降雨條件下高壓變電站接地系統安全性研究

李軍 章愛鳳

摘要：

為了研究降雨條件下的高壓變電站接地系統安全性，以某220 kV變電站為例，采用數值計算的方法仿真了降雨條件下地表土壤層厚度及土壤電阻率對高壓變電站接地系統安全性的影響。研究結果表明，降雨對接地系統的安全性有一定影響，降雨條件下，地表土壤層厚度變化時，會出現接地電阻的快速短暫的變換過程。此外，降雨形成的低電阻層有利于降低跨步電壓，從而有利于人身安全，但其也可能引起接觸電壓的上升，從而增加安全隱患。

關鍵詞：

高壓變電站; 降雨; 接地電阻; 接觸電壓; 跨步電壓

中圖分類號： TM81

文獻標志碼： A

Study on the Safety of Grounding System of High Voltage Substation under Rainfall Condition

LI Jun， ZHANG Aifeng

（State Grid Chizhou Power Supply Company， Chizhou， Anhui 247000， China）

Abstract：

In order to study the safety of grounding system of high voltage substation under rainfall condition， the influence of surficial soil thickness and soil resistivity on the safety of grounding system of high voltage substation under rainfall condition was simulated with the method of numerical calculation， by taking a 220 kV substation as an example. The results show that the safety of the grounding system is affected by rainfall to some degrees. The grounding resistance changes rapidly in a short time when the surficial soil thickness changes. In addition， the soil layer with lower resistance formed by rainfall is conducive to reducing the step voltage， which is conducive to personal safety， but it may also cause the increase of the touch voltage， so that the risk is increased.

Key words：

high voltage substation; rainfall; grounding resistance; touch voltage; step voltage

0引言

變電站接地系統是變電站的重要安全屏障：良好的接地設計可以將故障情況下的過電流充分流散到大地系統，從而將地電位的升高限制在合理范圍內，確保電壓水平在設備運行條件及絕緣水平可承受的范圍內，同時使跨步電壓與接觸電壓均在人員可承受的安全范圍內，從而確保變電站運維人員的人身安全[14]。然而，降雨對土壤層的電阻率及表面低阻層厚度產生較大影響，進而影響到變電站接地系統的安全性能[58]。為了留有充分的設計裕度，有必要研究降雨條件下接地系統安全性的變化規律，獲取降雨對接地系統安全性的影響，從而更好地指導變電站接地系統的設計。

本研究以某220 kV高壓變電站為例，采用數值計算的方法，研究了降雨條件下變電站接地系統的接地電阻、跨步電壓與接觸電壓的變化情況，獲得了降雨對高壓變電站接地系統安全性的影響規律。

1降雨與土壤電阻率及接地系統安全性的關聯關系

變電站所在區域的巖土電阻率主要受到水分含量、所形成的電解質溶液性質及相應濃度的影響，通常認為土壤的導電形式為離子導電[910]。已有的研究結果表明，水分含量對于土壤電阻率有重要影響，通常含水量較高的土壤電阻率較低，而含水量較少的土壤電阻率較高。通常認為含水量在10%以下時，含水量對土壤電阻率的影響相對較大，此時隨著含水量的增加，土壤電阻率急劇下降：含水量從2%升高到10%，土壤電阻率降幅達80%以上;而當含水量大于10%時，例如從10%增加到25%時，土壤電阻率的下降幅度在90%左右[1112]。上述統計數據表明，含水量對土壤電阻率的影響存在邊際遞減的效應，即當含水量增加到一定程度時，同樣的含水量增加值引起的土壤電阻率下降值卻大大減小，也即土壤電阻率的下降過程存在飽和特征，這主要是因為土壤中的水分大量匯集形成導電通道后，水分的繼續增加對于增加土壤電阻率導電性能的作用大大減小，因此其對土壤電阻率的改變作用也開始變得微小。

盡管含水量對土壤電阻率的影響存在邊際遞減與飽和效應，但是干燥情況下的變電站接地系統表層土壤的電阻率仍然比降雨條件下的土壤電阻率高很多倍。此外，降雨程度的不同會引起表面低阻層厚度的變化。上述因素均會影響到接地系統的安全性，因此，有必要仿真計算降雨對上述參數的影響，獲取降雨對變電站接地系統安全性的影響規律。

