基于CDEGS的接地網仿真應用研究

張少軒，王 浩

（中鐵電氣化局集團有限公司，工程師，四川 成都 610000）

拉林鐵路位于青藏高原主體區域，建于此地的牽引變電所土壤電阻率高，需采用有效的降阻方案降低接地電阻，但確定降阻方案實驗條件實施困難，無法判斷降阻方案是否可行，針對此問題提出采用仿真的方式對降阻方案進行驗證。

1 仿真軟件及土壤電阻率測量方法

1.1 CDEGS仿真軟件簡介

CDEGS集成工具軟件包是一套功能強大的集成軟件工具。可針對土壤結構的分層情況進行擬合，模擬最佳的土壤結構，還可以通過分析接地網絡求解短路電流值的大小，計算跨步電壓和接觸電壓。

降阻方案驗證需應用的模塊主要包括RESAP、MALT、FCDIST等。CDEGS軟件主要功能為土壤結構模擬如圖1所示：

圖1 土壤結構模擬

1.2 土壤電阻率測量方法

為真實反映整個接地系統中的土壤情況，應當對接地系統土壤進行有效測量，其中，若采用等距測量法（如wenner法），最大測量間距S不應小于地網對角線長度；探針深度如電流極探針深度Do與電壓極探針深度Di不應大于測量間距的1∕5。wenner法測量原理圖如圖2所示。

圖2 wenner法測量原理圖

測量過程中，應注意在短間距時探針深度的記錄，以及長間距時信號發生器的功率是否滿足要求；否則會出現短間距時，探針深度超過測量間距的1∕5（此時需考慮探針深度），或者在長間距測量時，信號太弱，容易受到干擾。

由于牽引變電所內回填土的土壤結構區別于所外，因此在變電所場坪內測量表層土壤電阻率，并在所外20～30m一處平行牽引變電所主地網的線進行長間距測量以測得深層土壤電阻率，具體測量方法如下：

（1）推薦測點分布應為（單位：m）：

0.1 、0.2、0.3、0.5、0.7、1、2、3、5、7、10、20、30、50、70…

為了體現接地系統表層電阻率，推薦測點應從0.1m開始測量，并保證最大測量間距不小于接地網對角線長度，其中起始點的選擇無硬性要求，地面下無金屬管線即可。

（2）在已完成土建等主體工程后的變電所中，應在所內進行短間距測點測量，并在所外進行長間距測點測量。數據宜按推薦測點分布，除去在所內測試的短間距測點，再測試1組數據，直至接地網對角線長度以上為止。

2 仿真應用研究

2.1 降阻方案

朗縣牽引變電所為例，其場坪大小為80m*75m，所內原始主地網采用由水平地網及垂直接地極構成的復合地網。水平接地網埋設深度0.8m，采用150mm2銅絞線；垂直接地極采用φ18、長度為3m的純銅棒。

朗縣牽引變電所采取的降阻措施，主要為：實施深井接地極、地網外擴等結構性降阻措施，并在深井內填充納米石墨接地焦以改善土壤環境。采取降阻措施后的朗縣牽引變電所接地系統布置圖如圖3所示。

圖3 朗縣牽引變電所接地系統布置圖

具體為：在原始主地網的基礎上外擴地網，采用埋深0.8m的150mm2銅絞線，每隔40m設置一處50m深井接地極，深井成孔直徑為110mm，其中垂直接地體采用φ18mm純銅接地體，深井及水平溝槽回填采用納米石墨接地焦材料。此外，獨立避雷針接地體設置并聯30m埋深避雷針深井接地極，深井成孔直徑為110mm，水平接地體采用埋深0.8m的150mm2銅絞線，垂直接地體采用φ18mm純銅接地體，深井及水平溝槽回填采用納米石墨接地焦材料。

2.2 土壤模型反演

朗縣牽引變電所土壤電阻率現場測試數據如表1所示：

表1 土壤電阻率現場測試數據

3 5場坪外第一組 東側/20 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 5 7 10 293 263 315 315 318 317 315 316 310 297 296 277 217

