大型发电厂和变电站接地网状态评价-毕业论文.doc

大型发电厂和变电站接地网状态评估目 录一 概 述1.1 接地网状态评估目的1.2 变电站接地网状态评估的具体内容1.2.1接地网特性参数（接地阻抗、地线分流、跨步电压和接触电压）实测1.2.2 设备接地引下线与主接地网连接情况及接地网完整性测试1.23 接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断1.2.4 变电站站址土壤电阻率测试和土壤结构分析1.2.5 变电站接地网状态数值评估1.3 需要提供的系统参数二 接地网特性参数测量2.1试验方法2.1.1 接地电阻测试2.1.2 变电站进线避雷线（包括OPGW光纤地线）对测试电流分流测量2.1.3 站内接触电压的测量2.1.4 跨步电压的测量三 设备接地引下线与主接地网连接情况测试四 接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断4.1 地网开挖目的4.2地网检查步骤及试验方法4.2.1 开挖检查4.2.2 开挖要求4.2.3 检查项目4.2.4 取样办法4.2.5 检查方法4.3 地网腐蚀情况判定标准五 站址土壤电阻率测试和土壤结构分析5.1 试验目的5.2 测量原理和方法5.3 测量结果和结论六 基于CDEGS软件的变电站接地网状态数值评估6.1 前言6.1.1 CDEGS软件的简介6.1.2 CDEGS软件在变电站接地网状态数值评估中的应用6.2 接地网接地阻抗仿真计算与测量结果的比对验证6.2.1 接地网接地阻抗仿真计算6.2.2 仿真计算与测量结果的比对验证6.3 单相接地短路电流计算6.3.1 调度短路电流计算结果6.3.2 进站故障电流在出线地线的分流计算结果6.3.3 变电站母线单相接地故障时站内入地电流选取6.4 变电站发生单相接地故障时地网导体电位升高（GPR）6.5 变电站发生单相接地故障时跨步电压和接触电压6.5.1 典型的接触电势和跨步电势的三维图6.5.2 接触电势和跨步电势的允许值计算6.5.3 发生单相接地故障时，跨步电压分布的计算结果及分析6.5.4 发生单相接地故障时，接触电压分布的计算结果及分析七 地网状态评估结论7.1 土壤结构7.2 接地阻抗7.3 单相接地故障电流及其分布7.4 地表电位分布7.5 跨步电压、接触电压7.6 电气设备接地引下线与主地网连接情况7.7 地网腐蚀情况7.8 接地网状态的综合评价一 概 述1.1 接地网状态评估目的大型电厂和变电站的接地网是保证电力系统安全可靠运行、保障运行人员安全的重要措施之一。它为大型电厂和变电站内各种电气设备提供公共参考地、系统接地故障时快速泄放故障电流以及改善变电站地电位分布。随着电网的进一步建设和改造，接地网的安全问题越来越突出，开展变电站接地网状态评估的必要性随之而来。大型电厂和变电站接地网状态评估工作主要是结合现场测试和理论计算，准确给出接地网入地故障电流、接地阻抗、接触电压、跨步电压、地网电位分布、地网完整性、地网金属导体腐蚀情况等现时状态，通过以上实测和计算相结合的方法分析接地网的安全性。表征变电站接地网状态的主要参数包括接地阻抗、接触电压、跨步电压、地网电位分布及地网的完整性等，对变电站接地系统进行状态评估主要是对这些参数进行测量和分析，然而以上参数的测量和评估是一个相当复杂的问题，受到多方面因素的影响，它不仅与接地体本身的大小、形状有关，还受到周围土壤中的金属物质、土壤电阻率均匀性的影响。由于对整个变电站接地网评估时单纯使用测量的方法工作量太大，不可能将站内所有位置的参数都测出来，因此采用主要借助于加拿大SES公司的CDEGS软件（电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析）的数值分析方法以有效地弥补测量存在的缺陷和不足，该软件是目前世界上电磁干扰分析、接地系统研究和设计领域通用性最强，功能最强大的软件包，在国内外的多年应用实践证明，该软件已经成为接地网状态评估、设计和降阻改造的科学可靠工具。在运用测量结果验证采用基于CDEGS软件的数值分析方法的可信性后，结合接地网安全性限值的分析，可以通过数值方法完成变电站接地网的全面状态评估。1.2 变电站接地网状态评估的具体内容1.2.1 大型电厂和变电站接地网特性参数（接地阻抗、地线分流、跨步电压和接触电压）的实测结合变电站竣工设计图纸和后期改造记录确认变电站地网结构现状，采用类工频测试方法（接近50Hz的类工频），通过对出线避雷线（包括OPGW光纤地线）、出线电缆外皮和接地的主变中性点分流测量并进行处理，测量出带出线避雷线（包括OPGW光纤地线）的运行变电站地网工频特性参数（接地阻抗、地线分流、跨步电压和接触电压）。