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摘要：接地是为了电力系统安全运行而将电力系统及其电气设备的某些部件与地中的接地装置相连接。接地网是变电站安全运行的重要保证，能够在系统发生故障时将故障电流迅速排泄，限制地电位升高，保证人身及设备安全，其接地性能一直受到设计和生产运行部门的重视。良好的接地系统可以有效的保护人身安全，使电气设备免受损害，对设计方案进行评价、接地网工程设计具有较好的借鉴价值。
关键词：变电站；接地网；安全分析；优化设计
1接地网多维度安全参数分析
接地网的优化设计主要是针对接地网中的导体进行合理的优化布置，使得导体的泄漏电流密度趋于均匀，从而使地表电位均匀分布，降低电位梯度达到降低地网的接触电压和跨步电压的目的，既保证人身安全不受威胁又保证了设备的安全。接地网的安全分析主要指标有接地电阻、接触电压和跨步电压，另外还有与电缆安全性能有关的二次电缆芯线屏蔽层电位差。但是在以往的接地网安全设计过分地追求接地电阻，忽略了地表电位分布和网内电位差的安全性。接地网网内电位差会直接影响二次电缆屏蔽层安全，过大的网内电位差将会导致大电流烧毁电缆屏蔽层。因此本文在以往安全指标基础上探索多维度参数接地网安全性和优化设计。接地系统的安全设计优化主要受两个方面影响，一是接地系统所在位置的土壤模型，二是设计的接地网模型参数，由于常见的土壤为水平双层分布，因此本文分析以水平双层土壤为基础。根据不等电位模型计算原理通过Matlab编程，并建立以下三个不同的双层土壤计算模型。接地导体为钢材，钢的电阻率为1.7×10-7×Ω⋅m，相对磁导率636，导体半径为0.0067m，接地网埋深0.6m，10kA故障电流注入点为B点，接地网布置和计算模型数据如图1所示：
模型1：上层土壤电阻率为300Ω⋅m，厚度4m，下层土壤电阻率为600Ω⋅m，地网规模100m×100m，导体间距10m。模型2：上层土壤电阻率为126Ω⋅m，厚度6m，下层土壤电阻率为720Ω⋅m，地网规模200m×200m，导体间距10m。模型3：上层土壤电阻率为300Ω⋅m，厚度0.7m，下层土壤电阻率为200Ω⋅m，电缆型号为KVV-4，长度为200m布置于地网中间（位置A），护套厚度1.5mm。地网规模300m×300m，导体间距15m。将上述不同模型下接地电阻计算结果和权威商业软件CDEGS进行对比，模型1程序计算接地电阻值为2.35Ω，CDEGS计算接地电阻值为2.32Ω。模型2程序计算接地电阻值为1.19Ω，CDEGS计算接地电阻值为1.17Ω。模型3程序计算芯线屏蔽层电位差为1182V，有关文献的计算结果为1215V，两者相差2.7%。上述计算结果对比说明了本文计算程序的正确性。文章在结合接地参数求解模型的理论基础上应用编程计算故障电流注入接地网时的各项安全指标，并研究了安全指标随其影响因素的变化规律。通过有关计算得出以下结论：季节性冻土厚度超过接地网深度时，土壤的反射系数越小则接地电阻的季节系数越大，甚至达到几倍，接地电阻大幅度增加；接地电阻随接地网边长增大而减小，当土壤电阻率较高时减小的幅度大；在接地网面积保持不变情况下，接地电阻值随着接地网外延长度增加略有减小，随导体间距的增加而增加；接地网四个边角布置的水平接地极长度越大，接地网的接地电阻越小，在小规模接地网时降阻效果最明显，在土壤电阻率较高时基本不起作用；接触电压和跨步电压随接地网面积增大不断减小，随土壤电阻率增大而不断增大，增大地表电阻率能提高人体承受的接触电压和跨步电压极限值。短路电流入地点为接地网边角时网内电位差值比较大，增大导体半径、减小接地网面积能够降低网内电位差。
2接地网不等间距优化设计
2.1水平导体不等间距布置
