变电站地网参数的仿真计算与分析

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摘 要：地网参数的计算直接关系到变电站的安全稳定运行与运检人员的人身安全。文章运用实验室基于恒定电流场理论、表面电荷法等理论编制的计算地网参数的FORTRAN编程，根据某220kV变电站地网结构图，计算了其地网参数。将计算结果导入ORIGIN软件绘制出地网的地面电位色阶图、地面电位三维图、电位梯度三维图，使得计算结果更加的直观。计算结果可用于评估该变电站设计的合理性以及可靠性，为该站故障分析、地网改造、防护优化提供参考意见，为后续变电站的地网设计提供指导。

关键词：地网参数；FORTRAN；ORIGIN；地面电位

引言

变电站、换流站是整个电力系统的心脏，其安全、稳定、高效运行与国民经济和人民生活息息相关[1]。地网是变电站（换流站）安全稳定可靠运行的守护神，它直接关系到变电站巡检人员的人身安全。地网的接地参数（地面电位分布、电位梯度分布等）的计算对地网设计、电站绝缘验证、变电站的连续运行和巡检人员人身安全具有十分关键的意义。

文章根据实验室基于恒定电流场理论、表面电荷法编制的可用于计算任意复杂变电站、换流站地网参数的FORTRAN程序[2～4]，对某220kV变电站实际工程进行计算，得出了地面参数，并导入ORIGIN程序得出接地网电位和梯度分布的三维图，可以更加直观的评估地网设计的合理性与安全性，对地网的设计、建设、改造、维护具有重要的工程实用价值。

1 交流变电站地网参数计算

1.1 接地电阻的计算

220kV某变电站地网结构如图1。图中圆圈以及×分别代表3.5m、2.5m垂直接地体，其他代表水平接地体。地网埋深0.8m，变电站右上角帽檐式均压带埋深由内及外依次为0.8m、1.6m、2.4m，土壤电阻率450？赘？鄢m，恒定电流为10kA。将地网导体半径、导体长度等数据导入已编制的程序进行计算，计算结果如表1。

实验室试验受到仪器精确度、仪器布置准确度等一系列不确定性因素影响，与实际值有细小误差。由表1可知，实验室比例模型测量和程序计算之间的误差在0.9%左右，计算结果与试验结果的高度吻合可以验证程序计算接地电阻的可行性与正确性。

1.2 地面电位计算

运用已经编制的程序计算该220kV交流变电站地面电位情况。计算结果如图2、3、4。X、Y、Z轴分别表示地网横坐标、纵坐标、相应坐标点电位。计算步长选择0.25米，计算步长越小计算结果精度越高，但是步长过小会使得程序死循环，引起死循环的本质原因是过小的计算步长会引起恒定电流场相关数学方程无解。图2中不同的颜色代表不同的电位，单位是伏特。由图可知，电位分布与地网分布相似，呈现出矩形网格状，网格中心点电位比网格线上电位低，这是屏蔽效应的结果；变电站右上角大门处，地面电位变化比较平缓，且图3显示此处电位较低，图4显示此处电位梯度不大，这是设置了帽檐式均压带的结果。

从图3可以看出除右上角外地面电位总体变化均匀；X=200，Y=350处，地面电位最大，最大值为16000V，是因为此处垂直接地体布置较多，地网结构较复杂的原因，另外也可以说明地网并不是接地体越多，梯度电压越低。

从图4可以看出整个变电站的地面电位梯度变化总体均匀、较低，但是在地网四周有突出毛刺（表示电位梯度较高），是因为此处位于变电站地网的边界，地网与非地网结构连接处引起的电位升使得此处电位梯度较大。

2 结束语

（1）对比实验室试验计算电阻和程序计算接地电阻验证了程序的合理性和正确性；（2）文章程序可以计算规则矩形地网、不规则地网、圆形地网（如帽檐式均压带），实用性较强；（3）图1中变电站计算得到的接地电取降低电阻的措施，可以考虑和相邻地网并联或者增加地网面积等措施；为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向站外或将低电位引向站内设施，进一步采取隔离措施；（4）地网分界点处电位梯度较高，可以借鉴圆形均压带降压的措施进行地网改进，也可以在分界点铺设电阻率较高的砾石、碎石等介质。

参考文献

[1]周浩.特高压交直流输电技术[M].杭州：浙江大学出版社，2014.

[2]王士鑫，任小花，缪志农.220kV变电站接地网的安全性分析[J].电测与仪表，2014，51（4）：96-101.

[3]罗晓雪，周文乐，邱宏烈.变电站接地网地面电位分布计算[J].现代电力，2010，27（5）：30-34.

[4]任小花.冲击电流作用下电力接地网的安全性研究[D].西华大学，2010.

作者简介：李雍（1990-），男，西华大学硕士研究生，主要从事电力系统防雷与接地技术方面的研究。