季节性冻土地区牵引变电所接地方案研究

罗　欣

(中交铁道设计研究总院有限公司,北京　100088)

牵引变电所接地系统是其安全运行的根本保证，所以牵引变电所接地系统的设计是否合理，接地参数是否能满足安全需要，在运行寿命周期内能否起到应有的作用，是在牵引变电所设计时不可忽视的问题。

牵引变电所的接地设计过程中，对地网接地电阻的准确计算、跨步电位差以及接触电位差的合理验算才是接地设计的关键，另外除尽可能满足接地电阻的限值之外，应根据不同的地质条件制定出不同的地网布置方案，并且考虑所内接触电位差和跨步电位差的要求，以达到均衡接地的目的[1-2]。在校验接触电位差和跨步电位差满足设计要求之后，适当提高变电所要求的接地电阻值，进而再采取不同降阻措施，即可在确保设备及人身安全的前提下节约工程投资[3-4]。

目前，国内外应用于工程中接地参数解析计算的方法都是建立在均匀土壤[5-6]，或有条件限制的双层土壤情况下[7-10]。所以对于地质条件恶劣、严寒冻土等地区，就无法采用上述文献中所提供的计算方法进行准确计算，这时就需要利用计算机仿真技术对接地系统进行仿真计算。利用加拿大SES公司开发的CDEGS软件包，从不同的接地网结构、埋设深度、敷设位置等方面综合评估地网性能，从而为此类地区牵引变电所接地系统设计提供借鉴方法。

1　季节性冻土简述及危害

哈尔滨地区属中温带，亚干旱大陆性气候。冬季寒冷漫长，夏季湿热短暂，春季多风。多年平均气温3.4～4.7 ℃，平均雨量528.1～527.4 mm，最低气温-23.1 ℃，最大积雪深度为39 cm，最大风速16.3～24.7 m/s。按对铁路工程影响的气候分区，属严寒地区。

地表普遍存在季节性冻土，通常每年10月中下旬开始冻结，3月中旬达到最大冻深，沿线土壤最大冻深划分：

哈尔滨站～K54+0002.05 m；

K54+000～牡丹江站1.91 m。

在上述冻土地区，地表的土壤电阻率会随着季节的变化而改变，通常会由几十(Ω·m)增加到上千(Ω·m)，这种程度的变化直接影响到地网的接地性能。当接地网埋深于冻土层中，随着土壤冻结深度不断增大，在冰冻季节，接地网的接地电阻值可能会达正常季节的1.7～3倍[11]，同时接触电位差、跨步电位差以及地表电位升等地网参数也随之提升。

2　基本边界条件及计算参数

拟建的亚沟牵引变电站站址在距离哈尔滨市阿城区东南9.5 km处的亚沟镇，电源供电线采用LGJ-240 mm2；避雷线采用GJ-70 mm2；线路采用双回路，单独架设；进线电压等级为220 kV；采用三相V/V接线，主变设计容量为2×(16+25) MVA。短路最大入地电流取值为4 kA。

2.1　土壤模型

根据相关地勘结果，牵引所区域冻土层土壤在夏季土壤电阻率约为100 Ω·m；冬季条件下冻土层土壤电阻率最高可达5 000 Ω·m。历年最大冻结深度取2.05 m。本文土壤模型取值见表1。

表1　土壤模型

2.2　接地网模型

以水平接地网为基础建立接地网模型，地网参数如下。

面积：80 m×60 m；

导体间距：10 m；

导体材质：50 mm×5 mm镀锌扁钢；

水平地网埋深：-0.8 m。

由于故障电流入地点在接近地网边缘时，计算出的最大接触电位差和跨步电位差都要偏大[12]，所以本文将短路电流注入点设置在地网边角处，具体水平地网结构模型见图1。

图1　10 m×10 m网格模型

2.3　计算参数

本文分别仿真计算了以下4种因素在冻土层形成后对变电所地网电气参数的影响，具体如下：

(1)水平接地网均压带网格数量变化；

(2)单根垂直接地极设置位置的不同；

(3)垂直接地极长度的不同；

(4)多根垂直接地极设置数量、位置的不同。

3　影响接地网电气参数的因素分析

3.1　水平接地网网格间距的影响

根据图1提出的水平接地网模型，将水平均压带网格大小均匀增加，由单一外框变化至2 m×2 m网格的情况进行仿真计算，得出接地电阻、接触电位差、跨步电位差在不同网格大小情况下的数值参数，进行比较分析，具体计算结果见表2。

