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1 引言
隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加，入地電流將隨之增大，接地系統(tǒng)亦將擴(kuò)大。當(dāng)入地電流為交流時，接地系統(tǒng)上的電位不僅有阻性分量，而且有感性分量。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為：在地網(wǎng)面積不大（<400m× 400m）、土壤電阻率不是非常低的地區(qū)（>10W·m），阻抗中的感性分量非常小，可以忽略，此時交流接地阻抗和直流接地電阻相同。國內(nèi)外研究人員研究接地網(wǎng)工頻特性時，多為基于上述理由將所研究的問題轉(zhuǎn)化為研究直流下接地網(wǎng)特性。例如文獻(xiàn)[2-3]分別用等電位模型和不等電位模型進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為：接地阻抗小于0.5W時，感性分量即不能被忽略。顯然文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]的結(jié)論相差甚遠(yuǎn)，所以有必要對大型地網(wǎng)的工頻特性進(jìn)行研究。對大型地網(wǎng)工頻特性的研究，可以借鑒接地網(wǎng)頻域方面的研究成果[5-9]。文獻(xiàn)[5]給出了一種分析接地網(wǎng)的頻域方法，但沒有說明方程組的建立過程。文獻(xiàn)[6]的待求變量為各段導(dǎo)體的軸向電流。文獻(xiàn)[7]的待求變量為各段導(dǎo)體的漏電流，變量數(shù)較少，考慮了導(dǎo)體自感，但沒有考慮導(dǎo)體間的互感。文獻(xiàn)[8]以各段導(dǎo)體的軸向電流為待求變量，既考慮了導(dǎo)體的自感也考慮了導(dǎo)體間的互感，變量數(shù)較少。文獻(xiàn)[9]介紹了場路結(jié)合的方法。本文重新推導(dǎo)了文獻(xiàn)[3]的地網(wǎng)不等電位接地參數(shù)計算模型，考慮了導(dǎo)體的電阻、自感和導(dǎo)體間的互感，所編軟件適用于大型地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的計算。通過與國際著名的接地分析軟件包CDEGS的計算結(jié)果比較，驗證了本文方法的有效性。
國外發(fā)達(dá)國家普遍采用銅材做接地網(wǎng)，而國內(nèi)采用鋼材做接地網(wǎng)。鋼的磁導(dǎo)率和電阻率比銅的磁導(dǎo)率和電阻率高，國內(nèi)接地網(wǎng)的不等電位問題較國外突出。本文利用所編軟件研究了大型鋼制接地網(wǎng)的接地阻抗和網(wǎng)內(nèi)電位差計算問題，計算結(jié)果與現(xiàn)場實測吻合。
2 大型變電站接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的計算方法
計算接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)時，需要同時考慮導(dǎo)體向大地的漏電流，導(dǎo)體軸向電流在導(dǎo)體內(nèi)電阻和自感上產(chǎn)生的壓降以及在其它導(dǎo)體上產(chǎn)生的互感壓降。如圖1所示，以一個簡單的田字形接地網(wǎng)為例。電網(wǎng)的短路電流從一個邊角節(jié)點入地，并假設(shè)每段導(dǎo)體的漏電流集中在導(dǎo)體中點入地。
首先應(yīng)用電路理論中的節(jié)點分析方法建立節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣。節(jié)點編號需按如下規(guī)則：先中點后節(jié)點，先橫排后豎列，先下后上和先左后右。這樣對于一個有n條支路和m個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，由于每條支路（即每段導(dǎo)體）在中點有漏電流入地，則整個網(wǎng)絡(luò)變成有2n條支路和n+m個節(jié)點。對于該接地網(wǎng)絡(luò)可以求得阻抗矩陣Z為
式中 Z0、Mi, i和Mi, j分別為網(wǎng)絡(luò)變成2n條支路后，每條支路導(dǎo)體的內(nèi)阻抗、外自感和不同導(dǎo)體間的互感；f為入地電流的頻率。Z0的計算方法見文獻(xiàn)[5]，Mi, i和Mi, j的計算方法見文獻(xiàn)[10]。
令
由于每段漏電流都會在所有導(dǎo)體表面上產(chǎn)生電位，則第j段導(dǎo)體上的總電位為
