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    分层土壤中有效接地栅网的设计
    发布时间:2014-7-15

    摘 要 对均匀的水平分为多层土壤中接地栅网构形对接地的效应进行说细分析。其分析结果显示出:在接地性能和成本费效益最好的设计决定于土壤的结构和特性。在没有埋入接地棒的情况下,有均匀网孔尺寸的接地栅网在具有高电阻率(相对于其下在的土壤的很薄一层(相对于栅网尺寸)顶层土壤中是很有效的。当接地栅网的四周边缘部分为小尺寸栅网时,地均匀土壤和低电阻率的顶层土壤中都有最佳的接地性能。而埋入土壤中的接地棒只有其大部分长度与低电阻率土壤接触时才会是有效的。 
    1概述
    对高电压电气装置设计的大多数接地系统的配置形式都是相当类似的。尽管在接地系统方面,以及在广泛使用计算机软件来自动化进行这些接地设计方面有相当大的进步。然而有一些出版物已经指出,在有给定土壤结构的接地系统区域内存在最好的接地导体位置。这种情况的原因之一是,许多接地系统的标准把注意力集中在有规划间距的导体的接地栅网设计,而较小注意到基于不均匀导体间距的另一种接地栅网设计。另一个更可能的理由是缺乏有关最有期望的有效初始接地系统配置形式的合适信息资料,用于在开始设计时可避免漫长的试算过程。换句话说,需要有一份合适的参考资料,包括必要的设计导则,使得接地系统的设计者能够迅速把注意力集中到最有效的接地设计上,这就是本文的最明确的主要目的。
    本文分为三个部分:第一部分是我们对埋设在均匀土壤中的典型矩形接地栅网开始进行分析。首先要考虑接地导体的水平间距的影响效果,接着要考虑接地棒对接地设计的影响效果。第二部分是对两种类型的两层土壤结构进行检验。像对均匀土壤进行调查研究那样,考虑接地导体间距离情况的影响效果。稍后再考虑接地棒对接地栅网性能的影响效果。第三部分是考虑多土壤的结构,将其结构与有关相应等效的两层土壤模型的结构进行比较。
    2 计算机的参数分析
    2.1基本参考的接地栅网构形
    矩形接地栅网的基本构形如图1所示的,用来进行参数分析。选用矩形接地栅网,而不是选用方形接地栅网,这是因为矩形接地栅网代表了大多数高压接地系统装置,它们是矩形接地系统,而不是方形接地系统。此外,可以相信,对于矩形接地栅网,容许有把握的利用不同的长/宽比推算到方形栅网和其它矩形栅网。
    当然,还期望对方形栅网和其它矩形栅网进行更多方面的参数分析,但是,那就要求相当多的计算机运算,而不是可行就算了。本文的主要目的地是对初始的计算机设计提供导则,而不是只进行最终设计。 
    图1的接地系统为100×60m栅网,由7根等间距的水平导体垂直于11根等间距的水平导体所组成。所有水平导体的埋设深度都为0.5m,所有导体的半径为0.52m。接地导体的总长度为1360m。本文考虑的所有设计构形的总长度值为一个不变常数值。换句话说,当将一个设计中的接地栅网的水平导体在另一个设计中重新配置其水平导体时或者增加一些接地棒时,这些水平导体和接地棒的总长度都要保持为一个不变常数值,为1360m。所有情况中认为本文研究中使用的均匀土壤或者分层土壤中底层土壤的电阻率都应保持为一个常数值100Ω-m。
    2.2导体的压缩比
    用一个导体压缩比C表示接地栅网周线内导体的密度。图2示出的不同导体压缩比C为0.0至1.0范围内的各种接地栅网(以均匀间距导体为基准)。不考虑导体压缩比C大于1的情况(即,从接地栅网周线处朝着接地网中心处的方向来说,导体的密度值越来越大),因为对于均匀土壤或者分层土壤,这种C值不会构成有效接地栅网设计。还要注意,虽然沿着栅网的长度和宽度方向可能采用不同压缩比值,为了简便起见,沿着栅网的各边采用同一个比值为好。根据矩形栅网,可以想得到的以及从逻辑上来要求,沿着栅网宽度的压缩比C值稍低于沿着栅网长度的压缩比C值,这种栅网比具有同一压缩比C值的栅网会是一个更为有效的设计。导体压缩比C值与最大导体间距C/max以及栅网尺寸有关,见下述。