表2　不同网格间距对电气参数值的影响

不同网格大小对接地电阻的影响曲线见图2。

图2　不同网格大小对接地电阻的影响曲线

不同网格大小对接触电位差、跨步电位差的影响曲线见图3。

图3　不同网格大小对接触电位差、跨步电位差的影响曲线

从表2、图2与图3可以看出，接地网的接地电阻值、接触电位差值以及跨步电位差值均随着均压带网格数量的增加而降低，从单一外框增加至10 m×10 m共计48个网格时，接地网3个参数值均迅速降低，这主要是因为当均压带数量增多，接地网与土壤接触面积增加，使得故障电流能够更快的流入土壤中。

而当均压带网格由10 m×10 m的48格增加至2 m×2 m的1200格时，虽然接地网参数值仍然不断减小，但是其下降的幅度却大大降低，这主要是由于导体与土壤接触面积增加的同时，导体之间距离不断减小，导体之间的屏蔽效应增加，使得故障电流散流作用减小。故而根据仿真计算结果以及文献[5]中相关规定，优先选用5 m×5 m网格的均压带布置方式。

由以上结论可以看出，虽然增加均压带网格数量可以有效地降低地网电气参数值，提高地网安全水平，但是仅采用敷设在冻土层中的水平接地网显然不能满足牵引所接地性能的要求，这时就需采用增加垂直接地极的复合接地网方式。但与此同时也必须对垂直接地极位置、数量以及长度等因素对接地电阻、接触电位差、跨步电位差的影响进行分析。

3.2　单根垂直接地极设置位置的影响

在图1所示水平接地网基础上，增加1根长5 m的纯铜管垂直接地极，并将该垂直接地极分别设置在图1所示的45、55、56、65、67、75、78、79等共计8处进行仿真计算，得出单根垂直接地极设置在不同位置下的接地电阻值、接触电位差最大值、跨步电位差最大值，具体计算结果见表3。

表3　不同垂直接地极位置对电气参数值的影响

由表3可知，当垂直接地极由接地网中心向边角移设时，3个参数值都有相应的减小，这说明了垂直接地极设置在接地网边缘时能更有效的提高地网安全，降低接地电阻值。不同垂直接地极位置对电气参数值的影响曲线见图4。

图4　不同垂直接地极位置对接地电阻的影响曲线

由图4可见，垂直接地极设置于接地网边角处时，接地电阻值达到最小，接地网导体之间的屏蔽作用也最小，故障电流可以较好地利用地网流入大地。但是可以看出，仅仅设置1根垂直接地极并不能满足要求，所以接下来将进一步分析复合接地网多根垂直接地极的不同设置方式。

3.3　垂直接地极长度的影响

在图1水平接地网模型的基础上，利用纯铜管垂直接地极，并沿地网边缘每相隔20 m设置1根，共设置14根。垂直接地极长度由0 m变化至20 m(深入下层土壤)时，分别进行仿真计算，得出复合接地网接地电阻值、接触电位差最大值、跨步电位差最大值，其计算结果如表4所示。

表4　不同垂直接地极长度对电气参数值的影响

不同垂直接地极长度对接地电阻值的影响曲线见图5。

图5　不同垂直接地极长度对接地电阻值的影响曲线

不同垂直接地极长度对接触电位差值、跨步电位差值的影响曲线见图6。

图6　垂直接地极长度对接触电位差值、跨步电位差值的影响曲线

由表4可以看出，垂直接地极的长度与接地网电气参数值有着密切的联系，垂直接地极越长，则接地电阻值、接触电位差值、跨步电位差值都在降低，这说明了垂直接地极具有非常有效的散流作用。

根据图5及图6所示，当垂直接地极埋设于冻土层中时(当垂直接地极设置长度小于1.2 m时)，接地网电气参数缓慢降低，效果并不是很明显，但当垂直接地极长度大于1.25 m时(垂直接地极长度超过1.25 m，埋设深度超过冻土层2.05 m)，垂直接地极与下层低电阻率土壤接触后，接地网电气参数值迅速下降。随着垂直接地极的不断加长，接地网电气参数值降低速度又逐渐减缓，所以垂直接地极的设置并非越长越好，相反，若设置过长的垂直接地极，不但不能有效提高接地网的安全性能，反而增加了施工难度，提高了工程成本，得不偿失。

3.4　多根垂直接地极设置数量、位置的不同

在图1水平接地网设置的基础上，增加长5 m，纯铜管垂直接地极，并从垂直接地极设置的数量、位置综合考虑，即分别从沿边缘稀疏分布、沿边缘密集分布、边缘分布+中心分布等方面对接地网电气参数进行仿真计算，具体垂直接地极分布方案及对应接地电阻值、接触电位差值、跨步电位差值计算结果见表5。

表5　垂直接地极分布对电气参数值的影响

由表5可知，增加垂直接地极的数量对于提高接地网性能十分有效，增加沿边缘设置的垂直接地极数量能更直接提高接地网性能，相应地若保持边缘垂直接地极数量不变，在接地网中央增加垂直接地极，虽亦能有效降低接地电阻等电气参数的值，但是效果并不如仅沿边缘设置垂直接地极明显。

