大型变电站接地网的频域分析方法

大型变电站接地网的频域分析方法

王云龙董玉玺

（广东电网有限责任公司惠州供电局516001）

摘要：基于矩量法，提出了一种新的接地网频域性能分析的数值计算方法。该文方法以各段导体的漏电流为待求变量，与国内目前的计算方法和软件相比待求量比较少，可以用来分析注入电流频率为1MHz以内的接地网性能。为了验证该方法的有效性，对某500kV变电站接地网进行了分析，分析结果与国际著名的接地分析软件包CDEGS的结果一致。在一个小的接地网上的测试结果也证明了该文方法和CDEGS软件包的实用性。

关键词：接地网；变电站；频域；矩量法

1引言

变电站接地网是变电站的重要组成部分，其性能好坏直接关系到变电站内工作人员的人身安全和各类设备的安全及正常运行，历来受到设计和生产运行部门的重视。目前国际上有关研究接地网接地性能的论文很多，但大部分论文研究的是接地网的工频性能，且文中所给结果多，介绍其分析方法的少，研究接地网频域特性的更少。文献给出了一种分析接地网的频域方法，但其没有说明对于导体间相互连接的接地网所解方程组的系数矩阵如何建立以及如何减少待求量数目（N段导体建立的矩阵阶数为2N）。文献介绍了一种电路模型的分析方法。直流模型可以用来分析小型接地网在直流及工频时的接地性能，但对于注入电流中含有较高频率分量的雷电流或者接地故障暂态电流时的情况则无能为力。同时，国内接地网所用材料普遍为钢材，钢具有很大的磁导率，而且钢的导电性能也比铜差，在注入电流的频率较高时，大型接地网的安全性能更加复杂。因而研究大型钢制接地网的频域计算模型是很有必要的。

2运行变电站接地网接地阻抗计算方法

2.1计算模型

当电流注入变电站接地网尤其是大型变电站接地网时，接地网导体上轴向电流和漏电流分布是不均匀的，导体电位分布也不均匀，需计及接地网导体内阻抗和互阻抗来分析接地网的工频特性参数，即取不等电位模型。不等电位模型不仅要分析导体区域，还需要考虑接地网散流作用范围内的大地区域。运行变电站接地网拓扑结构已经发生改变，既包括变电站原主接地网，还包括出线架空地线及与之相连的杆塔接地装置或两端接地的电缆线路（本文先不考虑电缆）。如图１，假设有电流Ｉ注入带有ｎ回出线架空地线的变电站接地网，主接地网接地阻抗为Ｚ００，每回出线上有ｋ基杆塔，每回出线架空地线分流Ｉｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ），各基杆塔为Ｚｉｊ（ｊ＝０，１，２，…，ｋ，编号０表示对侧变电站），经各基杆塔入地的电流为Ｉｉｊ；Ｚ′ｉｋ表示Ｚｉｋ与变电站主接地网电流注入点的互阻抗。取无穷远为零电位参考点，微元段导体中点电位为该段导体地电位升，设电流注入点的地电位升为Ｕ０，经接地网入地电流为Ｉ０。

2.2计算原理

当电流注入接地网时，架空地线或电缆护套起到分流作用，电流在变电站主接地网和杆塔接地装置间的广大土壤区域内传播，引起附近的大地电位变化。根据电场叠加原理，空间任意点的电位可视为主接地网的散流和经其它各个接地装置入地的电流在该点产生的电位之和。

3.接地网频域分析的基本方法

由于接地网上轴向电流和漏电流分布不均匀，本文采用了矩量法分析接地网性能。在直导体段的表面，导体内外的电场强度的切向分量应当相等。设l是圆柱导体的轴线方向，Ei是施加于导体表面的外电场强度，则有：

解上式可得各导体段上的漏电流。由漏电流分布，可以求得电流注入点的地电位升，从而求得接地网的接地阻抗，也可以求得地表电位分布、接触电压和跨步电压等。从上式可以看出，本文方法可以应用于多注入电流及接地网带悬浮接地极的情况，且待求量与接地网的导体分段数相等，均为N。由于电力系统中所涉及的频率较低，本文忽略了导体间的互感，且各参数均在准静态场中求解，因而本文的方法适用于注入电流频率为1MHz以内的情况。

有限元方法（finiteelementmethod，FEM）作为一种有效的数值计算方法，分析接地网接地性能时可以方便地考虑土壤结构、土壤电阻率、地网埋深和电流注入点等各种因素的影响。文献初步应用有限元方法分析了接地网的接地性能。其中，采用三维有限元的A-V方法，采用一维有限元和三维有限元相结合的A-V方法，其优点是可以考虑频率对接地性能的影响，但是计算代价太高。文章采用一维有限元和三维有限元相结合的标量电位方法，计算量大大降低，但是该方法的有限元计算公式是基于恒定电流场理论得到的，无法考虑频率对接地网接地性能的影响。在频率不是很高的情况下，本文基于恒定电流场理论，采用一维有限元和三维有限元相结合的标量电位方法分析变电站接地网的接地性能。本文方法的最大优点在于可以考虑频率对接地网接地性能的影响。通过与试验接地网的测量结果进行比较，验证了本文计算方法的正确性和有效性。同时，系统短路时变电站内的空间磁场由站内架空导体电流、接地网导体轴向电流和土壤泄漏分布电流共同产生，这一空间磁场将在双端接地二次电缆和接地网构成的回路中产生感应电流，并进一步耦合至电缆芯线影响保护和控制设备的正常工作。本文仅讨论由接地网导体轴向电流和土壤泄漏分布电流产生的空间磁场。

4结论

本文基于矩量法，提出了一种新的接地网频域性能分析的数值计算方法。该方法的矩阵阶数较低，可以用来分析注入电流频率为1MHz以内时的接地网性能，电流注入点可以有多个，接地网周围可以有悬浮接地极。通过与国际著名的接地分析软件包CDEGS的结果进行比较，验证了该方法的有效性。同时，在一个小接地网上的实测结果也验证了本文所述的方法及CDEGS软件的实用性。本文所述方法结合傅立叶变换可以用于接地网的时域暂态性能分析。

参考文献：

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