摘要：本文针对变电站地网受侵蚀而引起接地电阻超标的情况，应用 CDEGS专业接地软件，仿真计算接地导体腐蚀状况对接地网接地电阻的影响。考虑不同土壤环境下接地导体腐蚀的差异，研究不同面积下接地导体腐蚀对地网参数特性的变化规律，通过不等间距布置接地导体的方法，优化地表电位分布，提高了接地网的整体利用率和散流效果，在等面积等钢材用量下降低了接地网接地电阻受腐蚀影响的程度。
关键词：接地网；接地导体；腐蚀；接地电阻
变电站接地网对供电系统的安全、稳定运行有着极为重要的作用，随着接地网运行年限的增加，接地网的地下部分遭受腐蚀而带来的接地网特性参数超标问题，危害着供电系统的安全与稳定运行。本文使用CDEGS专业接地软件进行仿真计算，分析土壤电阻率、地网面积和地网均压导体布置方法不同时，接地导体腐蚀程度对地网接地电阻的影响。通过仿真研究得出：随着土壤电阻率减小，接地导体腐蚀程度增大，其对地网接地电阻的影响也越大；对于相同的腐蚀情况，地网面积越大，地网接地电阻增加得越明显；在地网等面积和等钢材用量下，通过合理选择地网均压导体布置方法，降低接地网接地电阻受腐蚀影响的程度，实现经济技术最优化。
1接地导体腐蚀对地网接地电阻的影响规律
变电站接地网直接埋设在地下，浸没在水或其他液体中，构成接地网的导体将产生腐蚀现象。假设随着变电所接地网投运年限的增加，接地导体腐蚀程度随年限增加，接地导体半径以均匀速率逐年递减。地网模型为１００ｍ×１００ｍ、网孔为１０ｍ×１０ｍ的均匀正方形接地网，水平接地极为水平圆钢接地导体，接地导体直径２０ｍｍ，地网埋深０．５ｍ。ＣＥＤＧＳ软件默认为铜质材料，“相对电阻率”和“相对磁导率”均为１，本文使用的镀锌钢为镀锌层包裹碳钢钢芯，其电阻率为铜的８～１０倍。可以求得其相对铜质材料的“相对电阻率”（取１０）和“相对磁导率”（取３００）。
1.1周围土壤电阻率不同时接地导体腐蚀对地网接地电阻的影响
采用接地分析软件CDEGS，假设土壤的整体结构为均匀土壤结构，将土壤电阻率ρ从５０Ω•ｍ分别调至１００、２００和５００Ω•ｍ，仿真计算不同土壤电阻率下地网接地电阻的变化规律，结果见表１。
表１不同的周围土壤电阻率与接地导体腐蚀程度下的接地电阻上升率
表１中：
α为接地电阻Ｒ的上升率，α＝（ＲＡ－Ｒ）／Ｒ，ＲＡ为接地导体半径变化后的接地电阻值，Ｒ为接地导体半径ｒ＝１０ｍｍ时的接地电阻值。α与接地导体腐蚀程度的关系如图１所示。由图１可知，对于相同的土壤电阻率ρ，随着接地导体腐蚀程度线性递增，接地导体半径线性递减，接地电阻上升率α增长得越来越快；对于不同的土壤电阻率ρ，接地电阻上升率α上升趋势相似，且随着ρ的增大，曲线的上升速率均渐缓，即ρ越大，接地导体半径对地网接地电阻的影响越小；当ρ较大时，即使腐蚀程度较高，地网接地电阻的上升也并不明显。当接地导体腐蚀程度小于２０％时，接地导体半径的变化对整体地网接地电阻的影响小于２％；而当接地导体腐蚀程度达到６０％时，接地电阻上升率α的最大值可以达到１０％。其原因在于随着地网周围土壤的土壤电阻率增大，接地导体的内阻相对接地电阻较小，使得接地网中的入地电流更容易通过远端接地网散流，提高了接地网的整体利用率，因此导体半径的同等变化对地网接地电阻的影响降低。
1.2地网面积不同时接地导体腐蚀对地网接地电阻的影响
