論文220kV變電站接地 網(wǎng)改造 論文(定稿) 220kV變電站接地網(wǎng)改造摘要對(duì)于一個(gè)變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)與改造，為了使接地電阻盡可能小，一般取最大接地面積，但當(dāng)變電站接地網(wǎng)面積很大，接地網(wǎng)不再是等電位的。 等間距的變電站接地網(wǎng)的地表電位梯度很大、散流不均勻，為達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，常常會(huì)犧牲較高的成本，因此研究變電站不等電位模型接地網(wǎng)布置具有重要工程意義。 本文針對(duì)220kV變電站采用了等間距和不等間距布置2種方法分別計(jì)算，利用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)對(duì)等間距和不等間距布置求最優(yōu)成本方案的程序，求得將成本降低到最低的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)考慮了參數(shù)的設(shè)計(jì)具有一定的可行性。 最后，將2組最優(yōu)方案數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論，畫(huà)出相應(yīng)的施工圖和電位圖，更直觀地說(shuō)明不等間距的優(yōu)越性。 關(guān)鍵字接地網(wǎng)等間距不等間距1.問(wèn)題重述某220kV變電站最大邊長(zhǎng)分別為240m、180m，主地網(wǎng)為一類(lèi)似240180m的矩形結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得地網(wǎng)數(shù)據(jù)如下土壤電阻率為75m；220kV側(cè)最大入地短路電流22.3kA；110kV最大入地短路電流10.5kA；請(qǐng)為該變電站設(shè)計(jì)所需的地網(wǎng)，并繪出相應(yīng)的施工圖和電位比較圖。 2.設(shè)計(jì)步驟1調(diào)查土壤特性；短路故障發(fā)生在站內(nèi)當(dāng)短路故障發(fā)生于站內(nèi)時(shí)，由于“避雷線桿塔”接地系統(tǒng)的分流作用，入地故障電流i的計(jì)算公式為故障點(diǎn)的全部故障電流，A；is電網(wǎng)系統(tǒng)提供的短路電流，A；in發(fā)電廠、變電站提供的短路電流，A；iB 1、2n通過(guò)避雷線分走的電流，A；i經(jīng)站內(nèi)地網(wǎng)流散的入地故障電流，A；Ke1短路故障發(fā)生在站內(nèi)時(shí)的分流系數(shù)；短路故障發(fā)生在站外當(dāng)短路故障發(fā)生于站外時(shí)，由于“避雷線桿塔”接地系統(tǒng)的分流作用，入地故障電流i的計(jì)算公式為式中imax故障點(diǎn)的全部故障電流，A；is電網(wǎng)系統(tǒng)提供的短路電流，A；in發(fā)電廠、變電站提高的短路電流，A；iB 1、2n通過(guò)避雷線分走的電流，A；i經(jīng)站內(nèi)地網(wǎng)回流的入地故障電流，A；Ke2短路故障發(fā)生在站外時(shí)的分流系數(shù)； 1、導(dǎo)體材料選擇比較熱穩(wěn)定性、土壤中的平均腐蝕速度、導(dǎo)電性以及經(jīng)濟(jì)成本。 2、導(dǎo)體截面積的選擇根據(jù)熱穩(wěn)定性的要求，我們可以列出方程中I入地故障電流有效值，A；R導(dǎo)體電阻，；t入地故障電流持續(xù)時(shí)間，s；G導(dǎo)體質(zhì)量，g；C導(dǎo)體比熱容，ws/g；1土壤環(huán)境溫度，；2導(dǎo)體最大允許溫度，；由于電流大，導(dǎo)體溫升快，所以導(dǎo)體電阻R和比熱容c都是隨溫度變化的函數(shù)，即地網(wǎng)導(dǎo)體一般為均勻?qū)w，其質(zhì)量可根據(jù)導(dǎo)體的密度和體積計(jì)算，即式中00時(shí)導(dǎo)體的電阻率，?m c00時(shí)導(dǎo)體的比熱容，ws/gL導(dǎo)體的長(zhǎng)度，mm；S導(dǎo)體的截面積，mm2；導(dǎo)體的溫度系數(shù)；導(dǎo)體的比熱容系數(shù)；導(dǎo)體密度，g/mm3；入地故障電流計(jì)算；地網(wǎng)導(dǎo)體材料及截面大小的選擇；地網(wǎng)布置方式的選擇；接地參數(shù)的計(jì)算。 3.