式中 Rii稱為自電阻，Rij稱為互電阻。Rii和Rij計算問題在地網(wǎng)等電位的接地參數(shù)計算中已解決[11]。采用點匹配矩量法將式(5)寫成矩陣的形式，則有
式(10)與文獻(xiàn)[3]所推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型形式上相同，但文獻(xiàn)[3]只考慮了導(dǎo)體自身電阻，本文的數(shù)學(xué)模型則全面地考慮了導(dǎo)體電阻、自感和導(dǎo)體間的互感，故本文的計算結(jié)果更符合實際?；谏鲜龇椒ǎ幹屏私拥赜嬎丬浖?。
3 計算方法驗證
3.1 與文獻(xiàn)[11]計算結(jié)果的比較
文獻(xiàn)[3, 11]研究了接地網(wǎng)不等電位數(shù)值計算問題，但模型中只考慮了導(dǎo)體本身電阻的影響，而沒有計算導(dǎo)體自感和導(dǎo)體間互感的影響。本文計算模型中，若將入地電流頻率取為零，計算結(jié)果應(yīng)與文獻(xiàn)[11]的計算結(jié)果接近。表1給出了本文的計算結(jié)果和文獻(xiàn)[11]的計算結(jié)果。計算參數(shù)為：大地為均勻土壤，其電導(dǎo)率變化，接地網(wǎng)為40m×40m，由4×4=16網(wǎng)孔組成，接地體由銅制成，銅的電阻率為1.7×10-8W·m，半徑r=0.005m，地網(wǎng)埋深1m。由表1可見，本文的計算結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的計算結(jié)果比較接近，最大偏差不超過6.5%。
3.2 與國際著名接地計算軟件CDEGS的比較
算例1：土壤模型為水平雙層，上層土壤電阻率25 W·m，厚度16m，下層土壤電阻率366 W·m，地網(wǎng)埋深0.6m。接地網(wǎng)為300m×200m，30×20網(wǎng)孔（即長度方向31根導(dǎo)體，寬度方向21根導(dǎo)體），地網(wǎng)采用鋼材，鋼的電阻率1.7×10-7 W·m，相對磁導(dǎo)率636，導(dǎo)體半徑0.0223m。頻率為50Hz短路電流從長度方向第21根導(dǎo)體和寬度方向第14根導(dǎo)體的交叉點入地。本文計算的接地阻抗為0.295∠2.85o W，CDEGS的計算結(jié)果為0.293∠2.38o W。
算例2：接地網(wǎng)為500m×500m，25×25網(wǎng)孔，地網(wǎng)埋深0.6m，地網(wǎng)采用鋼材，鋼的電阻率1.7×10-7W·m，相對磁導(dǎo)率636，導(dǎo)體半徑0.009m。頻率為50Hz短路電流由地網(wǎng)邊角入地。① 土壤模型同算例1，即水平雙層，上層土壤電阻率25 W·m，厚度16m，下層土壤電阻率366 W·m，本文計算的接地阻抗為Z1=0.290+j0.113=0.311∠21.29o W，CDEGS的計算結(jié)果為Z2=0.284+j0.100=0.301∠19.39o W；② 土壤模型為均勻土壤，土壤電阻率為100 W·m，本文計算的接地阻抗為Z1=0.199+ j0.124=0.234∠31.93o W，CDEGS的計算結(jié)果為Z2= 0.196+j0.109=0.224∠29.08o W；③ 土壤模型為水平雙層，上層土壤電阻率100 W·m，厚度10m，下層土壤電阻率33.33 W·m。本文計算的接地阻抗為Z1=0.146+j0.112=0.184∠37.46o W，CDEGS的計算結(jié)果為Z2=0.141+j0.101=0.173∠35.74o W。所以，本文的計算結(jié)果與CDEGS的計算結(jié)果比較吻合。
4 大型地網(wǎng)工頻接地參數(shù)計算結(jié)果分析
4.1 接地阻抗和接地電阻的差異
采用本文軟件分析了大型接地網(wǎng)的工頻接地阻抗，并結(jié)合湖北省雙河變電站分析了銅材和鋼材接地網(wǎng)的接地阻抗和網(wǎng)內(nèi)電位差。
圖2為地網(wǎng)接地阻抗Z與地網(wǎng)等電位時計算出接地電阻R的比值隨土壤電阻率變化的關(guān)系。計算參數(shù)為：地網(wǎng)400m×400m，20×20網(wǎng)孔，導(dǎo)體半徑0.009m，導(dǎo)體電阻率1.7×10-7 W·m，相對磁導(dǎo)率636。50Hz的工頻短路電流分別由地網(wǎng)邊角和中心注入。由圖2可見：接地阻抗與接地電阻明顯不同的是接地阻抗和短路電流入地點有很大關(guān)系，由邊角入地時的接地阻抗高于由中心入地時的接地阻抗；此外，本節(jié)所述地網(wǎng)在土壤電阻率為100 W·m的條件下，電流由邊角注入和中心注入所得的接地阻抗分別為地網(wǎng)等電位接地電阻的2.13倍和1.31倍，感性分量已不能被忽略。