为了能够克服接地网中导体散流不均匀难关，德国学者首先提出了水平导体不等间距布置的理论，而后各国学者相继开展了探究不均匀土壤中采用不等间距布置改善地电位分布的优化布置规律工作。不等间距优化的理论基础是通过稀疏接地网中部的均压带导体增加接地网边角导体，以此达到均匀接地网各网孔电压的目的。由于等间距分布的接地网边角网孔电位差相对中间较大，因此寻求一个最佳的间距分布使接地网的散流更加均匀、使接触电压和跨步电压达到最小成为水平导体优化布置工作的重中之重，在达到安全优化的同时最大限度的利用接地体，提高接地系统设计的经济性。相关研究结果表示当接地网边长和导体根数一定时，必定存在一个最优压缩比，使接地网不等间距分布下的地表电位最均匀，能够确定接地网不同导体之间的距离从而达到接地网导体的最优布置。对于矩形接地网，若接地网的长和宽不等则需要确定长和宽两个方向上的最优压缩比。根据之前关于接地系统计算模型的分析，在原有的接地系统计算分析中建立最优压缩比求解模型，改变导体间距，通过计算获得最小的接触电压对应的压缩比即为最优压缩比。在不同参数变化模型的情况下得到压缩比随其影响因素的变化情况，根据其变化趋势寻求最优压缩比对应的各项接地参数，按照压缩比的最优值对接地网导体进行优化布置。
2.2各接地参数对压缩比的影响
计算模型中接地网为100m×100m的矩形接地网，导体间距10m，接地导体为钢制导体，钢的电阻率1.7×10-7×Ω⋅m，相对磁导率636，导体半径为0.0067m，接地网埋深0.6m，土壤上层电阻率为200Ω⋅m，厚0.6m，故障注入电流为10kA，入地点为边角。通过改变地网接地导体间距排列方式计算各影响参数变化时的最优压缩比，分析其影响因素和变化规律。保持其他参数不变，通过改变接地网均压导体的布置情况观察优化后接地网接地电阻、接触电压和跨步电压的变化情况，探索接地网各安全参数在不等间距布置后的变化，其计算结果变化曲线如图2。从不等间距和等间距布置时所计算的接地电阻结果可以看出，随着接地网埋深的增大，接地电阻减小，尤其是在接地网埋深超过上层土壤厚度时降低的幅度较大，因为土壤下层电阻率小，散流更有利，接地电阻值也就越小，但等间距与不等间距布置的接地网接地电阻相差不大基本不变，即采用不等间距布置不能作为降低接地电阻措施。结合接触电压和跨步电压在等间距和不等间距布置时随着接地网埋深增加变化的趋势图可知，不等间距布置后接触电压与跨步电压都有所降低，因此在接地网水平接地极不变以及土壤电阻率下层电阻率较小的情况下，通过对均压导体进行不等距布置，或将接地网埋设于小土壤电阻率层内可以有效地改善接触电压和跨步电压。
3接地网二次系统安全分析
通过对带有双端接地电缆的芯线屏蔽层电位差进行计算分析，研究芯线屏蔽层电位差随其影响因素的变化规律，并以芯线屏蔽层电位差为目标函数进行参数灵敏度计算，得出各个影响因素对目标函数变化的贡献大小，作为芯线屏蔽层电位差优化设计的参考依据，并将其计算过程应用到接地电阻和接触电压的灵敏度计算过程中。电缆芯线屏蔽层电位差结果表明导体间距的灵敏度系数最大，占比达到63%，应作为优化设计主要的考虑因素，通过改变地网边长和电缆长度也可以在一定程度上降低电缆芯线屏蔽层电位差，但效果不明显。而土壤电阻率对芯线屏蔽层电位差的影响几乎为零，可以忽略不计。另外布置铜排流线可以较好地减小芯线屏蔽层电位差，排流线的半径越大，线屏蔽层电位差的降低越明显，从而满足二次系统安全运行要求。接地电阻参数灵敏度中，地网边长和土壤电阻率为分别达到-82%和66%，说明地网边长、土壤电阻率在接地电阻变化的过程中有很大的占比；接触电压对地网埋深和土壤电阻率变化比较灵敏，分别为-73%和61%，说明地网埋深和土壤电阻率的变化会大幅度影响接触电压值，在其优化设计时应特别注重这两个影响因素。
参考文献
[1]李谦,文习山,肖磊石.土壤特性对变电站接地网特性参数影响的数值分析[J].高电压技术,2013,39(11):2656-2662.
[2]张露,蔡静,文习山,等.水平多层土壤参数反演的粒子群优化[J].高电压技术,2014,40(7):2018-2023.