1、220kV 变电站接地网改造摘要：对于一个变电站接地网的设计与改造，为了使接地电阻尽可能小，一般取最大接地面积，但当变电站接地网面积很大，接地网不再是等电位的。等间距的变电站接地网的地表电位梯度很大、散流不均匀，为达到国家标准，常常会牺牲较高的成本，因此研究变电站不等电位模型接地网布置具有重要工程意义。本文针对 220kV 变电站采用了等间距和不等间距布置 2 种方法分别计算，利用MATLAB 语言编写对等间距和不等间距布置求最优成本方案的程序，求得将成本降低到最低的最优设计参数，同时考虑了参数的设计具有一定的可行性。最后，将 2 组最优方案数据进行对比，得出结论，画出相应的施工图和电位图，更
2、直观地说明不等间距的优越性。关键字：接地网 等间距 不等间距 1.问题重述某 220kV 变电站最大边长分别为 240m、180m ，主地网为一类似 240180m 的矩形结构。现场实际测得地网数据如下：土壤电阻率 为 75m；220kV 侧最大入地短路电流22.3kA；110kV 最大入地短路电流 10.5kA；请为该变电站设计所需的地网，并绘出相应的施工图和电位比较图。2.设计步骤1：调查土壤特性；短路故障发生在站内 当短路故障发生于站内时，由于“避雷线杆塔”接地系统的分流作用，入地故障电流 i 的计算公式为：故障点的全部故障电流，A；is电网系统提供的短路电流， A；in发电厂、变电站提
3、供的短路电流，A；iB1、2n 通过避雷线分走的电流， A；i 经站内地网流散的入地故障电流， A；Ke1短路故障发生在站内时的分流系数；短路故障发生在站外当短路故障发生于站外时，由于“避雷线杆塔”接地系统的分流作用，入地故障电流 i 的计算公式为：式中：imax故障点的全部故障电流，A ；is电网系统提供的短路电流， A；in发电厂、变电站提高的短路电流，A；iB1、2n 通过避雷线分走的电流， A；i 经站内地网回流的入地故障电流， A；Ke2短路故障发生在站外时的分流系数；1、导体材料选择比较热稳定性、土壤中的平均腐蚀速度、导电性以及经济成本。 2、导体截面积的选择根据热稳定性的要求，我
4、们可以列出方程中：I入地故障电流有效值，A； R导体电阻，；t入地故障电流持续时间， s； G导体质量，g；C导体比热容， ws/g ； 1土壤环境温度， ； 2 导体最大允许温度， ；由于电流大，导体温升快，所以导体电阻 R 和比热容 c 都是随温度变化的函数，即：地网导体一般为均匀导体，其质量可根据导体的密度和体积计算，即：式中： 00 时导体的电阻率， mc0 0 时导体的比热容， ws/g L导体的长度，mm； S导体的截面积， mm2； 导体的温度系数； 导体的比热容系数； 导体密度，g/mm3；入地故障电流计算；地网导体材料及截面大小的选择；地网布置方式的选择；接地参数的计算。 3
5、.接地网改造应达到的标准和参数已知：土壤电阻率 =75m，面积 A=240180m，入地短路电流 I=22.3kA，长L1=240m、宽 L2=180m3.1 土壤特性3.1.1 土壤电阻率根据已知条件，得到土壤电阻率为 =75m3.1.2 土壤腐蚀率根据表 1，得到土壤电阻率、土壤腐蚀度、土壤腐蚀率的关系。但实际工程中，土壤电阻率与土壤腐蚀率之间的这种分类关系不明显，故不妨考虑土壤腐蚀性为中等，取r=0.15mm/a。3.2 持续短路时间据文献2，发电厂、变电所的继电保护装置配置有 2 套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，t e 可按式（1）取值tet m+tf+to
6、 （1）式中：t m主保护动作时间，s；tf断路器失灵保护动作时间，s；to断路器开断时间 s。根据实际通常情况下，t m 取 0.1s，t f 取 0.3s，t o 取 0.2s，t e0.6，取最小值为 te =0.6s。3.3 入地电流根据已知条件，得到入地故障电流为 I=22300A。3.4 地网导体材料3.4.1 材料方面，全面技术经济比较比较如下：1.热稳定性：铜的短时最高允许温度为 300，熔点 1083；钢的短时最高允许温度为 400，熔点为 1550，故钢的耐热性好，能通过更高的短路电流。2.导电性：局部电位差可高达地网电位升高的 10%左右（ Fe=1.710-7m、 Cu