一般來講，接地阻抗總可以寫成R+jwL的形式。結(jié)合算例2可知：① 在頻率和導(dǎo)體磁導(dǎo)率一定的條件下，感性分量和土壤結(jié)構(gòu)及其參數(shù)關(guān)系不大，主要取決于地網(wǎng)的大小和短路電流入地點的位置。同算例2中的均勻土壤計算結(jié)果比較，若電流由地網(wǎng)中心入地，接地阻抗為Z1=0.124+j0.038= 0.130∠17.04o W。接地網(wǎng)越大，短路電流入地點越接近地網(wǎng)邊緣，短路電流全部流入大地前，在導(dǎo)體中流動的路徑就越長，感性分量越大；② 土壤結(jié)構(gòu)和土壤參數(shù)主要影響阻性部分，當(dāng)土壤電阻率較低時，阻性部分較小，感性部分相對較大，這就是大型地網(wǎng)在低電阻率地區(qū)，感性分量不能被忽略的原因。
4.2 銅材和鋼材接地網(wǎng)的接地阻抗和網(wǎng)內(nèi)電位差
早在20世紀(jì)80年代初期，國內(nèi)開始興建500kV變電站時，接地網(wǎng)不等電位問題已得到工程技術(shù)人員的高度重視。湖北省雙河變電站曾在系統(tǒng)調(diào)試中進(jìn)行單相短路接地試驗（見表2），變電站地網(wǎng)的地電位升高中，站內(nèi)部分占總電位升高的46%[12]。表2中V1為地網(wǎng)導(dǎo)體上接地點對2km處的電位升高，V2為地網(wǎng)導(dǎo)體上接地點對地網(wǎng)邊緣（地網(wǎng)上電位最低點）的電位升高。在地網(wǎng)導(dǎo)體上，V1的電位值最高，V1與短路電流的比值就是接地阻抗測量值，V2是地網(wǎng)導(dǎo)體上電位最高點與電位最低點之間的電位差，即網(wǎng)內(nèi)電位差。V2 /V1為網(wǎng)內(nèi)電位差占地網(wǎng)總電位升高的比例。由于V1比接地點對無窮遠(yuǎn)處的電位升低，所以接地阻抗測量值比真實接地阻抗值略低。V11為按下述接地網(wǎng)尺寸，將接地網(wǎng)等值成圓盤，并采用文獻(xiàn)[13]的方法，推算出的接地點對無窮遠(yuǎn)處的電位升。令DV=V2/V11，則DV是實際的網(wǎng)內(nèi)電位差占地網(wǎng)上接地點對無窮遠(yuǎn)處總電位升高的比例，地網(wǎng)真實接地阻抗Z為V11與短路電流的比值。
根據(jù)1982年中南電力設(shè)計院《500千伏雙河變電所工程接地設(shè)計總結(jié)》，雙河變電站土壤電阻率60 W·m，面積104283m2，接地帶長度12075m，地網(wǎng)為正方形，水平接地帶用40×5扁鋼，埋深0.6m。為計算方便，本文將接地網(wǎng)簡化為：324m×324m，18×18網(wǎng)孔，導(dǎo)體半徑0.008m。電流由地網(wǎng)中心注入。
實際上，由于接地網(wǎng)所用鋼材的相對磁導(dǎo)率mr本身具有一定的分散性，其值一般在數(shù)百至數(shù)千之間。表3給出了雙河變電站接地網(wǎng)mr變化時，相應(yīng)的接地阻抗Z和網(wǎng)內(nèi)電位差DV的變化情況。并約定mr=0和mr=1分別為等電位接地網(wǎng)和銅材接地網(wǎng)的計算結(jié)果，銅和鋼的電阻率同前。
由表3可見：① 短路電流流入接地網(wǎng)時，銅材接地網(wǎng)基本為等電位，此時的接地阻抗已小于0.1W，但接地阻抗僅比地網(wǎng)等電位的接地電阻高1%，感性分量可以被忽略，所以文獻(xiàn)[4]中簡單地認(rèn)為接地阻抗小于0.5 W即需計算感性分量的結(jié)論是不正確的。鋼材接地網(wǎng)存在較大的網(wǎng)內(nèi)電位差，其值隨mr的增大而增大；② 地網(wǎng)接地阻抗隨mr的增大而增大。mr的增大不僅使接地網(wǎng)的感性分量加大，而且使阻性分量加大，這是因為隨著感性分量加大，地網(wǎng)不等電位問題嚴(yán)重，離開接地點較遠(yuǎn)的導(dǎo)體電位較低，散流減弱；③ mr取文獻(xiàn)[7]給出的636，接地阻抗的計算值為0.121∠16.18o W，網(wǎng)內(nèi)電位差DV的計算值為0.42，表2給出的接地阻抗實測值經(jīng)換算后為0.115 W~0.116 W，網(wǎng)內(nèi)電位差實測值經(jīng)換算后為0.42~0.43，所以本文計算的接地阻抗比實測值約高4.7%，計算的網(wǎng)內(nèi)電位差與實測值基本相同。
5 結(jié)論
本文提出了一種新的接地網(wǎng)接地參數(shù)數(shù)值計算方法。通過與國際著名的接地分析軟件包CDEGS的比較分析，驗證了該方法的有效性。本文的計算結(jié)果同500kV雙河變電站的實測結(jié)果吻合，驗證了本文方法的實用價值。
