[发明专利]水平双层土壤中地网面积的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平双层土壤地网面积的设计方法，属于电力设计领域。

背景技术

地网是发电厂、变电站或换流站的重要组成部分，当发生接地短路时，故障电流通过地网向大地扩散，接地电阻是衡量地网散流性能的一个重要参数，为了保证人身与设备安全，变电站、发电厂或换流站设计时必须将地网的接地电阻控制在一定范围以内。地网接地电阻主要与土壤参数和接地网面积有关。通常情况下土壤为水平分层结构，如平原地带上层是由沉积产生的很厚的土壤层，下层为岩层或碎石层，而山区地区上层为风化岩与土壤、碎石组成，下层为致密的母岩层，在地网设计中，要考虑几十米到一百多米深的土壤结构，在这个范围内，土壤通常为水平双层结构。当土壤参数确定之后，地网面积的大小直接决定了接地系统的接地电阻，设计中主要通过地网面积来限制接地电阻，因此水平双层土壤中地网面积的设计方法对电力系统中变电站、发电厂或换流站的建设有着非常重要的意义。

目前国内外一般采用有限元法(FEM)仿真的方法来确定水平双层土壤中地网的面积，即采用计算机建立水平双层土壤结构模型，再建立地网模型，然后通过镜像法或复数镜像法计算地网接地电阻，当不满足标准要求时，则通过人工修改模型地网的面积，重新进行计算，通过反复修改和计算最终得到符合要求的地网面积。该方法需要购买专业的计算软件，而且技术人员必需接受建立地网和土壤模型的培训与学习，同时建模与计算需要花费大量的时间，当地网面积很大或土壤模型较复杂时，整个建模和计算的时间将超过数天或数周。然而，工程应用的实践中需要设计一种简便快速的地网面积设计方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种水平双层土壤地网面积的设计方法。该方法不需要建立土壤结构模型与地网模型，利用相应的参数即可进行地网面积的计算和设计，其工作量小。

本发明是利用接地电阻随着地网面积增大而减少的规律，以及其与土壤参数的函数关系而设计的。本发明解决上述技术问题的技术方案的技术思路是根据获取得到的水平双层土壤的参数，以及变电所征地情况，初步确定地网面积，然后通过地网接地电阻公式计算得到该面积下的接地电阻，将计算结果与规程规定的接地电阻进行比较，再根据二者的关系调整地网面积的大小，最终得到合符要求的地网面积，使得其接地电阻符合规定的要求。具体讲，本发明的技术方案包括以下步骤(参见图1)：

第一步，获取地网的相关参数，包括第一层土壤电阻率ρ₁和第二层土壤电阻率ρ₂及第一层土壤厚度a，地网设计埋深h。

第二步，确定地网参考等效面积A，该面积可以根据变电站征地情况与形状确定，如通常采用地网边沿距变电站围墙3到5米的方法确定；也可采用以往相同电压等级的变电所设计中采用的地网面积确定；还可以根据上层与下层电阻率的平均值估算地网面积。

第三步，利用均匀土壤接地电阻计算公式确定地网的第一层土壤的参考接地电阻R₁和第二层土壤的参考接地电阻R₂。

参考接地电阻可以采用IEEE标准IEEE guide for safety in AC substationgrounding(IEEE std.80-2000)推荐的以下公式计算而确定：

参考接地电阻也可以采用我国行业标准《交流电气装置的接地》DL/T621-1997推荐的以下的公式计算而确定：

第四步，将第一至三步的数据带入下列算式进行计算即得到水平双层土壤中地网接地电阻值R，

其中R₂、R₁分别为第三步确定的参考接地电阻。h为地网埋深；a为第一层土壤厚度，ρ₁、ρ₂分别为第一层、第二层土壤电阻率，r为地网等值半径

第五步，将计算得到的接地电阻R与标准进行比较，比如电气行业标准《交流电气装置的接地》DL/T 621-1997中规定通常情况下变电站接地电阻必需满足R≤2000/I，困难情况下接地电阻必须满足R≤0.5Ω，如果满足此要求，则第二步确定的地网参考等效面积A为水平双层土壤地网面积；如果不满足要求，则判断当前地网参考等效面积A是否达到现场条件(如地网边沿距变电所围墙距离不小于3米)充许的最大值，如果没有达到，则重复第二步到第五步；如果达到最大值，则采用其他降阻措施来使地网的接地电阻满足要求，比如，可以采用增加深井接地极、外引接地网、离子接地极以及用低电阻率土壤对表层土壤进行更换等降阻措施降到满足规程要求。