垂直接地极分布对接地电阻电压值的影响曲线见图7。

图7　垂直接地极分布对接地电阻电压值的影响曲线

垂直接地极分布对接触电位差值、跨步电位差值的影响曲线见图8。

图8　垂直接地极分布对接触电位差值、跨步电位差值的影响曲线

从图7、图8可以更清楚地看出，当垂直接地极设置在边缘且埋设深度深入冻土层以下时，增加垂直接地极数量有明显的降阻跟降低接触电位差值、跨步电位差值的效果，但是随着数量不断增加，这种降低效果逐渐减弱，这说明垂直接地极的利用率也随之减小，所以需要根据冻土环境、冻深等实际情况选择垂直接地极的数量及分布，在接地网投资与接地网性能间寻找一个平衡。

通过对水平接地网、垂直接地极不同因素对于接地网电气参数的影响分析，并且结合文献[5]中相关规定，在采用水平接地网与垂直接地极相结合的负荷接地网方案时，应结合垂直接地极的长度、位置综合确定。

4　接地方案的仿真计算与分析

4.1　跨步电位差和接触电位差规范限值要求

根据文献[6]中附录C，即式C.0.1-1与式C.0.1-2计算，可计算出变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差的安全限值，计算结果见表6。

表6　接触电位差和跨步电位差设计限值

由此可见，当表层土壤电阻率很高时，接触电位差及跨步电位差的限值也相应升高，其中跨步电位差的安全限值相较接触电位差还要高出很多，所以在本文将冰冻时期接地网接触电位差的数值作为本工程接地网性能的主要研究参数。

4.2　接地方案的提出

根据亚沟牵引所土壤现状，提出3个接地网方案，具体如下。

(1)深埋水平接地网方案。冻土层对地网安全性能的影响主要是因为，地表冻土层在解冻和冰冻情况下来回转换，使得地表冻土层土壤电阻率发生翻天覆地的变化，当地网敷设在冻土层中时，因冰冻时期土壤电阻率极速升高，将会导致地网接地电阻等参数的升高，无法保证人员安全。但是在一般情况下冻土层下层中的土壤电阻率却是相对恒定的，因此当下层土壤为低电阻率性能时，可以考虑将水平地网深埋至非冻土层中，以降低高电阻率冻土对接地性能的影响[13]。根据文献[5-6]中规定，季节性冻土层或季节性干旱形成的高电阻率层的厚度较浅时，可将接地网埋在高电阻率层下0.2 m。不过对于高电阻率层的厚度深浅无明显的界定，再结合文献[14]中的论述，此方案可以用于冻土层深度小于1 m的浅冻土层地区。

像本工程处于我国东北地区，虽然土质大多为具有良好导电性的低电阻率土壤，但是冻土层较深，冬季最大冻结深度可超2 m，此时将接地网全部敷设在冻土层以下显然不是一种最好的解决方案，所以本文不再对深埋水平接地网方案进行分析研究。

(2)复合接地网。在冻土层较深地区，采用垂直接地极深入冻土层以下，可以有效分走故障电流，亦能够明显降低接地电阻、改善地表电位分布。因此推荐此方法作为解决冻土地区地网安全性能的有效方案。

(3)水平地网非等间距布置。该方案的基本原理是减少地网中部均压带的数量，一是能改善导体的电流分布；二是使地网各网孔的接触电位差更趋于平衡。水平地网导体按指数规律分布既可以有效降低地表电位梯度，也被证明是一种安全可行的设计方法，其设置的关键点就是寻找到最优压缩比C0[15]。

4.3　亚沟牵引变电所接地网方案及计算

根据上文所述，并且结合影响地网电气参数的4种因素，以亚沟牵引变电所为例，设置埋深0.8 m的水平接地网，并辅以设置垂直接地极，采用复合接地网方案。复合接地网具体设置方案如下。

方案1：水平地网采用5 m×5 m网格，沿边缘相隔10 m均匀设置28根5 m垂直接地极，地网中央均匀设置18根5 m垂直接地极。

方案2：水平地网采用5 m×5 m网格，沿边缘相隔10 m均匀设置28根5 m垂直接地极，地网中央不设置垂直接地极。

方案3：水平地网采用5 m×5 m网格，沿边缘相隔10 m均匀设置28根10 m垂直接地极，地网中央不设置垂直接地极。

方案4：将方案三中水平地网优化为非等间距网格布置，边缘稀疏均匀设置28根10 m垂直接地极，地网中央不设置垂直接地极。

以上所述4种方案仿真计算结果见表7。

表7　复合地网计算结果

根据表7的仿真计算结果，对于牵引变电所，牵引所站址大小一经确定，地网面积随之确定，此时采用复合接地网方案可以有效降低接地电阻值，亦能很好地控制接触电位差值与跨步电位值。

