安防之家讯：季节因素对发变电站接地系统安全性能的影响孙为民1，何金良2，曾　嵘2，高延庆2，陈水明2，吴维韩2（1．山东省电力工业局，山东省济南市250001；　2．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）
季节因素将影响地网的安全性能，导致地网的接地电阻、接触电压和跨步电压的改变。采用数值计算方法分析了季节因素对地网安全性能的影响。雨季将导致地网接地电阻及地表跨步电压减小，但有可能导致接触电压增加。冰冻季节将导致地网接地电阻增加，如果冰冻层的电阻率很高，接地电阻将增加到原来的1．7～3．0倍；冰冻季节还导致接触电压和跨步电压增加。当冰冻层厚度超过地网的埋深时，导致地网安全性能的大幅度下降，危害人身安全。在高寒冰冻地区，最好将地网埋在冻土层之下，以确保在十分恶劣的气候条件下地网的安全性能。
关键词：接地系统；季节因素；安全性能
1　引言
发变电站接地系统一方面将正常及故障电流流散到土壤中，另一方面使跨步电压和接触电压在人体容许的安全范围。因为网孔电压是发变电站内最严重的接触电压（除转移电势外），在本文的分析中都是采用网孔电压来代替接触电压［1］。
对于已经运行的发变电站，影响接地系统安全性能的主要因素是季节因素。影响土壤电阻率的两种最明显的季节因素是降雨和冰冻。对粘土试样的测量表明，含水量为2．5％时的电阻率为1400Ω·m，当含水量增加到25％时，电阻率将降到15Ω·m左右。对于盐碱地区，表层土壤的电阻率在雨季将变得很小。对于冰冻地区，温度在0℃以下时，随着温度的降低，含水岩土的电阻率明显增高，当温度下降到接近－20℃时，电阻率高达106Ω·m。在我国东北地区，冬天土壤的冻层厚度可达1．6m。
表征季节因素的两个主要参数是受季节影响的表层土壤的电阻率和厚度。本文的目的就是分析这两方面的因素对接地系统安全性能的影响。对于均匀土壤，可以采用我国的部颁标准［2］和IEEEStd80－1986［1］中提供的计算公式来分析地网的安全性。但考虑土壤分层后，没有现存的经验公式可以用来进行分析，必须采用数值计算方法。
2　数值计算原理
当电流流入埋设在地中的接地装置时，根据恒定电流场理论，以无限远点为参考点，可以得到电极泄漏电流在任意一点P产生的电位为式中　J（Q）为电极表面S上点Q处的泄漏电流密度；G（P，Q）是相应于电极几何形状的格林函数，对于接地参数分析的问题，它代表单位电流密度由电极表面点Q泄漏时在P点产生的电位。
经地网导体流入土壤的总泄漏电流等于流入接地极的电流I
（2）
在恒流场理论的基础上，各种数值计算方法的共同之处都是将复杂接地系统中的任一段导体进行细分，或点源，或线源，将积分式转化为和式。
设电极总长为L，通过L泄漏的总电流是I，将L细分为n个微段，第j微段长为Lj，其中心为Oj，第j段泄漏电流为Ij，于是可得到
（3）
（4）
由叠加定理可得到通过L泄漏的电流I在P点产生的电位
（5）
式中　G（P，Oj）为以Oj为等效中心的单位点电流源在P点产生的电位。为了得到各微段上的电流分布，如果将目标P点分别定位于各微段i，则G（i，j）就代表在第j段施加单位电流源时在第i段上产生的电位，在此定义为互电阻，用Rij表示；当i＝j时，Rij为自电阻。令电极电位（即地电位升）为Vgpr，由式（4）和（5）得如下n＋1维方程组
（6）可见只要知道Rij，就可得到各微段泄漏电流及地电位升Vgpr。知道各微段泄漏电流，则可得到地表各点电位，也就可以得到跨步电压与接触电压。
采用天线理论中的复镜象法来求解G（P，Oj），可以得到比较精确而且相对非常短的等效镜象序列。用复镜像法描述的G（P，Oj）为［3］　
（7）和r′0分别为Oj与P点及其镜像之间的距离。an，bn为复镜象系数，由土壤分层厚度与两层土壤的电导率σ1、σ2所决定。当土壤层数增多时，复镜象系数发生变化，而对计算无本质影响。
3　受季节影响的土壤层厚度对地网安全性的影响
3．1　对地网接地电阻的影响
作为算例，分析时采用间距为10m，埋深为0．8m的100×100m2的水平地网。不考虑季节因素影响时，土壤为均匀土壤，电阻率为200Ω·m。计算时，雨季地表土壤层的电阻率在10～200Ω·m范围变化，冰冻季节地表土壤层的电阻率在200～5000Ω·m的范围变化。为了便于比较，计算结果采用百分数的形式，即以均匀土壤中的地网的接地电阻、接触电压和跨步电压的计算结果作为参考值。
图1所示为受季节影响的地表土壤层厚度h对地网接地电阻R的影响。当地表土壤层的电阻率ρS由于下雨等原因而降低时，从图1中曲线1和2可以看出，如果h小于水平地网的埋设深度H时（图1中虚线左边），R随h的增加而减小，影响的幅度随ρS的减小而增加。由于地表低阻层的存在，流经地网的故障电流将有一部分从低阻层流散，低阻层越厚，流散的电流也越多，R也就降低得越多。当h达到地网埋深时，R减小有一个跃变，表层土壤电阻率越小，跃变量越大。如当ρS为10Ω·m时，跃变量可达10％。当h＞H（图1中虚线右边），R继续随h的增加而减小。