接地網(wǎng)改造應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)已知土壤電阻率=75m，面積A=240180m，入地短路電流I=22.3kA，長(zhǎng)L1=240m、寬L2=180m3.1土壤特性3.1.1土壤電阻率根據(jù)已知條件，得到土壤電阻率為=75m3.1.2土壤腐蝕率根據(jù)表1，得到土壤電阻率、土壤腐蝕度、土壤腐蝕率的關(guān)系。 但實(shí)際工程中，土壤電阻率與土壤腐蝕率之間的這種分類(lèi)關(guān)系不明顯，故不妨考慮土壤腐蝕性為中等，取r=0.15mm/a。 3.2持續(xù)短路時(shí)間據(jù)文獻(xiàn)2，發(fā)電廠、變電所的繼電保護(hù)裝置配置有2套速動(dòng)主保護(hù)、近接地后備保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和自動(dòng)重合閘時(shí)，te可按式 （1）取值tetm+tf+to （1）式中tm主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，s；tf斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，s；to斷路器開(kāi)斷時(shí)間s。 根據(jù)實(shí)際通常情況下，tm取0.1s，tf取0.3s，to取0.2s，te0.6，取最小值為te=0.6s。 3.3入地電流根據(jù)已知條件，得到入地故障電流為I=22300A。 3.4地網(wǎng)導(dǎo)體材料3.4.1材料方面，全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較比較如下1.熱穩(wěn)定性銅的短時(shí)最高允許溫度為300，熔點(diǎn)1083；鋼的短時(shí)最高允許溫度為400，熔點(diǎn)為1550，故鋼的耐熱性好，能通過(guò)更高的短路電流。 2.導(dǎo)電性局部電位差可高達(dá)地網(wǎng)電位升高的10%左右（Fe=1.710-7?m、Cu=1.6710-8?m）。 3.腐蝕性未鍍鋅鋼在土壤中腐蝕速度約為銅的45倍，而鍍鋅鋼在土壤中的腐蝕速度僅為銅的12倍，故鍍鋅鋼的耐腐蝕性更好。 4經(jīng)濟(jì)性銅的價(jià)格約為鋼的幾倍到十幾倍，鋼更為經(jīng)濟(jì)。 5污染銅會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成銅綠Cu（OH）2，對(duì)環(huán)境不利。 綜合以上幾方面，材料選用鍍鋅鋼。 3.4.2材料截面積形狀截面積形狀無(wú)外乎為圓形和矩形，但同樣的已知條件下，滿足同樣的標(biāo)準(zhǔn)條件下，通過(guò)本文作者的程序驗(yàn)證下得出所需的成本、根數(shù)確實(shí)相差很大，具體數(shù)據(jù)就不累贅了，所以實(shí)際工程中采用扁鋼。 3.5深埋根據(jù)文獻(xiàn)3，深埋取0.6-0.8m，不妨取h=0.6m。 3.6接地電阻根據(jù)文獻(xiàn)3，當(dāng)I4000A時(shí)，R=0.5。 式中I入地故障電流，A3.7接觸電壓和跨步電壓=-=241.1V t=-=292.4V式中t接地短路電流持續(xù)時(shí)間，取0.6s地面土壤率，取75m（抄的時(shí)候改為Uj和Uk）3.8熱穩(wěn)定性在壽命期內(nèi)，考慮到腐蝕的影響，接地網(wǎng)及地網(wǎng)主干線的最小截面積應(yīng)符合（改S為Sg，K為c）S=246.76mm2式中Sg接地線的最小截面，mm2；I流過(guò)接地線的短路電流穩(wěn)定值，取入地短路電流22300A；t接地短路的等效持續(xù)時(shí)間，取0.6s c接地線的熱穩(wěn)定系數(shù)，鋼取70。 考慮10年的壽命，則10年腐蝕的距離l=r*y=0.15*10=1.5mm，同時(shí)考慮到腐蝕的非均勻性，所以乘以20%的裕度，得到按腐蝕速度確定的導(dǎo)體截面積及截面長(zhǎng)寬。 故扁鋼截面長(zhǎng)和寬x1，x2必須滿足下式（x1-l）*（x2-l）=Sg*（1+20%）=246.76=296.1124.