以上4种复合接地网的方案，在接触电位差、跨步电位差的指标上，都能够满足地网参数限值要求。故而在严寒地区新建铁路牵引变电所时，采用复合地网方案是可行的。

(1)方案1/方案2：在任何季节的土壤条件下，所内区域的接地网电气参数值都能满足规范要求，相对于其他方案，该两种方案采用的5 m长垂直接地极较短，更利于施工。

(2)方案3：将方案1/方案2中的垂直接地极的长度增加至10 m，水平接地网还是采用5 m×5 m网格均压带，此方案在任何季节条件下接地网电气参数值都能达到规范对于地网安全上限的要求，保证牵引变电所的安全运行，但是相较于前两个方案，采用10 m长垂直接地极，增加了投资，同时也增加了接地网施工难度。

(3)方案4：由表7得，当上层土壤的土壤电阻率大于下层土壤时，采用非等间距布置接地网的接地电阻、接触电位差以及跨步电位差相较于等间距布置地网偏大，同时参考文献[16]得出的结论，在季节性冻土地区，冻土地区表层土壤电阻率大于深层土壤电阻率时，接地网内均压带宜优先采用等间距布置方式，以使地网达到最佳效果。

根据表7计算结果，亚沟牵引变电所的接地方案，推荐采用方案1。方案1正常季节及冰冻季节接触电位差三维分布分别见图9、图10。

图9　方案1正常季节接地网接触电位差示意

图10　方案1冰冻季节接地网接触电位差示意

该方案在冰冻季节，由于垂直接地极能够与下层土壤电阻率低的区域接触，起到了很好的散流作用，接触电位差值、跨步电位差值均能够满足规范限值要求。

5　结语

以新建哈牡线亚沟牵引变电所为例建立仿真计算模型，对水平接地网均压带设置情况、垂直接地极设置位置、长度及数量等因素对于接地性能的影响进行了分析，即通过调整水平接地网均压带网格以及垂直接地极设置的不同，能够很好地调整提高牵引所接地网的电气性能。

研究了在严寒地区，地表冻土电阻率远大于下层低阻区域时，变电所地网的设计思路，并且提出了可用于工程设计的可行方向。另外关于寒冷地区牵引所接地系统设计，不能简单盲目地降低接地电阻值。可以通过计算和实地测量等各种方法对所内地表电位的分布进行计算，做到有的放矢的采取相应的措施，节约投资，保障设备和人员的安全。

在某些冻土地区，特别是永冻区域等，变电站接地网实施时存在设计方案实施难度大，经济极不合理时，可依据现场状况进行分析研究，重点对研究范围内接触电位差、跨步电位差及转移电势进行分析计算，当这些参数均满足要求时，可稍微放宽接地电阻的限值，从而使牵引站地网设计更加合理。

参考文献：

[1]谢广润.电力系统接地技术[M].北京：中国电力出版社，1996.

[2]邹建明.大型地网接地技术的研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[3]丁峰.高寒冻土地区牵引变电所接地系统设计探讨[J].铁道标准设计，2012(11)：100-103.

[4]侯峰，侯蜀君.高土壤电阻率地区牵引变电所接地设计[J].铁道工程学报，2012(6)：71-73.

[5]中华人民共和国铁道部.TB 10009—2016 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2016.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50065—2011 交流电气装置的接地设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[7]王洪泽，杨丹，王梦云.电力系统接地技术手册[M].北京：中国电力出版社，2007.

[8]IEEE.IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding [S]. ANSI/IEEE Std 80-2000， 2015：1-426.

[9]NAHMAN J M. SALAMON D D. Analytical expression for the resistance of rod-beds and combined grounding systems in nonuniform soil[J]. Power Delivery IEEE Trans on， 1986，1(3)：90-96.

[10] 王洪泽.双层土壤中复合地网接地电阻的新解析计算法[J].广东电力，2005(8)：7-12.

[11] 孙为民，何金良，曾嵘，等.季节性因素对发变电站接地系统安全性能的影响[J].中国电机工程学报，2000(1)：15-18.

[12] 沈扬.变电站接地均压研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[13] 沈扬，陆海清，戴攀等.冻土地区变电所接地方案研究[J].能源工程，2011(6)：18-23.

[14] 左状.深冻土层情况下接地网设计方案的探讨[C]∥中国电机工程学会第九届青年学术会议，2006.

[15] 高延庆，何金良，曾嵘等.非均匀土壤中变电站接地网优化设计[J].清华大学学报，2002(3)：345-348.

[16] 丁峰.不同土壤结构的牵引变电所接地系统设计[J].电气化铁道，2011(3)：8-11.