    设N是垂直于一个已知栅网长度L轴线的期望的导体数量。那么,趋近于栅网中心外的c/max由下列公式得出:
    2.3均匀土壤
    图3示出了栅网使用CDEGS软件包的低频接地模型对各种不同栅网导体压缩比C计算得出的接地电位升(GPR)和最坏接触电压(GPR%)。
    从图中可以清楚地看出,当压缩比C为0.6时,最大接触电压为17.6%GPR,是最小值。正如所期望的,大约为42%GPR的最坏的电大接触电压发生在c=0的时候,它相当于除了两根导体相交位于栅网中心处之外,其余的所有导体都在栅网的四个边上而相邻两边形成的直角处(四个网状栅网)。对于C=1.0(均匀间距导体)的最大接触电压大约为22%。栅网GPR(或者栅网电阻)以C值为函数或正比例的变化很少。实际上,GPR的最大值与最小值之间的最大差值小于最大GPR值的21%。最后,最大阶跃电压(图中未示出)都会受压缩比C值的很大影响。
    图4示出的四种不同的栅网和接地棒的情况。其压缩比C有1.0和0.6两种,而接地棒的长度有3m和10m两种。按照接地导体的总长度为1360m这个不变常数值来选择接地棒的数量和长度。
    表1表示:使用相对较短的接地棒在两种压缩比C为1.0和0.6的情况(第3和4种)下,都不如压缩比为0.6的水平导体的栅网有效。然而,当对均匀间距栅网使用较长接地棒(10m)时,GPR值显著降低,而接触电压(%)基本上仍为 17.6%,与只有C=0.6栅网的情况是相似的。假定故障电流电平保持是同样的(没有必要一定如此),那么,由于采用长的接地棒而可以改善9%的接触电压。对接触电压这种轻微的改善,考虑到将长接地棒打入大地中所耗费用要高得多,而没有多大的吸引力。此外,沿着栅网的长度和宽度方向使用不同的压缩比C值,同时仍要保护接地导体的总长度为一常数值,可能导致进一步降低接触电压。事实上,从表1中见到的第2种情况,栅压的压缩比C=0.6,这时使用接地棒可进一步改进的接触电压为13%,而不是9%。当考虑到将接地棒打入较深土壤中的费用因素, 这种方案仍然是没有吸引力的。
    事实上,进一步分析表示,当接地导体的总长度仍维持一常数值时,降低接触电压的最有效方法是沿栅网的长度和宽度的方向上使用合适的而通常不同的压缩比C值,如本文下面所述,当接地棒打入的是低电阻率土壤层时,接地棒被证明是最有效的。
    2.4两层土壤构造
    现在考虑的情况是在一个接地系统埋在有两个水平层的土壤中0.5m深处,顶层厚度为h,在0(即只有底层均匀土壤的情况)之间变化。底层的恒定电阻值为100Ω-m,而顶层的恒定电阻值分别为10Ω-m和1000Ω-m。如图5所示。
    很明显,人们预计在h=0和h=∞这两种极限情况下计算出来的结果值与上一节示出的均匀土壤情况的结果值是一样的。
    2.4.1 高电阻率的顶层土壤情况
    图6和图7综合了顶层土壤是高电阻率(1000Ω-m),而底层土壤的恒定电阻值为100Ω-m,其厚度为无限大的情况的结果值。图6所示,在各种不同厚度的顶层土壤中,最大接触电压与各种压缩比C值的函数曲线。最大接触电压是从16.7%的最小值(即均匀土壤的情况)变化到86%的最大值(即顶层土壤厚度为3~5m,而压缩比C=0的四个网状栅网的情况)。最大接触电压的最小值是在压缩比C=0.6~0.9的范围内获得的,建议用相当均匀的导体间距的接地栅网对这种土壤构造是最有效的设计。这种结论是不奇怪的,因为,当栅网下面为低电阻率土壤时,与均匀的土壤或者高电阻率顶层土壤相比较,将会促进接地电流沿着接地导体有更均匀的泄漏。