1.2.1.1 地网接地阻抗测试根据DL/T 4752006接地装置特性参数测量导则和GB/T17949.12000接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则的要求，采用类工频（接近50Hz的类工频）小电流法测量变电站接地阻抗。1.2.1.2 出线地线分流测量向地网注入类工频电流，测量出线地线（如避雷线、OPGW、耦合地线等）、出线电缆外皮及变压器接地的中性点流出的电流值，同时记录注入电流和各分流电流的波形，计算与注入电流的相角差，便于更准确地确定分流系数。1.2.1.3 地网跨步电压、接触电压实测依据DL/T 4752006接地装置特性参数测量导则、GB/T17949.12000接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则测量变电站有代表性点的跨步电压US和接触电压UT。依据DL/T 6211997交流电气装置的接地、GB 501502006电气设备安装工程 电气设备交接试验标准，参照IEEE std2000交流变电站接地安全性导则确定变电站跨步电压US和接触电压UT的限值。判断实测的跨步电压US和接触电压UT是否超过变电站跨步电压US和接触电压UT的限值。1.2.2 设备接地引下线与主接地网连接情况及接地网完整性测试按照DL/T 4752006接地装置特性参数测量导则和Q/CSG 1 0007-2004电力设备预防性试验规程的有关要求进行，判断设备接地引下线与主接地网连接情况及接地网完整性是否良好。1.2.3 接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断接地网导体及接地引线的腐蚀、甚至断裂，将使接地网的电气连接性能变坏、接地电阻增高。若遇接地短路故障，将造成接地网本身局部电位差和接地网电位异常增加，除给运行人员带来威胁外，还可能因反击或电缆外皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，严重者可能导致监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。接地系统状态评估的其中一项重要内容就是诊断接地网的腐蚀状况，判断接地系统是否满足安全运行要求，是否需要改造。接地网导体腐蚀情况诊断可通过以下几个途径：（1）导通性测试。在电气完成性测试中，发现接地引下线断裂或地网金属导体断裂，需开挖确认。（2）场区地表电位梯度测试。发现场区地表电位梯度曲线有突变点，或局部波动较大，则可能存在接地系统状况可能不良或存在缺陷，需要开挖确认。（3）按运行年限有针对性地开挖检查。对运行时间达到一定年限（如10年及以上）的变电站接地网，建议选择关注的点开挖。（4）利用发变电站接地系统腐蚀诊断系统。该系统是指在在电力系统正常运行的情况下，确定变电站接地网的故障（包括断点及腐蚀）位置的准确、可靠和简单的诊断方法，即通过地网各引线间电气参数的测量值来确定地网的断点及腐蚀情况。该方法应用于现场的有重庆大学的接地网腐蚀诊断软件和清华大学的IntelliEDS，由腐蚀普查系统的测量系统和分析软件组成，适用于变电站地网设计和施工图纸完整的变电站。根据技术成熟程度和国内兄弟省份的经验，选择开挖检查结合地中导体腐蚀程度量化分析和土壤分析的方法进行接地导体腐蚀性诊断。1.2.4 大型电厂和变电站站址土壤电阻率测试和土壤结构分析大型电厂和变电站接地网的准确评估的基础是接地阻抗、土壤电阻率的测量及土壤电阻率的分层分析和计算。为了能更好地对变电站接地网进行分析计算，需要了解变电站所在地域的土壤状况，分层土壤电阻率数据的详细测量是CDEGS软件的应用准确性的基础，而后者直接影响到地网状态评估工作的质量，因此土壤电阻率数据的准确性非常关键。采用四极法测量变电站站址的土壤电阻率随测量极间距变化的曲线，根据视在土壤电阻率现场基础测试数据，利用CDEGS软件，通过优化分析，反演得到土壤的实际分层结构模型。1.2.5 大型电厂和变电站接地网状态数值评估大型电厂和变电站接地网状态数值评估主要是基于CDEGS软件，根据实际接地系统的结构，采用测量分析得到的分层土壤模型，分析分层土壤模型下接地系统的电气参数。主要内容包括：（1）对运行变电站接地阻抗测试结果以及分流对运行变电站接地阻抗测试结果的影响的影响进行详细计算研究，通过软件计算和实测结果对照，给出变电站接地阻抗值。（2）确定变电站最大入地故障电流。变电站最大入地故障电流是关乎变电站系统安全指标的重要参数，对于运行中的变电站，当变电站发生接地短路，一部分短路电流经接地网入地，另一部分经由与地网相连的出线地线（如避雷线、OPGW、耦合地线等）、出线电缆外皮及变压器接地的中性点流回系统。在考虑系统结构，用CDEGS软件计算系统的分流系数Kf后，即可根据设计时的总故障电流求出。