}}_{\rm{r}}}}}{b}{\rm{)}} - {\rm{1}} + \frac{{{\rm{2}}{{{K}}_{\rm{1}}} \times {{{L}}_{\rm{r}}}}}{{\sqrt {{A}} }}{{\rm{(}}\sqrt {{{{n}}_{{R}}}} - {\rm{1)}}^{\rm{2}}}{\rm{}}\right]$

式中:Lr是每根接地极的长度,m;2b是接地极的直径,m;nR是面积A中放置接地极的数量。

3)地网和接地极组的交互接地电阻

${R_m} = \frac{\rho }{{{\rm{\pi }}{L_c}}}\left[ {\ln \left( {\frac{{2{L_c}}}{{{L_r}}}} \right) + \frac{{{k_1} \cdot {L_c}}}{{\sqrt A }} - {k_2} + 1} \right]$

4)把地网电阻、接地极组电阻和交互电阻综合起来计算系统的总电阻Rg

${R_g} = \frac{{{R_1}{R_2} - {R_m}^2}}{{{R_1} + {R_2} - 2{R_m}}}$

式中:R1是地网导体的接地电阻,Ω;R2是所有接地极的接地电阻,Ω;Rm是地网导体组R1和接地极组R2之间的交互接地电阻,Ω。

相关参数:ρ = 216.33 Ω·m,Lc = 22 134 m, $\alpha '$ =0.123 m,k1 = 1.375,k2 = 5.67,nR = 106,Lr = 2.5 m,LR = 265 m,b = 0.006 m,A = 127 449 m2。求解R1 = 0.287 Ω,R2=1.05 Ω,Rm = 0.281 Ω,Rg = 0.287 Ω。

4.2 网孔电压(Em)
${E_m} = \frac{{\rho \cdot {K_m} \cdot {K_i} \cdot {I_G}}}{{{L_M}}}$
$式中:${K_m} = \frac{{\text{1}}}{{{\text{2}}\pi }} \times \left[ {{\text{ln}}(\frac{{{D^{\text{2}}}}}{{16hd}} + \frac{{{{(D + 2h)}^{\text{2}}}}}{{8Dd}} - \frac{h}{{4d}}) + \frac{{{K_{ii}}}}{{{K_h}}}{\text{ln}}\frac{8}{{\pi (2n - {\text{1}})}}} \right]$$

本站接地网四周布置有垂直接地极,故Kii=1。

${K_h} = \sqrt {1 + \frac{h}{{{h_0}}}},n = {n_a} \cdot {n_b} \cdot {n_c} \cdot {n_d}$
${K_i} = 0.644 + 0.148 \cdot n$
${L_M} = {L_c} + {L_R}$

式中:h0=1 m(地网标准埋深); ${n_a} = \displaystyle\frac{{2 \cdot {L_c}}}{{{L_p}}}$ nb=nc=nd=1(正方形地网); ${{{L}}_{{M}}} = {{{L}}_{{c}}} + \left[{\rm{1}}{\rm{.55}} + {\rm{1}}{\rm{.22(}}\displaystyle\frac{{{{L_r}}}}{{\sqrt {{{L}}{{{_x}}^{\rm{2}}} + {{L}}{{{_y}}^{\rm{2}}}} }}{{)L}}\right]_{{R}}^{}$

d是地网导体的直径,m;h是地网导体的埋深m;D是网格距离,m;Lc是水平地网中导体的总长度,m;Lp是地网周边的长度,m;Lx是地网在x方向上的最大长度,m;Ly是地网在y方向上的最大长度,m;LR是所有垂直接地极的总长度,m;Lr是每根垂直接地极的长度,m。

相关参数值:d = 0.012 m,h = 0.8 m,D = 12 m,Lc = 22 134,LP = 1 428,Lr = 2.5,LR = 265,Lx = Ly = 357,IG = 11.959 kA。求解Em = 405.25 V。

4.3 最大跨步电压(Us)

最大跨步电压可按式(1)计算:

${{{U}}_S} = \frac{{\rho {K_s}{K_i}{I_G}}}{{L_s}}$ (1)

对于带有垂直接地极的地网,导体埋地有效长度Ls

$ {L_s} = 0.75{L_c} + 0.85{L_R} $
${K_s} = \frac{1}{{\rm{\pi }}}\left[ {\frac{1}{{2h}} + \frac{1}{{D + h}} + \frac{1}{D}\left( {1 - {{0.5}^{n - 2}}} \right)} \right]$

相关参数同4.1、4.2节介绍。求解Es=201.39 V。

5 CDEGS软件建模分析 5.1 地网建模

在CDEGS软件[8-10]MALZ模块中建立开关站地网模型,如图2所示,并注入最大入地短路电流。

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图 2 地网模型
5.2 仿真分析成果

根据CDEGS建模分析,计算出本站接地电阻值Rg=0.295 Ω。与理论计算结果较接近。软件输出地电位升、接触电压和跨步电压如图37所示。通过图形分析可知,开关站最大接触电压为422.23 V,最大跨步电压为204.18 V。均小于最大允许值,充分说明开关站站内基本安全。

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图 3 地电位升二维图
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图 4 接触电压二维图
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图 5 跨步电压二维图
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图 6 右上边角接触电压局部
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图 7 右上边角跨步电压局部

最大接触电压和跨步电压主要发生在地网四角,优化设计中将四角均匀网格进行倒圆弧。由于本站地网对称分布,以下对开关站右上边角进行单独建模分析,其他三处边角相同。右上边角优化后见图8图9

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图 8 优化处理后右上角接触电压局部
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图 9 优化处理后右上角跨步电压局部

可见对地网四角进行倒圆弧,可有效降低接触电压和跨步电压,同时采用CDEGS软件,可视化较强,更能指导设计工作。

6 IEEE Std 80-2013和CDEGS分析结果对比

根据对本站接地电阻和安全性能参数的分析,统计结果如表2。通过IEEE Std 80-2013和CDEGS软件对本站进行了接地电阻和安全性能参数的分析,发现结果比较接近。

表 2 结果对比
7 结论

1) IEEE Std 80-2013中提出的土壤电阻率数据整理方法分为均匀土壤和近似双层土壤,接地电阻、接触电压和跨步电压均为均匀土壤电阻率情况下的公式,故与CDEGS软件计算结果相比,CDEGS软件RESAP土壤分析模块计算的结果更能反映现场的实际分层情况。

2) 用IEEE Std 80-2013和CDEGS软件对本站进行接地电阻和安全性能参数的分析,表明结果基本一致。

3) 接触电压和跨步电压最大值发生在地网边缘网孔和四角位置,基本满足安全要求。

4) 采用CDEGS软件对本站地网四角进行优化处理,可适当降低边角的接触电压和跨步电压值,同时采用软件分析,可视化较强,更能指导设计工作。

参考文献
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