大型变电站接地网接地阻抗与接地电阻的差异

大型变电站接地网接地阻抗与接地电阻的差异 鲁志伟 1 , 常树生 1 , 李 　越 1 , 文习山 2 (1. 东北电力学院电力工程系 ,吉林 132012; 21武汉大学电气工程学院 ,武汉 430072) 摘 　要 : 采用基于场路结合方法开发的接地网接地参数数值计算软件分析了接地网的接地阻抗与接地电阻的差 异。计算结果表明 :接地电阻的概念只适用于小型接地网 ;随着接地网占地面积的加大以及土壤电阻率的降低 ,接 地阻抗中感性分量的作用越来越大 ,大型地网应采用接地阻抗。 关键词 : 变电站 ; 接地网 ; 接地阻抗 ; 接地电阻 中图分类号 : TM63　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 100326520 (2005) 0120014203 D ifference Between the Ground ing Im pedance and Ground ing Resistance of Large Substa tion Ground ing Gr ids LU Zhiwei1 , CHANG Shusheng1 , L I Yue1 , W EN Xishan2 (1 Electrical Engineering Department of Northeast China Electric Power College, J ilin 132012 , China; 2 School of Electrical Engineering, W uhan University, W uhan 430074, China) Abstract: Based on field2circuit coup ling theory, a software of numerical calculation of grounding grids of large substation has been developed and is used to analyze the differences between grounding impedances and grounding resistances. The results show that grounding resistances can only be used to small grids. A s the area increase or soil resistivity decrease, the inductive components of grounding impedances become greater and greater. Grounding impedance should be used in the de2 sign of large substation grounding grids. Key words: substation; grounding grids; grounding impedance; grounding resistance 0　引 　言 电力系统发生短路故障时 ,入地电流为交流 ,决 定接地导体上电位升高的接地参数应为接地阻抗 Z = R0 + jωL,其中 R0 为直流接地电阻 ,ωL为 Z的感 性分量。在地网面积不大且土壤电阻率ρ不是很低 的地区 ,阻抗中的ωL 可略 [ 1 ] ,此时交流 Z与 R0 相 同。严格讲 , R0与现行的接地网设计 [ 2 ]中所用 传统意义上的接地电阻 R 也有差异。R0是考虑了 导体自身电阻后 ,采用接地网不等电位模型计算出 的 R [ 3 ] ,而传统意义上的 R是以接地网等电位模型 计算的 [ 4 ]。本文采用接地网接地参数数值分析软 件 [ 5 ] ,分析接地网的 Z与现行接地设计中采用的传 统 R的差异 ,并探讨了在 Z的概念下 ,大型地网设 计中的若干问题。 1　接地阻抗与接地电阻的差异 取钢材电阻率 0117 μΩm,相对磁导率 μ为 636。未另指明时 ,地网埋深 0. 6 m,网孔 10 m ×10 m,接地导体半径 r0. 01 m,入地电流频率 f50 Hz。 1. 1 接地网大小的影响 图 1给出了在 25Ωm的均匀土壤中 ,短路电流 分别由地网中心和地网边角注入 ,改变正方形接地 网的边长 a,所计算的地网 Z与地网等电位时所计 算的 R的比值和 a的关系。可见 ,只有在接地网面 积很小时 , Z 和 R 才相同。大型地网面积可 > 10万 m2 ,仍用 R概念将使理论实际脱节。 图 1　接地阻抗与接地电阻的比值与地网边长的关系 F ig11　Rela tion between the ra tio of ground ing im pedance to ground ing resistance and side length of gr id 1. 2 接地阻抗的阻性分量与感性分量 图 2给出了 300 m ×300 m 的接地网 ,ρ变化 时 , Z的阻性及感性分量的变化情况 ,图中 R01、ωL1 和 R02、ωL2分别为电流由地网中心和地网边角入地 时的阻性和感性分量。 