| 标题 | 对接地网腐蚀后性能的仿真研究 |
| 范文 | 付娟,丁涛 摘 要：为了分析接地网腐蚀后的性能，采用场路结合的算法，建立了一种接地网不等电位模型并进行仿真计算。利用节点电压方程和导体之间的互阻关系，形成ATP-EMTP仿真电路。通过对接地网导体腐蚀变细，电流注入点附近导体腐蚀断线和接地网边沿边角处导体腐蚀断线等情况下地表电位分布的仿真计算可以看出，接地网电流注入点附近及边沿边角处导体腐蚀断线会造成接地网内部巨大的电位差。研究表明，接地网应重点加强电流注入点附近及边缘边角处的抗腐蚀性能。 关键词：接地网； 网格节点； 地表电位分布； 腐蚀破坏； EMTP； 电流注入点 中图分类号：TN710-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)09-0136-03 Simulation Research of Grounding Grids′ Capability on Bad Case FU Juan1,DING Tao2 (1.Department of Electrical Engineering，Xian Railway Vocational Technical Institute,Xian 710014,China； 2. The Logistics Service Management Center of the Schools in Xian,Xian 710016,China) Abstract： A grounding system with unequal-potential model is built and simulated using field road combination algorithm to analyze the capability of the corrosion grounding grids. A model for computation of equivalent simulation grounding system ATP-EMTP is established. The distribution of the earth′s surface potential is computed in the case of distributing conductor corrosion and thinner. It shows that the entrance of electric current and the grounding system border′s conductor break off can result in a huge potential difference in the grounding system. The research indicates that the corrosion grounding grid should reinforce its borders′ capability in the entrance of electric current and anti corrosion. Keywords： grounding system； node of grids； the earth′s surface potential； distributing corrosion destruction； EMTP； entrance of electric current 接地网是变电站安全运行的重要保证，它不仅为变电站内的各种设备提供公共参考地，而且在系统故障时能迅速排泄掉故障电流，降低变电站地电位升，保证人身和设备的安全［1-2］。在我国,接地网所用的材质主要为普通碳钢，其抗腐蚀性较差［3］，常因施工时焊接不良，漏焊或土壤的腐蚀、接地短路电流电动力作用等原因，造成接地网均压导体之间或接地引线与均压导体之间存在电气连接不良的故障点［4］，从而使接地网接地性能变坏。工程上对地网接地性能好坏的检测经常通过对接地电阻的大小来间接判断。但大量的事实和经验教训表明，接地电阻不是判断接地网性能的惟一标准［5］。对于大型接地网,当电力系统发生短路故障时,接地网上的电位分布是不均匀的，接地网上不同点之间的电位差可能在不同仪器间形成电流［6］,造成干扰。因此，国内外学者对于接地网不等电位进行了大量研究，但其研究都是基于接地网完好的情况下进行的，而对接地网在腐蚀和破坏情况下的性能研究很少，因此，有必要研究接地网在腐蚀和破坏情况下的性能。 1 对接地网模型的建立 假设接地网处于无限大的土壤介质当中，由四根导体组成“口”字形［7-8］，接地电流从其一角注入。注入到接地网中的电流在沿导体轴向流动的同时会向大地中泄漏，假设电流都是从每段导体的中点泄漏的，如图1所示。 图1 接地网简化模型 根据图1，可得4个电流泄漏点之间的关系，如图2所示。 图2中四段导体的泄漏电流［I］=［I5，I6，I7，I8］，相对于无穷远处的电位［U］=［U5，U6，U7，U8］。［U］,［I］与自阻抗和互阻抗的关系为： 图2 接地网自电导和互电导示意图 I5I6I7I8= G11 G12 G13 G14 G21 G22 G23 G24 G31 G32 G33 G34 G41 G42 G43 G44 U5U6U7U8 (1) 式中： ［G］ 中Gii为自电导;Gij为互电导;i,j为电导的编号。 