从图1的曲线3和4可以看出，当土壤地表层冰冻时，总体趋势是接地电阻R随冰冻土壤层厚度的增加而增加。当厚度小于H时，地表高阻层对R影响很小，其原因是这种情况下流经地网的电流主要向地网下部的低电阻率的土壤中流散。当高阻层厚度超过地网的埋深时，R随其厚度的增加而较快增加。其原因是高阻层的厚度超过地网埋深时，流经地网的电流不得不经过高阻层而流散到远处土壤中去，高阻层越厚，R也就越大。冰冻层的电阻率越大，导致R增加的幅度也就越大。当高阻层的厚度为1～1．6m，高阻层的电阻率为1200Ω·m时，R增加40％～50％；高阻层的电阻率为5000Ω·m时，R将增加到原来的1．7～3．0倍，必须充分重视。
图1　受季节影响的土壤层厚度对接地系统接地电阻的影响
Fig．1　Influencesofthesoilthicknessaffectedby　seasonalfactoronthegroundingresistance
3．2　对接触电压和跨步电压的影响
图2中曲线1所示为受雨季影响的土壤层厚度对接触电压UT的影响。当低阻层的厚度h小于地网埋深时（图2中虚线左边），地表低阻层将导致UT高于正常情况时对应的数值，低阻层的电阻率越小，影响的程度也越大。当h从地网的上表面变化到水平地网以下时，UT将急剧减小，低于正常情况时的地网的接触电压。跃变程度与低阻层的电阻率有关，表层土壤电阻率越小，跃变量就越大。图2　受季节影响的土壤层厚度对接地系统接触电压UT的影响
Fig．2　Influencesofthesoilthicknessaffectedbyseasonalfactorontouchvoltage
从图2的曲线2和3可以看出，受冰冻季节影响的地表高阻层的厚度小于H时，对UT影响不大，接触电压略有增加。当高阻层厚度超过H时（图2中虚线右边），UT随其厚度的增加而快速增加。高阻层的厚度在0．8～1．2m，即1～1．5H时，高阻层的厚度对UT的影响较大，高阻层的电阻率越大，影响也就越大。当冰冻季节引起的高阻层的厚度大于1m，高阻层的电阻率为1200Ω·m和5000Ω·m时，接触电压分别增加到原来的4倍和12倍。在地网设计时必须充分考虑这种影响。
图3所示为受季节影响的土壤层厚度对US的影响。曲线1和2为雨季引起的地表低阻层厚度对US的影响，US随低阻层的厚度增加而减小。在雨季，低阻层将导致US小于正常情况时地网的跨步电压，有利于人身安全。曲线3和4所示为冰冻引起的地表高阻层的厚度对US的影响，总体趋势是US随高阻层的厚度的增加而增加。当高阻层厚度超过H时（图2中虚线右边），跨步电压随其厚度的增加而较快增加。如果高阻层的厚度在1．2～1．6m范围，即1～1．5H时，当高阻层的电阻率为1200Ω·m时，跨步电压增加到原来的2．0～2．5倍；当电阻率为5000Ω·m时，跨步电压增加到5．5～7．5倍。因此，冰冻引起的高阻层有可能导致地表跨步电压大于正常情况时地网的跨步电压，危害人身安全。为了确保地网的安全性能，应将地网埋设在冻土层之下。
图3　受季节影响的土壤层厚度对接地系统接触电压UT的影响
Fig．3　Influencesofthesoilthicknessaffectedbyseasonalfactoronstepvoltage
4　受季节影响的土壤层的电阻率对地网安全性的影响
4．1　对接地电阻的影响
图4所示为受季节影响的土壤层的电阻率对接地系统接地电阻的影响。在雨季（图4中虚线左边），受影响的土壤层较薄时（曲线1），对地网的接地电阻基本上没有影响。当受影响的地表土壤层的厚度为某一定值时，接地电阻随受影响层的电阻率的减小而减小。而在冰冻季节（图中虚线右边），受影响的地表土壤层的厚度越深，接地电阻随表层土壤电阻率增加而增加的幅度也就越大。
4．2　对接触电压和跨步电压的影响
图5所示为受季节影响的土壤层的电阻率ρ对UT的影响。在雨季（图中虚线左边），当地表低阻层的厚度低于H时，地表低阻层将导致UT的增加，UT随低阻层的电阻率变化的关系不是十分明显。值得注意的是，在冰冻季节时（图5中虚线右边），UT随高阻层电阻率的增加基本上呈线性关系增加（曲线3和4），地表高阻层将导致接触电压高于正常情况时对应的数值。当高阻层的厚度超过H时，高阻层对UT的影响明显增加。当高阻层的电阻率为5000Ω·m时，厚度为0．82m的高阻层将导致接触电压增加到原来的4．8倍；而当高阻层的厚度达到1．2m时，则增加到原来的11．7倍。安防之家专注于各种家居的安防,监控,防盗,安防监控,安防器材,安防设备的新闻资讯和O2O电商导购服务，敬请登陆安防之家：http://anfang.jc68.com/