7、=1.6710-8m） 。3.腐蚀性：未镀锌钢在土壤中腐蚀速度约为铜的 45 倍，而镀锌钢在土壤中的腐蚀速度仅为铜的 12 倍，故镀锌钢的耐腐蚀性更好。4 经济性：铜的价格约为钢的几倍到十几倍，钢更为经济。5 污染：铜会产生化学反应生成铜绿 Cu（OH）2，对环境不利。综合以上几方面，材料选用镀锌钢。3.4.2 材料截面积形状截面积形状无外乎为圆形和矩形，但同样的已知条件下，满足同样的标准条件下，通过本文作者的程序验证下得出所需的成本、根数确实相差很大，具体数据就不累赘了，所以实际工程中采用扁钢。3.5 深埋根据文献3，深埋取 0.6-0.8m，不妨取 h=0.6m。3.6 接地电阻根据文献3
8、，当 I4000A 时，R=0.5。式中 I入地故障电流，A3.7 接触电压和跨步电压=-=241.1V =-=292.4V式中 t接地短路电流持续时间，取 0.6s地面土壤率，取 75m（抄的时候改为 Uj 和 Uk）3.8 热稳定性在寿命期内，考虑到腐蚀的影响，接地网及地网主干线的最小截面积应符合（改 S 为 Sg，K 为 c） =246.76mm2式中 Sg接地线的最小截面，mm2；I流过接地线的短路电流稳定值，取入地短路电流 22300A；t接地短路的等效持续时间，取 0.6sc接地线的热稳定系数，钢取 70。考虑 10 年的寿命，则 10 年腐蚀的距离 l=r*y=0.15*10=1
9、.5mm，同时考虑到腐蚀的非均匀性，所以乘以 20%的裕度，得到按腐蚀速度确定的导体截面积及截面长宽。故扁钢截面长和宽 x1，x2 必须满足下式：（x1-l）*（x2-l）=Sg*（1+20%）=246.76=296.1124.接地设计与计算4.1 工频接地电阻的计算根据经验公式，接地电阻为t.Ut 0174 t.US0714 tKIS4.2 接地网的接触电压和跨步电压接触电压和跨步电压的计算与地网布置方式有关，公式分别如下4.2.1 等间距分布：式中：Utmax最大接触电位差，V ；Ktmax最大接触电位差系数。当地网的埋设深度 h=0.60.8m 时，Ktmax 可按下式计算，即：Ktma
10、x= KdKL Kn Ks式中：Kd、KL、Kn 和 Ks 系数，对 3030m2S 500500m2 的地网，可按下式计算。dlgKd250841SlgKS 41023nn76 L 412. 方孔型接地网长孔型接地网式中：n均压导体根数；d均压导体等效直径，mm；L1、L2地网的长度和宽度，m 对于地网最大跨步电压来说，最大跨步电位差一般出现在接地网外缘，它的大小可按下式计算式中：Usmax最大跨步电位差， V；gtmaxtax UK gsmaxsaxU K Ksmax最大跨步电位差系数。正方形接地网的最大跨步电位差系数可按下式计算 302350142 Sn01.n而 T=0.8m，即跨步距
11、离。对于矩形接地网，n 值由下式计算式中：L、L0 分别与前式中意义同。nLS240012/4.2.2 不等间距布置最大接触电压计算式： 见资料最大跨步电压计算式： 见资料式中：n1沿长方向布置的均压带根数；n2沿宽方向布置的均压带根数；m接地网孔数，其中 m=(n1-1)(n2-1)；h水平均压带的埋设深度,m ；L1、L2接地网的长度和宽度,m。4.3 具体数据计算：4.3.1 等间距布置等间距布置采用反推和尝试法相结合，用反推法求出不同情况下满足接触电压的根数 n（n是沿长方向根数和沿宽方向根数的平均数，即 n=（n1+n2）/2） ，然后用尝试法求出不同情况下中成本最优的一种组合，即成
12、本最低的组合，并记录显示出来。程序流程图如下：程序如附录 A，本程序中除了主程序外，还有 2 个子程序，分别是名为 qiuchanghekuan 和qiuchengben 的子程序，前者是为了求出等间距布置下，根据求出的根数平均值 n，来算出网孔尽量为正方形的沿长和宽方向上的根数；后者是为了求出每种情况参数下的总成本，便于主程序中的择优选择。结果如下：最优成本=1.9075e+005最优成本截面长=45最优成本截面宽=dhS.lnThln.Kmaxs 4202 gtmaxtax UK 12最优成本均根数=34最优成本沿长方向根数=39最优成本沿宽方向根数=29最优成本 10 年后截面积=456
13、.7500最优成本跨步电压最大值=227.5401最优成本跨步电压 10 年后最大值=226.3863由此看出，这种最优结果满足标准要求。4.3.2 不等间距布置不等间距布置，由于 Kjmax 和 Kjn 都涉及到 n1 和 n2 的值，故无法用等间距的反推法来求n（其中 n=n1+n2，有别于等间距的 n） ，所以只能用尝试法将不同 n1、n2（当然 n1=n2） 、x1、x2 来分别调用 qiuchengben 子程序求出成本，并通过判断语句求出成本最低即最优方案及其参数，程序流程图如下：程序如附录 B，本程序中除了主程序外，还有 1 个子程序，是名为 qiuchengben 的子程序，比