接地設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1工頻接地電阻的計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，接地電阻為4.2接地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓接觸電壓和跨步電壓的計(jì)算與地網(wǎng)布置方式有關(guān)，公式分別如下.Ut0170174+=t.US070174+=tKI4.2.1等間距分布式中Utmax最大接觸電位差，V；Ktmax最大接觸電位差系數(shù)。 當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)的埋設(shè)深度h=0.60.8m時(shí)，Ktmax可按下式計(jì)算，即Ktmax=KdKLKnKs式中Kd、KL、Kn和Ks系數(shù)，對(duì)3030m2S500500m2的地網(wǎng)，可按下式計(jì)算。 式中n均壓導(dǎo)體根數(shù)；KL=d均壓導(dǎo)體等效直徑，mm；1.=L 1、L2地網(wǎng)的長(zhǎng)度和寬度，m對(duì)于地網(wǎng)最大跨步電壓來(lái)說(shuō)，最大跨步電位差一般出現(xiàn)在接地網(wǎng)外緣，它的大小可按下式計(jì).Kn77600760+=算式中Usmax最大跨步電位差，V；Ksmax最大跨步電位差系數(shù)。 正方形接地網(wǎng)的最大跨步電位差系數(shù)可按下式計(jì)算而T=0.8m，即跨步距離。 =350.對(duì)于矩形接地網(wǎng)，n值由下式計(jì)算?式中L、L0分別與前式中意義同。 4.2.2不等間距布置n=2最大接觸電壓計(jì)算式?見(jiàn)資料最大跨步電壓計(jì)算式LLLS?40012/dlg.Kd22508410?=Slg.KS414?0234U0+=n01.4121LL方孔型接地網(wǎng)長(zhǎng)孔型接地網(wǎng)?n3021412Sn.=01.ngtmaxtmax K=UU?gsmaxsmaxU K=()()dhS.lnThhThhln.Kmaxs420225122222?+?=gtmaxtmax K=UU?見(jiàn)資料式中n1沿長(zhǎng)方向布置的均壓帶根數(shù)；n2沿寬方向布置的均壓帶根數(shù)；m接地網(wǎng)孔數(shù)，其中m=(n1-1)(n2-1)；h水平均壓帶的埋設(shè)深度,m；L 1、L2接地網(wǎng)的長(zhǎng)度和寬度,m。 4.3具體數(shù)據(jù)計(jì)算4.3.1等間距布置等間距布置采用反推和嘗試法相結(jié)合，用反推法求出不同情況下滿足接觸電壓的根數(shù)n（n是沿長(zhǎng)方向根數(shù)和沿寬方向根數(shù)的平均數(shù)，即n=（n1+n2）/2），然后用嘗試法求出不同情況下中成本最優(yōu)的一種組合，即成本最低的組合，并記錄顯示出來(lái)。 程序流程圖如下程序如附錄A，本程序中除了主程序外，還有2個(gè)子程序，分別是名為qiuchanghekuan和qiuchengben的子程序，前者是為了求出等間距布置下，根據(jù)求出的根數(shù)平均值n，來(lái)算出網(wǎng)孔盡量為正方形的沿長(zhǎng)和寬方向上的根數(shù)；后者是為了求出每種情況參數(shù)下的總成本，便于主程序中的擇優(yōu)選擇。 結(jié)果如下最優(yōu)成本=1.9075e+005最優(yōu)成本截面長(zhǎng)=45最優(yōu)成本截面寬=12最優(yōu)成本均根數(shù)=34最優(yōu)成本沿長(zhǎng)方向根數(shù)=39最優(yōu)成本沿寬方向根數(shù)=29最優(yōu)成本10年后截面積=456.7500最優(yōu)成本跨步電壓最大值=227.5401最優(yōu)成本跨步電壓10年后最大值=226.3863由此看出，這種最優(yōu)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 4.3.2不等間距布置不等間距布置，由于Kjmax和Kjn都涉及到n1和n2的值，故無(wú)法用等間距的反推法來(lái)求n（其中n=n1+n2，有別于等間距的n），所以只能用嘗試法將不同n 1、n2（當(dāng)然n1=n2）、x 1、x2來(lái)分別調(diào)用qiuchengben子程序求出成本，并通過(guò)判斷語(yǔ)句求出成本最低即最優(yōu)方案及其參數(shù)，程序流程圖如下程序如附錄B，本程序中除了主程序外，還有1個(gè)子程序，是名為qiuchengben的子程序，比等間距布置少用1個(gè)子程序，取而代之的是用2個(gè)for循環(huán)語(yǔ)句來(lái)嘗試帶入n 1、n2（n1=n2），子程序是為了求出每種情況參數(shù)下的總成本，便于主程序中的擇優(yōu)選擇。 