随着气候污染加重，酸雨进入土壤，对接地材料的腐蚀逐年加重，同时变电站不断扩建，对供电可靠性和安全性的要求越来越高。在等电位接地网设计中，Ｒ约反比于槡Ｓ，扩大接地网面积Ｓ是降低Ｒ最直接的方法。采用接地分析软件，保持正方形地网网孔不变，地网面积为２００ｍ×２００ｍ，仿真分析不同土壤电阻率下，地网接地电阻的变化规律。各变电站地网面积略有不同，其地网的接地电阻受腐蚀的影响程度也不一样，图２为ρ＝１００Ω•ｍ时接地导体腐蚀程度与接地电阻上升率的对应关系。由图２可知，在接地导体腐蚀程度较小时，两者接地电阻上升率的差异并不明显，在相同腐蚀程度的情况下，地网面积Ｓ越大，接地电阻上升率α上升得越快。可以看到在腐蚀程度小于４０％时，地网面积增大３倍，其接地电阻上升率α约增大２倍；在腐蚀程度达到７０％的情况下，面积为４００００ｍ２的地网接地电阻上升率接近４０％，约为面积为10000ｍ２的地网腐蚀程度达到８０％的情况。而实际变电所投运中，地网面积越大，地网因施工时焊接不良及漏焊、接地短路电流电动力作用等原因，导致接地导体断裂的情况将更加严重，使地网散流效果更加恶劣。
2基于不等间距布置对地网腐蚀引起接地电阻超标的改善
目前变电站接地系统的接地装置大多数都是以水平接地极为主，外缘闭合，内部敷设若干均压导体的接地网。均压导体一般按５、７、１０ｍ等间距布置，由于端部和邻近效应，边角网孔处接地体的散流作用较强，电流密度比中间网孔的电流密度大。因此按等间距布置的地网地面电位分布很不均匀，地网边角处网孔接触电势远比中心网孔接触电势高，而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大。对于均匀土壤分层模型，利用不等间距布置均压导体改善接地网各导体的电流分布情况，能有效改善接地网地面的电位分布，降低接触电压和跨步电压。地网模型面积为１００ｍ×１００ｍ，接地导体直径２０ｍｍ，地网埋深０．５ｍ，网孔数保持１００不变。根据ＤＬ／Ｔ６２１—１９９７中接地网不等间距布置网孔边长为网边长百分数，布置不等间距均压导体，仿真计算不等间距布置下，导体腐蚀程度与接地电阻上升率的相互关系。
由表２可知，在相同的土壤条件与腐蚀程度下，不等间距布置均压导体的接地网接地电阻值都明显小于等间距布置的地网接地电阻值，验证了均压优化的可靠性以及仿真搭建的正确性。随着接地导体腐蚀程度的增大，接地导体半径减小，采用不等间距布置均压导体的优化效果更加明显。在未腐蚀或腐蚀程度较小时，可以降低接地电阻约２％，而在腐蚀程度较大时，采用不等间距布置均压导体可以降低接地电阻约８％。同时，采用不等间距布置均压导体的方法也明显降低接地电阻上升率，在腐蚀程度较大时，可以降低７％左右。
表2不同均压导体布置方法下接地电阻及其上升率
不等间距布置均压导体的方法，随着接地导体腐蚀程度的增大，接地电阻上升率α明显增大，但在高腐蚀状况下，相较于等间距布置有明显的降低。不等间距布置通过降低接地网对中间部分导体的屏蔽性，增大了中间导体的泄漏电流密度分布，在接地导体腐蚀程度变大时，因为接地导体可通流量降低，使中间导体与边缘导体得到较充分的利用，提高了接地网的整体利用率和散流效果，使得接地电阻上升率α也得以降低。地网边缘网孔与中心网孔的最大跨步电压、接触电压基本相等，只有地网四角的网孔会出现跨步电压与接触电压过高的情况，此时可以把地网四角设计成圆弧形。
参考文献：
[1]张宇飞，席俊明.双层接地网对改善接地性能的研究[J].电瓷避雷器，2016（05）：120-125.
[2]郝祉，窦卫东.新型复合接地装置在变电站防雷接地中的应用[J].科技传播，2011（22）：162-164.
[3]李风雷，刘勇，刘建秋.接地网腐蚀与防护研究进展[J].工业建筑，2012，42（S1）：783-785.
论文作者:张海锋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
标签：导体论文; 电阻论文; 地网论文; 程度论文; 间距论文; 电阻率论文; 土壤论文; 《电力设备》2018年第15期论文;