2接地系統安全性參數的數值計算方法

2.1等電位計算模型

假設有電流I流入鋪設在變電站的接地系統中，則可根據恒定電流場理論，采用格林函數的基本原理獲取電極泄流電流在點P處產生的電位[13]如式（1）。

式中以無限遠處為參考點，J（Q）為泄流電流密度在電極表面上點Q處的值，G（P，Q）為相應于電極幾何形狀的格林函數，它表示單位電流密度流經Q點時在P點感應的電位大小。此時，從變電站接地網導體流入土壤的總泄漏電流為I可表示如式（2）。

將接地導體劃分為n個微小單元，則可將上述積分形式簡化為求和的形式[14]，如式（3）。

式中，UP是微小單元j的中點Cj處的泄漏電流Ij在P點感應的點位;G（P，Cj）為G（P，Q）在j上的平均值;當P位于微小單元j上時，G（P，Cj）為微小單元j的自電阻Rjj，當P位于微小單元i上時，G（P，Cj）為微小單元i和j的互電阻Rij。根據相關定義，可將式（3）改寫如式（4）。

上式可進一步改寫成矩陣形式如式（5）。

上式的邊界條件為UP=U=定值。將式（5）進行逆運算，可得[I]=[R]-1U，此時可計算得到各個接地微小單元入地電流的列向量，從而可計算出由等電位計算方法得到的接地電阻如式（6）。

2.2仿真參數設置

仿真分析時以某220 kV變電站為原型，并對該變電站進行簡化抽象與建模。最終的參數設置如下：仿真模型為100 m×90 m的水平接地網，同時假設接地網中的接地導體間距相同，且設置間距為10 m，接地網的埋設深度設置為1 m。假設不考慮降雨條件下的土壤分布均勻，其電阻率為200 Ω·m，而考慮降雨條件的土壤電阻率則在10200 Ω·m范圍。為了揭示降雨條件下高壓變電站接地系統的安全性，分別仿真研究降雨條件下地表土壤層厚度及土壤電阻率對接地系統安全性參數（如接地電阻、接觸電壓與跨步電壓）的影響規律。

3降雨條件下的高壓變電站接地系統安全性

3.1降雨條件下地表土壤層厚度對接地系統安全性的影響

1） 土壤層厚度對接地電阻的影響

為了更加直觀地對比分析，降雨條件下的土壤電阻率取值取極端情況下的值，即10 Ω·m，非降雨條件下的均勻土壤電阻率取值為200 Ω·m（下同）。上述兩種條件下土壤電阻率隨地表土壤層厚度h的變化規律，如圖1所示。

由圖1可知，在兩種條件下，變電站接地系統的接地電阻均隨地表土壤層厚度的增加而減小，但在不同的地表土壤層厚度區間內，其減小的規律并不一致。按照地表土壤層厚度的區間不同，可分為3個區間進行討論分析。

①當地表土壤層厚度小于接地網埋設深度時，接地電阻隨地表土壤層厚度的增加而緩慢減小。值得注意的是，降雨條件下的土壤電阻率更低，從而導致在該區段內接地電阻的下降更多。這主要是因為流經地網的故障大電流會從地表低阻層通過，低阻層的土壤電阻率與厚度越大，則對電流流通的分散作用越大，因而使得接地電阻的降低越明顯。②當地表土壤層厚度與接地網埋設深度接近時，接地電阻會有一個快速短暫的減小過程，并且變化過程中接地電阻變化量大小與土壤電阻率有關。土壤電阻率越低，則這個變化量越大，因此降雨條件下的土壤電阻率的減小量明顯比干燥條件下的減小量大。產生上述急劇變化的原因是地表低阻層厚度大于接地網埋設深度時，地網將處于地租層中，此時流經地網的故障大電流可以從地租層形成泄流通道，因此接地電阻急劇降低。③當地表土壤層厚度大于接地網埋設深度時，接地電阻同樣隨著地表土壤層厚度的增加而減小，但土壤電阻率小時，接地電阻降低的幅度更大，也即降雨條件下變電站接地電阻的減小幅度比干燥條件下的減小幅度更大。