結(jié)果如下最優(yōu)成本=8.5181e+004最優(yōu)成本截面長(zhǎng)=45最優(yōu)成本截面寬=12最優(yōu)成本沿長(zhǎng)方向根數(shù)=16最優(yōu)成本沿寬方向根數(shù)=14最優(yōu)成本跨步電壓最大值=84.9238最優(yōu)成本跨步電壓10年后最大值=85.8947最優(yōu)成本接觸電壓最大值=227.7939最優(yōu)成本接觸電壓10年后最大值=229.4466最優(yōu)成本10年后截面積=456.7500值得一提的是，該程序考慮了接觸電壓裕度為1.05，如果不考慮接觸電壓裕度，則求出的實(shí)際接觸電壓與標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓幾乎剛好一致，只相差0.0001左右，太冒險(xiǎn)，故添加了一定的電壓裕度來(lái)保證安全。 5成本校核成本是用qiuchengben的子程序動(dòng)求，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，得到土方費(fèi)用為120元/立方米，鍍鋅鋼材料是4300元/噸，人工費(fèi)（包括焊接）是350元/噸，故根據(jù)每種情況的沿長(zhǎng)方向根數(shù)nl1，沿寬方向根數(shù)nl2，埋深h，截面長(zhǎng)x1，截面寬x2，和相對(duì)應(yīng)的材料質(zhì)量與長(zhǎng)度關(guān)系z(mì)（kg/m）分別得到3種費(fèi)用tr、cl、rg，再求得總費(fèi)用chengben。 但由于在規(guī)格中有部分沒(méi)有對(duì)應(yīng)的z值，故將其設(shè)為0，并用if語(yǔ)句來(lái)排除這種情況，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;end end結(jié)果，等間距最優(yōu)方案的成本為190750元，不等間距最優(yōu)方案的成本為85181元。 相差10萬(wàn)左右，節(jié)約了不少成本，施工圖見(jiàn)附錄C和D。 6電位分布2種情況,根據(jù)2種最優(yōu)方案的數(shù)據(jù)，用軟件畫(huà)出電位分布圖，如附錄E，可看出不等間距的電位分布優(yōu)于等間距的電位分布。 7方案改進(jìn)對(duì)于地網(wǎng)由于端部效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，等間距布置地面電位分布不均勻，故可在4個(gè)直角處采用弧形閉合，半徑不小于間距，而且可以在邊角處的網(wǎng)孔進(jìn)行二次網(wǎng)孔設(shè)計(jì)，目的也是在于均勻電位，但是對(duì)于不等間距而言，這種優(yōu)化不理想，因?yàn)樵诓坏乳g距布置的邊角處接地極本來(lái)就分布比較密集，所以沒(méi)必要進(jìn)行二次網(wǎng)孔設(shè)計(jì)。 除此之外，不等間距的設(shè)計(jì)可以用遺傳算法優(yōu)化模型4，具體實(shí)現(xiàn)方法就不詳細(xì)闡述。 當(dāng)然，實(shí)際工程中還有引外接線、采用降阻劑降低土壤電阻率、加大接地體的尺寸、增加接地體的埋深、利用自然接地體、置換土壤等方法來(lái)改善參數(shù)，但本設(shè)計(jì)中已經(jīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)，所以沒(méi)必要采用以上方法。 8結(jié)語(yǔ)對(duì)于面積為240m*180m的某220kV變電站，本文分別設(shè)計(jì)了等間距分布地網(wǎng)和不等間距分布地網(wǎng)的最優(yōu)成本方案，并將2種最優(yōu)成本方案進(jìn)行比較、分析，選取不等間距布置為最終方案。 通過(guò)本文所述，可知等間距布置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)施工容易的優(yōu)點(diǎn)，適用于小型地網(wǎng)的設(shè)計(jì)場(chǎng)合；不等間距布置具有地面分布均勻，地網(wǎng)安全性高，建設(shè)成本低的特點(diǎn)，接地網(wǎng)面積越大，不等間距的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果越明顯，適用于大中型地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。 因