根據工程輸入參數中土壤電阻率測量數據后導入CDEGS仿真軟件進行土壤模型反演。根據土壤反演模型，確定朗縣牽引變電所土壤電阻率分布如表2所示：

表2 土壤電阻率與土壤厚度

2.3 接地電阻仿真計算

朗縣牽引變電所的主地網模型如圖4所示：

圖4 朗縣牽引變電所的主地網模型

根據表2中導入土壤模型反演數據，利用CDEGS軟件仿真后，軟件仿真結果如圖5所示：

圖5 軟件仿真結果

根據仿真計算結果，朗縣牽引變電所接地系統阻抗為0.45445Ω。

2.4 接地系統電阻值校驗

根據牽引變電所外電輸入參數及接地電阻仿真計算中所得到的朗縣牽引變電所接地系統阻抗值，導入CDEGS仿真軟件進行短路電流分流計算，其結果如圖6所示：

圖6 朗縣牽引變電所分流系數計算輸入界面

由仿真后計算結果可知，入地短路電流為4142.4A，入地短路約占總短路電流的47.8%（分流系數約為0.478）。

朗縣牽引變電所為220kV進線電壓等級的牽引變電所，單相短路電流取8663A。按照《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB10009-2016）4.13.5的要求，牽引變電所接地電阻需滿足：

IG為流經接地裝置的入地短路電流，R為考慮到季節變化的接地裝置的最大接地電阻。

根據接地電阻仿真計算和牽引變電所短路入地電流的計算結果，朗縣牽引變電所阻抗為0.45445Ω，將入地短路電流4142.4A代入公式可得R=0.48281Ω，0.45445Ω＜0.48281Ω，因此朗縣牽引變電所接地系統電阻值校驗為合格。

3 接地系統安全性評估

根據《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）中對接地電勢及跨步電勢的閾值要求

接觸電勢閾值

跨步電勢閾值

其中：

ρs為表層土壤電阻率，ts為故障清除時間，Cs為表層衰減系數（根據GB∕T 50065-2011 C.0.2工程中對地網上方跨步電位差和接觸電位差允許值的計算精度要求不高（誤差在5%以內）時，也可采用C.0.2式計算）

hs為表層土壤厚度，ρ為下層土壤電阻率（表層土壤的下一層土壤電阻率）。

為了提高接地系統安全性，防止人員意外觸電引發安全事故，朗縣牽引變電所在室外設備區域均敷設了碎石（特征電阻率計為3000Ω·m，敷設厚度不低于15cm，即表3中表層土壤厚度0.15m），從而提高接觸電勢以及跨步電勢安全性限值。

下面針對已敷設碎石的接地系統進行安全性評估。已敷設碎石時，將表層土壤電阻率、下層土壤電阻率、表層土壤厚度、代入公式（3-3）后可得表層衰減系數。將表層衰減系數、故障清除時間等參數帶入公式（3-1）與公式（3-2）中可得出接觸電壓與跨步電壓的限值，結果計算參數如表3所示：

表3 朗縣牽引變電所接地系統安全閾值計算表

朗縣牽引變電所接地系統的接觸電勢和跨步電勢的計算值由最大故障電流與實測接地網阻值、主網網格間距大小等理論數據計算得出，其計算仿真計算值如圖7、圖8所示：

圖7 朗縣牽引變電所接觸電勢仿真計算值

圖8 朗縣牽引變電所跨步電勢仿真計算值

經過比對，朗縣牽引變電所接觸電勢與跨步電勢計算值均低于安全閾值，結果如表4所示，朗縣牽引變電所安全校驗通過，接地系統評估為安全。

表4 朗縣牽引變電所接地系統安全評估結果表

4 總結

通過仿真軟件CDEGS對朗縣牽引變電所采取的深井接地極并填充納米石墨接地焦的降阻方案進行驗證，經過土壤模型反演、仿真計算接地電阻阻抗、接觸電勢與跨步電勢對接地系統的安全性進行評估，確定降阻方案滿足要求。采用的仿真軟件具有精度高，速度快，方案參數改變簡單快捷，節省了現場驗證所需要的人工和材料等成本，取得了較好的效果。