2） 土壤層厚度對接觸電壓與跨步電壓的影響

不同土壤層厚度h下的接觸電壓Ut隨土壤電阻率的變化規律，如圖2所示。

為了更加直觀地對比分析，本研究中均將接觸電壓與跨步電壓的值進行歸一化處理，并以非降雨條件均勻土壤情況下的接地網接觸電壓與跨步電壓值作為標準參考值。由圖可知，當h小于接地網埋設深度時，地表低阻層將導致接觸電壓的增加，且這種影響程度隨著低阻層電阻率的降低而增大。當h大于接地網埋設深度時，接觸電壓將隨著電阻率的減小而急劇減小，且變化幅度與土壤電阻率的大小有關，土壤電阻率越大，其減小幅度越大。

降雨條件下與非降雨條件下（對應于不同的土壤電阻率ρ）跨步電壓隨土壤層厚度的變化規律，如圖3所示。

由圖3可知，跨步電壓隨著土壤層厚度的增加而減小，但這種減小規律隨著土壤電阻率與土壤層厚度區間的不同而不同。兩種條件下跨步電壓均隨土壤層厚度的增加而減小，但在土壤層厚度較小時，降雨條件下跨步電壓的下降速度明顯更快，這表明在降雨情況下，低阻層會引起地表跨步電壓小于正常情況下的跨步電壓，這對人身安全較為有利。

3.2降雨條件下土壤層電阻率對接地系統安全性的影響

1） 土壤層電阻率對接地電阻的影響

降雨條件下接地電阻隨地表低阻層電阻率ρ的變化規律，如圖4所示。

可以看到，當土壤層較薄時，接地電阻幾乎不隨電阻率的變化而變化。但隨著降雨的發生，地表土壤層的厚度增加，接地電阻減小，且在不同的土壤層厚度水平下，接地電阻的減小速度差別不大，總體上均隨著土壤電阻率的增加而增加。

2） 土壤層電阻率對接觸電壓的影響

降雨形成的地表低阻層電阻率ρ與接觸電壓的關系圖，如圖5所示。

由圖5可知，當地表低阻層的厚度低于接地網埋設深度時，接觸電壓將隨土壤電阻率的減小而增加，當電阻率較小時，地表低阻層將導致接觸電壓的增幅超過40%。而當低阻層的厚度大于接地網埋設深度時，接觸電壓則隨著低阻層電阻率的減小而減小。降雨條件下跨步電壓隨地表電阻的減小而減小，且此時受到影響的土壤層越薄，則影響程度越小。例如，當地表低阻層的電阻率為10 Ω·m且地表土壤層厚度為0.1 m時，接觸電壓比正常情況下的接觸電壓增加40%左右，但是降雨條件下土壤層厚度為1.25 m且電阻率保持不變時，接觸電壓只有正常情況下接觸電壓的35%左右。

4總結

根據某220 kV變電站進行抽象建模，利用數值仿真的方法，研究了降雨條件下的高壓變電站接地系統安全性。仿真結果表明：① 降雨條件下，地表土壤層厚度從地網上表面跨越變化到地網下表面時，會引起接地電阻的快速短暫變化過程，且降雨條件下的土壤電阻率越低，則接地電阻減小的幅度越大。② 地表低阻層厚度小于接地網埋設深度時，接觸電壓高于正常情況時的接觸電壓，且其影響隨著低阻層電阻率的減小而增大。當低阻層厚度大于接地網埋設深度時，接觸電壓隨低阻層電阻率的減小而減小，且低于正常情況下的接觸電壓。③ 降雨形成的地表低阻層有利于減小跨步電壓，對人身安全有利，但是其可能引起接觸電壓的上升，因而增加安全隱患，必須加以防范。

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（收稿日期： 2019.07.21）

作者簡介：李軍（1970），男，本科，高級工程師，研究方向：電網設備運維管理。

章愛鳳（1974），女，本科，高級工程師，研究方向：用電設備運行及信息化技術支持。

文章編號：1007757X（2020）08009803