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大型接地网工频接地参数的计算和测量

鲁志伟  
【摘要】:变电站接地网不仅为变电站内的各种电气设备提供一个公共的参考地,而且能在电力系统发生故障时,将故障电流迅速排泄入地,控制接地网的最大电位升高,保证人身和设备安全。所以,合格的接地网在电力系统安全运行中具有十分重要的作用。 随着电力系统容量的不断增大,故障时流入地网的电流将随之增大,特别是三峡电站建成后,其值可达34kA,而为使接地网的电位升高不超过某一允许值,接地网的面积可能很大,地网最大对角线长度可达上千米。当电力系统发生接地故障时,故障电流沿接地导体流动的同时,向大地迅速排泄。由于全部故障电流经接地导体流入大地前,导体的轴向电流在导体电阻和电感上产生较大的电压降,接地导体上各点之间存在较大的电位差异,这就从根本上动摇了目前以接地网等电位为基础的接地网设计方法。本文的目的是基于电磁场数值计算技术和电工基础理论,研究大型变电站接地网工频接地参数模拟计算方法,以提高接地网的设计水平。此外,本文还对不均匀土壤中接地极接地电阻的测量和大型接地网接地阻抗的测量问题进行了深入的研究。 本文工作的主要内容和所取得的研究成果包括大型接地网工频接地参数的计算方法,大型变电站接地网的设计,引外接地对降低接地阻抗的效果分析,考虑钢材铁磁材料饱和特性后工频接地参数的计算,不均匀土壤中接地电阻的测量以及大型地网接地阻抗的测量等几方面问题。 接地网等电位模拟计算方法是接地网不等电位模拟计算方法的基础。本文首先讨论了位于分层导电媒质中的点电流源所产生的恒定电流场的计算方法。在经典镜象法的基础上,引进了复镜象法的概念。基于复镜象法给出了水平三层土壤中格林函数的有效计算方法,大大地提高了软件的计算效率。将等电位计算软件的计算结果同公开发表文献上的多种数据进行对比分析,证明了软件的正确性。 基于矩量法和场路结合的思想,提出了一种新的大型地网工频接地参数计算方法。该方法不仅考虑了接地导体的电阻和自感,而且考虑了导体间的互感,可以计算大型地网的工频接地参数。通过与国际著名的壕地计算软件的对比分析,证明了本文计算方法的正确性。采用本文的接地计算软件分析了上世纪80年代初期湖北省500kV双河变电站的短路试验,计算结果与实测结果吻合,进一步验证了本文计算方法的实用价值。 采用本文编制的计算软件分析了大型地网接地导体材料的选择、不等电位的工频接地阻抗与等电位接地电阻的差异、接触电压和跨步电压、网内电位差、接地导体半径的选择、短路电流多点注入地网和接地网有效面积等众多工程实际问题,全面更新了大型接地网设计的理念。 为降低发变电站接地网的接地阻抗,工程上常采用引外接地的措施,一般是根据经 验在离主接地网1以klll范围内,另铺设一个辅助接地网,并采用扁钢将此辅助接地网 与主接地网相连。辅助接地网对降低主接地网接地阻抗的作用取决于辅助接地网漏电流 的大小。本文计算了辅助接地网与主接地网大小相等的条件下,辅助接地网的漏电流与 主接地网漏电流之比,与两个接地网电位之比基本相同。所以,以辅助接地网与主接地 网电位之比为判据,提出了有效引外长度的概念。并分析了有效引外长度与接地网大小、 土壤电阻率、接地网之间连接导体根数、连接导体半径以及连接导体磁导率间的关系, 为引外接地的工程应用提供科学依据。 国外发达国家接地网普遍采用铜材,而国内接地网采用钢材。钢的磁导率和电阻率 比铜的磁导率和电阻率都高,国内接地网的不等电位向题较国外突出。特别是钢材磁导 率的饱和特性,使得准确计算大型钢制地网的接地阻抗变得较为困难。本文采用分段线 性化的思想,给出了钢制地网接地参数的计算方法。由于故障电流沿接地导体流动的同 时,不断向大地流散,所以在故障电流入地点附近的接地导体轴向电流大,导体内部的 磁场强度大,.钢材的磁导率饱和程度高,磁导率较低;而离故障电流入地点较远处,导 体的轴向电流小,导体内部的磁场强度小,钢材的磁导率饱和程度低,磁导率较高。在 几千安至几十千安的故障电流下,接地网上不同部分的导体具有不同的磁导率。并且, 随着故障电流的增大,铁磁材料饱和程度愈加严重,导体磁导率愈低,接地阻抗将愈低。 因此,采用几安至几十安电流测量得到的接地阻抗可能远高于较大故障电流下的接地阻 抗。 本文的上述计算方法,虽然可以计算接地网的接地参数,但由于土壤电阻率的各向 异性以及土壤电阻率自身的测量误差,使得接地阻抗的测量值与真实值之间会存在一定 的差异,因此必须在施工完成后对接地网的接地阻抗进行现场实测。目前,大型地网接 地阻抗的测量,国内普遍采用SD一0.618(D为地网最大对角线长度)直线法或 ZD,300 三角法。但现场实际测量时,时常出现沿不同方向布置测量引线测得的接地阻抗数值不 同或SD一0. 618直线法和2D一300三角法测得的接地阻抗数值不同的现象,实际上这可能 是土壤电阻率不均匀性造成的。本文深入研究了水平双层土壤和垂直双层土壤中,接地 电阻测量时电流极和电压极的布置规律厂探讨不同土壤结构和土壤参数下


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