基于CDEGS的双层接地网仿真研究

陈志红，朱力宏

（郑州铁路职业技术学院，郑州 450052）

基于CDEGS的双层接地网仿真研究

陈志红，朱力宏

（郑州铁路职业技术学院，郑州 450052）

由于土地资源日益紧缺，变电站占地面积越来越小，仅仅依靠单一的水平接地网很难在变电站站址范围内构造出满足要求的接地。在南方丘陵地区，对一些建在推土、垫土等山坡地带的变电站，利用小山坡，凹地构建双层地网，充分利用变电站区域，有效的降低变电站接地电阻，同时也能解决由垫土层形成的双层土壤的亲和问题。对双层接地网与垂直接地极进行仿真比较，并通过仿真分析了江门某换流站的双层接地网设计，提出了在土壤结构复杂、接地面积小的地方实现最优的接地选择，因此对双层接地网在山地、丘陵和上坡等特殊环境的研究具有一定的意义。

双层接地网；降阻；换流站；CDEGS仿真

0 引言

将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为接地。接地技术涉及到地质、土壤、材料、电气等多个学科，相关应用面也十分广泛，具有很强的工程应用价值，同时也具有重要的理论意义[1-2]。接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行[3]。

接地是为保证电工设备正常工作和人身安全而采取的一种用电安全措施，通过金属导线与接地装置连接来实现，常用的有保护接地、工作接地、防雷接地、屏蔽接地、防静电接地等。接地装置将电工设备和其他生产设备上可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故[4]。

近年来，由于土地资源日益紧缺，变电站占地面积越来越小，仅仅依靠单一的水平接地网很难在变电站站址范围内构造出满足要求的接地。在南方丘陵地区，对一些建在推土、垫土等山坡地带的变电站，利用小山坡，凹地构建双层地网，充分利用变电站区域，有效的降低变电站接地电阻，同时也能解决由垫土层形成的双层土壤的亲和问题。因此对双层接地网的研究具有十分重要的意义。

国外主要以IEEE Std80-2000即IEEE变电站安全导则为标准指导发变电站接地网的设计工作，同时，各国接地方面的电气工程师从实际工程出发不断对IEEE变电站安全导则进行完善，使得在接地网设计工作中对接地电阻、接触电压和跨步电压的等接地参数解析计算精度不断提高[5]。

地网接地电阻计算是工程设计的一项重要工作，可以采用有限元法[6-10]或矩量法。镜像法或复数镜像法是典型的矩量法[11-12]，通过搭建变电所与换流站所在地的土壤模型和地网模型进行计算，CDEGS （current distribution，electromagnetic field，grounding and soil structure analysis）是由加拿大安全工程服务与技术公司开发的，用于精确分析接地、电磁场、电磁干扰等问题的软件，目前国内的变电站接地问题普遍采用该软件进行仿真分析，CDEGS[13-15]应用的就是矩量法。笔者应用CDEGS软件仿真对江门某换流站双层接地网进行仿真分析，通过与垂直接地极进行比较，提出在变电站接地网面积小，土壤结构复杂的情况下怎样实现更优的降阻，保证变电站人员与设备的安全。

1 双层接地网与垂直接地极的比较

双层接地网与垂直接地极均是利用下层低土壤电阻率区域以达到降低接地电阻的目的。双层地网主要利用中下层水平面上的低土壤电阻率区域，而垂直接地极更加倾向于利用更深层的低土壤电阻率区域。因此，从理论上说，垂直接地极更加适合地下深层具有大的低土壤电阻率区域，而双层地网倾向于分块土壤结构的区域，即土壤中只有一块有限的低土壤电阻率区域。

本次仿真分别将双层接地网和加装垂直接地极的水平接地网在双层土壤结构和三层土壤结构的接地性能进行比较。双层土壤结构采用上层土壤电阻率为2 000 Ω·m，厚6 m，下层土壤电阻率分别为100、200、400、1 000 Ω·m；三层土壤结构上下层土壤电阻率均为2 000 Ω·m，上层土壤厚4 m，中层土壤电阻率分别为 100、200、400、1 000 Ω·m，厚 4 m。双层地网上下层面积均为 100×100（m2），上层网格10 m，下层网格50 m；埋深10 m。加装垂直接地极的水平地网中水平地网与双层地网的上层地网相同，垂直接地极加装在水平地网四角。

表1为在双层以及三层土壤结构时，不同土壤电阻率下，达到与双层地网相近的降阻效果时垂直接地极所需的埋设深度。由表中可以看出，如要达到与双层地网相近的降阻效果，垂直接地极在双层土壤结构比在三层土壤结构中所需的打井深度要浅。同时，随着下层土壤电阻的降低，达到与双层地网相近的降阻效果时垂直接地极所需的埋设深度随之增大。由于增设下层地网所增加的投入与下层地网埋深有关，即与上层土壤厚度有关。但由于埋深并不影响地网的接地性能，因此，双层地网资金投入与具体地形有关。而深井造价与地质环境密切相关，岩层和粘土的价格差异巨大，深井造价受工程实际情况的密切影响。在一般情况下，增大地网面积有困难且地下深处有低土壤电阻率区域时，使用垂直接地极能达到更加理想的效果；而在三层土壤结构，即低土壤电阻率区域十分有限时，使用双层地网效果更好。

表1 双层地网与垂直接地极的比较Table 1 Comparison of double layer grounding grid and vertical grounding electrodes