2 对腐蚀后接地网的仿真 本文使用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP建立了仿真模型［9-10］，进行了大量仿真试验。如图3所示。 图3 接地网示意图 算例为一个4×4个网格的正方形接地网，边长为80 m，每个网格的边长为20 m，地网的埋深为1 m，接地导体的等效半径为0.01 m。假设土壤电阻率为100 Ω?m，接地导体为电阻率1.69×10-8 Ω?m的铜材，注入电流为10 000 A的工频电流，注入点为地网角的A点，如图3所示，假设10 000 A的故障电流由A点流入。 首先假设接地网导体全面腐蚀，导致所有导体的等效半径变小，经过计算可得出图4。 图4中线2为接地导体半径是0.01 m时沿地网对角线的地电位升，线1为接地导体半径是0.002 m时沿地网对角线的地电位升。从图中可以明显看出，线2要比线1平缓，且线2最高电位升比线1的低，这可能是由于导体尺寸过小时，电流不能快速有效地流入大地造成的。 图4 导体腐蚀变细后地表电位升与原值的比较 以往的经验和很多现场事实表明，在电流注入点处的接地网往往比其他点腐蚀的快些，因此首先模拟A点附近处的断线情况。图4中与A点连接的有两条线，如果两条线都被腐蚀断线的话，则整个接地网将与电流注入点脱离，A点的电位升变得很大，接地网将失去作用。再模拟与A点连接的两条线中一条断线，另一条腐蚀变细为原来的1/4的情况，计算出图3中虚线各交点的地电位升，结果如图5(a)所示。 当发生上述故障时，电流注入点附近的地电位升变得很高，而且斜率很大，这就增大了跨步电压的危险和多点接地设备受损的可能。当导体通过很大的电流时，导体因发热断裂的可能增大，会加剧对地网的破坏，由此可见电流注入点处地网的强度非常重要。 模拟B点周围发生部分断线和全部断线的情况，计算出图4中每点的地电位升，可作图5(b)和图5(c)。从图5(b)和图5(c)可以看出，当地网中心处的B点附近的部分导体断裂时，B点上方的地电位稍有下降，其他点的变化不大。当B点四周全部断裂时，B点上方的地电位下降较大，但与其周围的非导体正上方的地电位的差值反而变小。地网内部的个别导体的损坏对地网影响较小。 模拟E点周围发生部分断线和全部断线的情况，计算出图5中每点的地电位升，结果如图5(d)和图5(e)所示。从图5(d)和图5(e)可以看出地网边缘处部分断线所引起的地网网内电位差的值比地网内部分断线的情况要大。地网边缘处全部断线会造成地网内部巨大的电位差，对安全构成很大的威胁。 模拟F点周围发生全部断线的情况，计算出图4中每点的地电位升，结果如图5(f)所示。从图5(f)可以看出，地网边角处的损坏会把地网外部的强烈的地电位下降引到地网内部，造成巨大的网内电位差，这样的情况对安全很不利。 由以上分析可得：地网边缘边角地区的接触电压、跨步电压最大，为“危险区”，应采取相应的防护措施，保护人身安全。 图5 对腐蚀后接地网的仿真 3 结 论 本文运用场路结合的思想将接地网导体间的互阻抗加入到接地网的节点电压方程中，而后把节点电压方程还原成等效电路，通过电磁暂态仿真软件ATP-EMTP搭建了仿真电路。分别对接地网腐蚀变细的情况、电流注入点附近的导体腐蚀断线的情况、接地网中心非电流注入点附近导体部分断线和全部断线的情况、接地网边缘和边角导体部分断线和全部断线的情况下地表电位的分布情况进行了仿真计算。研究表明，应重点加强接地网边缘边角处的抗腐蚀性能。 参考文献 ［1］肖新华，刘华，陈先禄，等．接地网腐蚀和断点的诊断理论分析［J］.重庆大学学报，2001，24(3)：72-75. ［2］刘渝根，滕永禧，陈先禄，等．接地网腐蚀的诊断方法研究［J］．高电压技术，2004(6)：19-21. ［3］周永志．变电站接地装置存在的问题及其解决［J］．华北电力技术，2001(12)：57-58. ［4］王硕，刘渝根，游建川，等．大型接地网腐蚀优化诊断［J］.重庆大学学报,2006，29(8)：33-35. ［5］刘健，王建新，王森．一种改进的接地网故障诊断算法及测试方案评价［J］.中国电机工程学报，2005，25(3)：71-77. ［6］鲁志伟，常树生，张久禄．大型变电站接地网的网内电位差［J］.电力建设，2004，25(9)：39-40. ［7］徐华，文习山，舒翔．接地网的一种分析模型［J］．高电压技术，2004，30(z1)：108-109. ［8］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. ［9］项玲，胡敏强，郑建勇．运用EMTP预测变电所接地网雷电暂态效应［J］．高电压技术，2005(6)：69-72. ［10］韩丽娜，杨志坚，李虎．电磁暂态程序EMTP在电力系统的应用［J］．广东输电与变电技术，2006(2):19-22. ［11］黄小银，陈晨，程晓煜，等．电型工矿企业总降接地网设计机辅分析［J］．电网与清洁能源，2010，26(7):53-57. ［12］毛敏.新疆下坂地水电站的接地系统设计［J］．电网与清洁能源，2009,25(12):87-90. 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 |
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