    对图6作进一步的分析可以看出,当顶层厚度h=3m时,已绘制(plotted)曲线偏离开均匀土壤的曲线(当h值由很大的数值降低为0时)。这种变化同时伴有与最大接触电压的最小值相对应的位置的变化方向。当压缩比C从0.6变化到0.9时,则最大接触电压的最小值从90%GPR变化到60%GPR。
    图7建议,在均匀土壤情况下,当压缩比C值超过0.15之后的变化时,接地电位升(GPR)值和栅网电阻值几乎恒定不变。但是当顶层土壤厚度超过0.5m时,即大于栅网的埋入深度时,接地电位升(GPR)值和栅网电阻值的变化是特别灵敏的。若栅网埋入深度在低于0.5m时,即完全埋入低电阻率土壤层中,其GPR值或栅网电阻受到更高电阻率的顶层土壤的影响很小。
    最后,图8表示,最大接触电压的最小值与顶层土壤相接触时(即顶层土壤小于10.5m时),最大接触电压是显著降低的。应注意的是,不仅以GPR%表示的接触电压值是降低的,而接地电位升(GPR)本身在没有接地棒而只有栅网情况的GPR值也是降低的。例如,当顶部土壤厚度h=5m时,只有栅网时的GPR值约为1840V,当增加了接地棒之后,该GPR值则降低到743V。结果,假定恒定故障电流为1000A,当在接地系统中增加了接地棒之后,最大接触电压将以1008V(54.8%×1840V)降低到246V(33.1%×743V)。
    很清楚,接地棒对接地系统性能的效应是显著的,特别是有部分接地棒长度与低电阻率的底层土壤相接触的情况更是显著的。
    2.4.2 低电阻率的顶层土壤情况 
    图10和图11综合了顶层土壤是低电阻率(10Ω-m),而底层土壤的恒定电阻值为100Ω-m,其厚度为无限大的情况的结果值。图10表示,在各各不同厚度的顶层土壤中,最大接触电压与各种不同厚度的顶层土壤中,最大接触电压是以5%的最小值(即顶层土壤厚度为2m,而压缩比C=0.2的情况)变化到40%的最大值(即均匀土壤,而压缩比C=0的四个网状栅网的情况)。最大接触电压的最小值是在C=0.2~0.6的范围内获得的。建议用的栅网是在其边缘部分具有一个高密度的非等间距的导体布置,是最有效的设计,特别是当顶层土壤较薄的情况(相对于栅网的尺寸)是更有效的。这种情况也是不奇怪的,因为,高电阻率的底层土壤迫使漏泄电流从栅网的周边流入更容易导电的顶层土壤中。 
    仔细观察图10就可以看出,最大接触电压的最小值的轨迹曲线近位于压缩比C为0.15~0.55的垂直线之间。该椭圆形的上部分轨迹曲线出现在顶层土壤厚度h<5m的情况,而其下部分轨迹曲线出现在顶层土壤厚度h>5m的情况。建议当将栅网埋于底层土壤而不是顶层土壤时,就可以发生这种过渡转变情况。
    由图11见到的建议,在均匀的土壤中或者在有低电阻率的顶层土壤的两层土壤的情况下,当压缩比C值超过0.15之后的变化时,接地电位升(GPR)值或栅网电阻值几乎恒定不变,但是对顶层土壤厚度h的变化是特别敏感的。
    图12示出了最大接触电压的最小值与顶层土壤厚度h的函数曲线,图中清楚地说明,在均匀土壤情况下,最大接触电压的最小值可达18~19%。当顶层土壤厚度h=1~5m时,这个最小值急剧地降低到了5~6%。对于压缩比C=0.2附近时,会出现最小值。就是说,在栅网的边缘处保持接地导体有高密度的情况。这结论是符合逻辑的,因为,这种接地栅网构形容易使大地漏泄电流从栅网的周边流入更易导电的顶层土壤中。