2 某换流站接地网仿真

某换流站地网采用复合接地网的设计思路，共设置上层和下层两层水平接地网，其中，上层水平接地网以站址围墙为界，采用-80×8镀锌扁钢在全站敷设，下层水平接地网在征地范围内，利用地形条件局部敷设-80×8镀锌扁钢，上、下两层水平接地网采用-80×8镀锌扁钢相互连接。此换流站设计标高采用1985年国家高程系，全站场地平整后最终高程为49.5 m，上层水平接地网设计标高在49.5 m下约0.8 m；深层水平接地网敷设在填方区域，设计标高约为32～40 m。本次工程挖方区土壤电阻率较高（1 400 ～1 900 Ω·m），而部分填方区土壤电阻率较低（179～890 Ω·m）且土层湿润。 为加强接地网的散流能力，降低接地网的接地电阻，利用场地自然地形中水沟等低洼地，在土壤电阻率较低的回填土区域敷设下层接地网。另外，充分利用站外南侧和西侧的闲置鱼塘区域，待其清淤完成后，采用镀锌扁钢依地势敷设间距为35 m×35 m的水平接地网，并与下层接地网可靠连接，以起到增强散流的作用。

本次仿真采用垂直分块土壤模型，包围上层地网的土壤块土壤电阻率取1 200 Ω·m，厚10 m，在它下面的土壤块电阻率为800 Ω·m，厚8 m，周围土壤电阻率为2 000 Ω·m。其地网如图1—图3所示，其下层地网埋深14 m，接地导体等值半径0.028 m。

图1 上层接地网Fig.1 The upper grounding grid

图2 下层接地网Fig.2 The lower grounding grid

分别对上层地网，下层地网、上下层复合地网以及在复合网的基础上增加斜接地极进行仿真，得其接地性能参数如表2所示。

图3 复合网Fig.3 Compound grounding grid

表2 江门地网仿真结果Table 2 Jiangmen grounding grid simulation results

从表2中可以看出以下几点：

1）单一的上层地网跨步电压为109 V，双层网的跨步电压直接下降到59.61 V，跨步电压降低约50%。接触电压也有下降，跨步电压的大幅度下降有利于更好地保障人身和设备的安全。

2）对于此接地网中在上层水平接地网的基础上增设下层接地网对接地电阻的改变十分微小，上层地网接地电阻为1.71 Ω，双层网接地电阻为1.68 Ω，很明显接地电阻下降比较小，这是由于双层接地网由于下层可利用的低土壤电阻率区域太小导致下层地网的敷设受到限制，而且上下层土壤电阻率差异并不是太大，上层土壤电阻1 200 Ω·m，下层土壤电阻率800 Ω·m，下层地网的降阻效果相对于上层地网的降阻效果十分不明显。增加下层地网后，跨步电压降低十分明显，表明下层地网具有一定的均压效果。

3）对于增加斜接地极的双层地网，无论是从接地电阻、跨步电压，还是从接触电压方面来看，都没有获得降租减压的效果，反而增加接地网的花销，带来资源的浪费。

4）综合表1和表2中的数据来看，双层接地网中上下层地网的深度、面积、电阻率以及接地导体都会降低接地电阻和减少跨步电压、接触电压有较大的影响，同时也要考虑到垂直接地极起到将阻减压的作用，而且两者结合能否达到更优的结果；本文中涉及的江门某换流站接地网的土壤有独特的特点，下层地网结构狭小，土壤电阻率与上层相差不大，只能够起到一定的均压效果，为此我们可以适当的降低下层地网的电阻率或者加深下层地网的深度增强双层地网的散流能力；垂直接地极数量的增加也可以适当的降低双层地网的接地电阻，换流站的设计可以采取适当的改进措施，进一步减小接地电阻和跨步电压，以及接触电压，更能保护设备和人身的安全。

3 结论与分析

通过双层接地网与垂直接地极的比较，得出双层地网更加适用于下层有一小块低土壤电阻率区域的情况，它能更好的利用有限的低土壤电阻率区域。

通过对江门某换流站接地网的仿真分析，得出此换流站由于下层地网过于狭小，且上下层土壤电阻率差异不大，导致下层地网降阻效果相较于上层地网不明显。也佐证了下层地网太小，上下层土壤电阻率差异也小，降阻效果并不明显以及下层地网也具有一定均压效果的结论。

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Simulation of Double Layer Grounding Grid Based on CDEGS

CHEN Zhihong，ZHU Lihong
（Zhengzhou Railway Vocational&Technical College，Zhengzhou 450052，China）

Due to the increasingly scarce land resources，the substation area is becoming smaller and smaller，relying solely on the level of the single grounding grid is very difficult in the range of substation position is constructed to meet the requirements of the grounding.In hilly area of South China，some built bulldozing，pad soil slopes in the substation，the hillside，concave to the construction of double layer grounding grid，make full use of regional substation，effectively reduces substation grounding resistance，also the Affinity problem of the double layer caused by the pad layer can be solved.Based on the comparing and simulating between the double grounding grid and vertical grounding electrode，and through the simulation analysis of the JiangMen on double grounding grid design，this paper puts forward how to achieve the optimal choice in the area of soil structure complex，and small grounding area，so the double grounding grid research in the special environment of mountainous，hilly and uphill is of great significance.

double layer grounding grid；reduction in resistance；converter station；CDEGS simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.010

2016-07-26

陈志红 （1967—），女，讲师，主要研究方向：电力电子技术与电气控制研究。