由图 2可见 ,感性分量与ρ的关系不大 ,主要取 决于短路电流入地点的位置 ,即电流最终由接地导 体流出前 ,在接地导体中所流经路径的长短。电流 由地网边缘入地时 ,在接地导体中流经的路径较长 , 感性分量较大。阻性分量与ρ关系很大 ,当ρ较低 时 ,阻性分量较小 ,感性分量相对较大 ,在低电阻率 ·41· 第 31卷 第 1期 2005年　　1月 高 　电 　压 　技 　术 H igh Voltage Engineering Vol. 31 No. 1 Jan. 　2005 　　 地区感性分量一般不忽略。 图 2　接地阻抗的阻性和感性分量与ρ的关系 F ig12　 Inductive and resistive com ponen ts of ground ing im pedance 1. 3 频率的影响 图 3给出了 300 m ×300 m的接地网 ,在 50Ωm 的均匀土壤中 ,电流由地网中心入地时 , Z中的感性 和阻性分量随入地电流 f的变化。 图 3中值得注意的是 ,感性及阻性分量都随频 率的增加而增加。这是因为随 f的增加 ,地网不等 电位问题严重 ,离电流入地点较远处接地导体的电 位较低 ,散流能力减弱。 图 3　接地阻抗与电流频率的关系 F ig13　Rela tion between ground ing im pedance and curren t frequency 2　大型地网设计中 Z的若干问题 2. 1 方形和矩形接地网 在ρ为 60Ωm的均匀土壤中 ,保持地网面积 S = 324 m ×324 m和接地网网孔 18 m ×18 m不变 , 改变接地网的长度与宽度的比值 ,探讨接地网的形 状与 Z 的关系。表 1给出了电流由地网中心和地 网边角注入时 ,方形和矩形地网的 R和 Z。 表 1　大型方形接地网和矩形接地网 R和 Z Tab. 1　R and Z for large square gr id and rectangle gr id 长 /宽 S /m ×m R /Ω Z /Ω 中心注入 边角注入 1: 1 324 ×324 0. 0845 0. 1125∠14. 4 0. 1848∠28. 9 4: 1 648 ×162 0. 0767 0. 1133∠17. 7 0. 2010∠29. 1 9: 1 972 ×108 0. 0670 0. 1213∠21. 7 0. 2251∠27. 5 　　在地网等电位的接地设计中 ,矩形地网的 R比 方形地网低 ,本文算例 S相同时 ,长宽比为 9 ¬ 1的 矩形地网的 R 比方形低 20. 7%。而在地网不等电 位的接地设计中 ,本文算例电流由地网中心注入时 , 该矩形地网的 Z较方形高 7. 8% ,边角注入时 ,则高 21. 8% ,所以大型接地网应尽量用方形。 2. 2 接地导体半径的影响 在等电位接地网设计中 , r对 R影响很小 ,但其 对 Z的影响可能较大。表 2给出了 r加大时 Z的变 化 ,计算时取均匀ρ为 100Ωm ,电流由地网中心注 入。由表 2可见 ,大型地网中 r对 R几乎无影响 ,但 对 Z有较大影响 ,例如 , 400 m ×400 m的地网 , r从 0. 009 m加大到 0. 019 m,等电位计算的 R 减小了 0. 8% ,但不等电位的 Z却减小了 13. 7% ,所以加大 r是降低 Z的有效措施。 表 2　r对 R和 Z的影响 Tab. 2　 Influence of r on R and Z Ω r/m 100 m ×100 m R Z 200 m ×200 m R Z 400 m ×400 m R Z 0. 009 0. 4932 0. 5133∠2. 4 0. 2354 0. 2619∠6. 1 0. 1140 0. 1496∠13. 6 0. 011 0. 4903 0. 5066∠2. 1 0. 2345 0. 2559∠5. 3 0. 1138 0. 1424∠12. 3 0. 019 0. 4826 0. 4917∠1. 4 0. 2322 0. 2442∠3. 6 0. 1131 0. 1291∠9. 0 2. 3 导体根数的影响 取接地网面积 100 m ×100 m, r 0. 01 m ,地网埋 深 0. 8 m,按面积等效将接地网等值成圆盘或圆环 , 可得地网 r为 56. 42 m [ 6 ]。若ρ为 100Ωm,则相应 的圆盘 R为 0. 435Ω ,相应的圆环 R为 0. 734Ω。故 将地网内部完全铺满钢材 , R仅下降 41%。这是因 为内部的钢材被四周的轮廓所屏蔽 ,电流线绝大部 分都由四周轮廓发出的缘故。可见 ,在地网内部铺 设很多钢材 ,对降低 R的作用不大。 表 3给出了加密导体对降低 R 和 Z 的作用。 由表 3可见 ,当单方向平行导体数由 2增加到 41 时 , R 降低了 38% ,而 ρ = 100 Ωm 时 , Z 降低了 43% , ,ρ= 20Ωm时 , Z降低了 56%。