14、等间距布置少用 1 个子程序，取而代之的是用 2 个 for 循环语句来尝试带入n1、n2（n1=n2） ，子程序是为了求出每种情况参数下的总成本，便于主程序中的择优选择。结果如下：最优成本 =8.5181e+004最优成本截面长=45最优成本截面宽=12最优成本沿长方向根数=16最优成本沿宽方向根数=14最优成本跨步电压最大值=84.9238最优成本跨步电压 10 年后最大值=85.8947最优成本接触电压最大值=227.7939最优成本接触电压 10 年后最大值 =229.4466最优成本 10 年后截面积=456.7500值得一提的是，该程序考虑了接触电压裕度为 1.05，如果不考虑接触
15、电压裕度，则求出的实际接触电压与标准接触电压几乎刚好一致，只相差 0.0001 左右，太冒险，故添加了一定的电压裕度来保证安全。5 成本校核成本是用 qiuchengben 的子程序来自动求，根据实际调查，得到土方费用为 120 元/立方米，镀锌钢材料是 4300 元/ 吨，人工费（包括焊接）是 350 元/ 吨，故根据每种情况的沿长方向根数 nl1，沿宽方向根数 nl2，埋深 h，截面长 x1，截面宽 x2，和相对应的材料质量与长度关系 z（ kg/m）分别得到 3 种费用 tr、cl 、rg ，再求得总费用 chengben。但由于在规格中有部分没有对应的 z 值，故将其设为 0，并用 i
16、f 语句来排除这种情况，程序如下：function chengben=qiuchengben(nl1,nl2,h,x1,x2,z)tr=(180*x1*nl1/1000+240*x1*nl2/1000-nl1*x1*x1*nl2/1e6)*h*120;cl=4300*z*(nl1*180/1000+nl2*240/1000);rg=z*350*(nl1*180/1000+nl2*240/1000);if rg=0chengben=0;else chengben=tr+cl+rg;endend结果，等间距最优方案的成本为 190750 元，不等间距最优方案的成本为 85181 元。相差 10 万
17、左右，节约了不少成本，施工图见附录 C 和 D。6 电位分布2 种情况, 根据 2 种最优方案的数据，用软件画出电位分布图，如附录 E，可看出不等间距的电位分布优于等间距的电位分布。7 方案改进对于地网由于端部效应和邻近效应，等间距布置地面电位分布不均匀，故可在 4 个直角处采用弧形闭合，半径不小于间距，而且可以在边角处的网孔进行二次网孔设计，目的也是在于均匀电位，但是对于不等间距而言，这种优化不理想，因为在不等间距布置的边角处接地极本来就分布比较密集，所以没必要进行二次网孔设计。除此之外，不等间距的设计可以用遗传算法优化模型4，具体实现方法就不详细阐述。当然，实际工程中还有引外接线、采用降阻
18、剂降低土壤电阻率、加大接地体的尺寸、增加接地体的埋深、利用自然接地体、置换土壤等方法来改善参数，但本设计中已经满足标准，所以没必要采用以上方法。8 结语对于面积为 240m*180m 的某 220kV 变电站，本文分别设计了等间距分布地网和不等间距分布地网的最优成本方案，并将 2 种最优成本方案进行比较、分析，选取不等间距布置为最终方案。通过本文所述，可知等间距布置具有结构简单，计算简便，设计施工容易的优点，适用于小型地网的设计场合；不等间距布置具有地面分布均匀，地网安全性高，建设成本低的特点，接地网面积越大，不等间距的技术经济效果越明显，适用于大中型地网的设计。因此在变电站的接地网建设中，根据二种布置各自的优点和实际施工条件及目的，从而选择更合适的参数,以达到节约建设成本的目的。参考文献1 陈先禄等，接地，重庆大学出版社，20012 中华人民共和国电力工业部，交流电气装置的接地 DL/T621，19973 陈家斌，接地技术与接地装置，中国电力出版社，20034 吴广宁，付龙海等，基于改进遗传算法的接地网优化设计，西南交通大学学报，2007，2 期附录 A等间距布置程序如下：附录 B不等间距布置程序如下：附录 C等间距布置最优方案施工图;附录 D不等间距布置最优方案施工图附录 E等间距布置和不等间距布置最优方案电位分布图