    最后,对如下所述的接地系统进行分析,当接地棒布置的位置与前面所述的位于有电阻率的顶层土壤中的情况灯似,可以看到,这种情况使用接地棒是无效的,而总是原用水平导体代替接地棒。这是很符合逻辑的,因为,将接地棒打入有高电阻率土壤层中不如在该土壤层中埋入用同样长度的水平导体组成的栅网为好。
    2.5多层土壤结构
    很明显,对一些有用的两层土壤情况,可以在参数分析中进行检验。例如,考虑到其到反射系数(或者电阻率对比值)扩展的结果。对一些多层土壤的情况是交错的,本文只考虑两种简单的情况进行粗略研究,那是不容易用两层土壤类型的分析推论的这两种情况是都有三层土壤模型,其不同的是中间一层土壤显然比上下两相邻层土壤更特别容易导电或者更大的电阻,如图13所示。
    此外,进一步设计顶部两层土壤的厚度(分别为2m和3m)与栅网的尺寸相比都是比较小的。图14表示上述两种类型土壤在不同栅网区缩比C值时的最大接触电压的最小值的变化曲线。图14明确建议,对于这两类型土壤构造的最大接触电压的最小值出现在压缩比C=0.5~0.6的情况。
    3结 论
    对于一些均匀土壤、两层土壤、和多层土壤中,已经做过了接地栅网构形对接地系统性能的影响效应的分析。这项分析工作的主要目的是对接地系统设计师提供初始的平台,他们可以从这个平台来提供他们的设计程序,其目的是尽快地把注意力放在针对土壤构造提出最有效的接地网构形设计。
    (1)在均匀土壤或者有低电阻率顶层土壤的两层土壤构造中,最有效的设计方案是栅网的边缘处布置较密的导体,具有非均匀的导体间距。
    (2)有高电阻率的顶层土壤构造中,最有效的设计方案是具有均匀的或者准均匀的导体间距,特别是当两层土壤电阻率相差较大,而顶层土壤厚度与栅网尺寸相比较又很薄时更好。(3)当压缩比C>0.15时,接地电位升(GPR)值或栅网电阻值的变化不很敏感,但当顶层土壤厚度变化时,该数值的变化又十分敏感。
    (4)只有将地棒打入有低电阻率底层土壤中达到相当深度(与接地棒长度相比)的情况,使用接地棒才是有效的。 
    (5)多层土壤的情况可以认为是具有均匀土壤或者两层土壤的性质,这种性质是以多层土壤将没有与栅网相接触的邻接土壤层的各个电阻率组合在一起(取其平均值)而得到的。从多层土壤中勘查以的有限数量的事例要求这个结论仅能用于在计算机进行设计的过程中的一个粗略起点。
    参考文献
    (1)Effecient Ground Grid Design in Layeared Soils,IEEE Trans.on Power Delirery,1998,Vol.13,No3.
    (2)Optimiged Grounding Grid Design using Variable Spacing Technigue,IEEE Trans. on PAS,1976,Vol,95,No1.
    (3)ANSI/IEEE Standard 80-1986"IEEE Guide for Safety in Substation Grounding"1986年版
    (4)Behaviour of Grounding Systems in Multilayer Soils:a Parametric Analysis,IEEE Trans on PWRD,1994.Vol,9 Nol.
    (5)Integrated Analysis Software for Grounding,EMF and EMI,IEEE Computer Applications in Power,1993,Vol6,No2