所以 ,加密导 体对降低 Z的作用比降低 R明显。 表 3　加密导体对降低 R和 Z的作用 Tab. 3　Effect of den se conductor on reduc ing R and Z Ω 单方向平 行导体数 ρ= 100Ωm R Z ρ= 20Ωm R Z 2 0. 6954 0. 7834∠6. 6 0. 1391 0. 2314∠18. 0 11 0. 4550 0. 4895∠4. 7 0. 0910 0. 1301∠17. 2 21 0. 4385 0. 4607∠3. 6 0. 0870 0. 1128∠14. 3 41 0. 4301 0. 4439∠2. 6 0. 0860 0. 1015∠11. 4 2. 4 等地网面积等钢材用量下 Z的优化设计 由分析可见 ,加大导体直径和增加导体均压带 根数可降低接地网的 Z。以面积为 200 m ×200 m ·51·　 2005年 1月 高 　电 　压 　技 　术 第 31卷第 1期 的接地网为例 ,在钢材用量相同时 ,降低 Z ,忽略接 地导体埋设过程中的人工费用 ,探讨导体的优化布 置。表 4给出了在 50Ωm的均匀土壤中 , 3种不同 布置方式下接地网的 Z。可见 ,等面积、等钢材用量 时 ,增多均压导体数 ,减少其 r,则地网 Z较低。 表 4　接地网等面积和等钢材用量条件下 R和 Z Tab. 4　R and Z of gr id w ith sam e area and sam e am oun t of steel ma ter ia l Ω 注入 点 网孔 20 m ×20 m, r = 0. 02 m 网孔 10 m ×10 m, r = 0. 0145 m 网孔 5 m ×5 m, r = 0. 0104 m 中心 R = 0. 1160; Z = 0. 1238∠6. 8 R = 0. 1116; Z = 0. 1218∠5. 7 R = 0. 1095; Z = 0. 1184∠5. 0 边角 R = 0. 1160; Z = 0. 1570∠18. 1 R = 0. 1116; Z = 0. 1482∠17. 2 R = 0. 1095; Z = 0. 1425∠16. 3 2. 5 接地网的有效面积 在等电位接地网设计中 , R约反比于 S ,所以扩 大接地网 S是降低 R最有效的方法。但当 S达到某 一数值后 ,由于电感作用使 Z 不随 S 的加大而减 小 ,此时的 S称为有效面积。现做如下规定 :接地网 两个边长均增加 10% ,则 S增加 21% , R一般减小 约 10% ,若 Z的相对值降低不足 3. 7% ,则认为此时 扩大 S效果不大。图 4给出了 25Ωm和 100Ωm的 均匀土壤中 , Z随正方形地网边长的变化。地网网 孔为 20 m ×20 m,电流由地网中心入地。 　　由图 4可见 , S 很小时 , Z 随 S 的增加而降低。 但 S达到一定值后 , Z不随 S的增加而降低。按有 效面积定义 ,在 25Ωm的均匀土壤中 ,正方形地网 边长达 300 m时 ,继续扩大 S 意义不大。而在 100 Ωm的均匀土壤中 ,正方形地网边长达到 700 m时 , 继续扩大 S仍有意义。所以 ,在ρ较高的地区 ,扩大 S仍是降低 Z的有效措施。 图 4　接地阻抗和地网边长的关系 F ig14　Rela tion between Z and side length of gr id 3　结 　论 a1大型地网需以接地阻抗为设计标准。 b1地网大小和入地电流频率一定时 ,接地阻抗 的感性分量主要与电流入地点有关 ,与土壤电阻率 关系不大 ,而阻性分量随土壤电阻率增加而增加。 c1入地电流频率增加时 ,接地阻抗的感性和阻 性分量同时增加。 d1基于接地阻抗的大型地网设计的导体布置 和 r选择等多方面不同于现行设计标准。 参 考 文 献 [ 1 ] 曾 嵘. 高土壤电阻率地区发变电站接地技术研究 [D ]. 北京 :清华大 学博士学位论文 , 1999. [ 2 ] DL /T621 - 1997, 交流电气装置的接地 [ S ]. [ 3 ] 张丽萍 ,袁建生 ,李中新. 变电站接地网不等电位模型数值计算 [ J ]. 中 国电机工程学报 , 2000, 20 (1) : 1 - 3. [ 4 ] 李中新 ,袁建生 ,张丽萍. 变电站接地网模拟计算 [ J ]. 中国电机工程学 报 , 1999, 19 (5) : 76 - 79. [ 5 ] 鲁志伟 ,文习山 ,史艳玲 ,等. 大型变电站接地网工频接地参数的数值计 算 [ J ]. 中国电机工程学报 , 2003, 23 (12) : 89 - 93. [ 6 ] 解广润. 电力系统接地技术 [M ]. 北京 :水利电力出版社 , 1991. (收稿日期 　2004204203) 鲁志伟 　1963年生 ,教授 ,研究方向为接地技术和电介质材料等。电话 : (0432) 4806671 ·61· Jan12005 H igh　Voltage　Engineering Vol. 31 No. 1