在计算分流系数Kf前，需确定的影响因素有：（a）与地网出线地线回数，出线地线与杆塔的是否有金属连接方式，以及该杆塔的接地电阻值；（b）出线电缆回数、电缆的参数；（c）变电站地网的接地电阻值；（d）与被评估变电站直接相连的对侧各电压等级变电站地网接地电阻值；（e）变电站所处位置土壤结构；（f）变压器中性点接地方式。（3）以整个变电站场区为研究对象，计算实际接地系统在单相接地短路故障情况下，变电站地网接地导体的电位升高，是否满足二次设备安全的要求。（4）计算变电站跨步电压US和接触电压UT分布情况，对比测试结果以及跨步电压US和接触电压UT的限值，判断变电站US、UT的分布情况，分析和评估在地表产生的接触电压和跨步电压是否满足人身安全要求。1.3 需要提供的系统参数以500kV砚都变电站为例，表一为广东省电力调度中心提供的500kV砚都变电站在500kV侧或220kV侧发生单相接地短路故障时主变、500kV线路和220kV线路各支路提供的入地短路电流的计算结果。在2009年6月运行方式下核算的砚都变电站500kV和220kV母线单相接地短路电流分别为37.90kA和16.68kA。表1-1 500kV砚都变电站单相入地短路电流计算数据（2009年6月运行方式）故障类型系统部分流经线路的A相短路电流（kA）支路名称各支路提供的A相短路电流（kA）在500kV出线处发生A相故障500kV线路35.672560.1782砚花甲3.9157.6砚花乙3.9157.6砚西甲7.7250.3砚西乙7.7450.3蝶砚甲2.9562.5蝶砚乙2.9562.5砚肇甲3.6482.5砚肇乙3.6482.5主变2.3640.52变2.3640.5220kV线路4.731339.1045砚东甲线0.8443.2砚端甲0.7535.3砚端乙0.7535.3砚珠甲线1.4444.8砚兴线0.6646.2砚荷甲0.188.2砚荷乙0.188.2在220kV出线处发生A相故障500kV线路4.714055.0611砚花甲0.5537.1砚花乙0.5537.1砚西甲1.60-10.4砚西乙1.61-10.4蝶砚甲0.5767.0蝶砚乙0.5767.0砚肇甲1.63123.1砚肇乙1.63123.1主变4.7225.12变4.7225.1220kV线路12.245348.7983砚东甲线3.7951.2砚端甲1.9746.6砚端乙1.9746.6砚珠甲线2.6949.9砚兴线1.185951.839砚荷甲0.329638.105砚荷乙0.329638.105500kV砚都变电站的500kV和220kV线路的参数如表1-2所示。表1-2 砚都变电站500kV和220kV出线的线路参数序号线路名称长度（km）平均档距（m）终端塔型号导线规范地线规范对侧变电站名对侧变电站接地阻抗值（W）1500kV砚花甲138.98450SJCD274-26/28/29/304ACSR-720/50LGJX-150/35LGJ-150/35花都0.4502500kV砚花乙3500kV砚西甲46.423407SJCD274-24/25/264LGJ-400/35，ACSR-720/50LGJX-150/35JLB2-40-7西江0.2064500kV砚西乙5500kV蝶砚甲148.49464SJDG374-25/29/32/334LGJX-630/50LGJX-150/35LGJ-150/35蝶岭0.4556500kV蝶砚乙7500kV砚肇甲1.34335SJCD274-22/23/24/254ACSR-720/50LGJ-95/55JLB2-40-7肇庆换流站0.4798500kV砚肇乙9220kV砚东甲15.0326GUT8-232*LGJ-300LGJ-95/55东岸0.2110220kV砚端甲31.8388GUT8-202*LGJ-240GJ-50端州0.49011220kV砚端乙12220kV砚珠甲16.0364GUT8-232*LGJ-240LGJ-95/55珠山0.48313220kV砚兴线54.0390GTU9-172*LGJQ-300LGJ-95/55兴瑶0.46814220kV砚荷甲44.0400SJ633-212*LGJ-300GJ-50荷村0.48015220kV砚荷乙二 接地网特性参数测量2.1 试验方法2.1.1 接地电阻测试根据变电站主地网现场地形情况和试验条件，选择远离夹角法进行测量。采用类工频（接近50Hz的类工频）小电流法测量，所加测试电流310A。试验原理如图2-1所示。8000型类工频小电流接地网测试系统见图2-2。由于采用远离夹角法，测量结果需要修正，根据DL47592接地装置工频特性参数的测量导则有关公式计算，接地网接地电阻测量结果应为测量值乘以修正系数1/0.8061。由于运行要求，所有运行的500kV和220kV出线线路的避雷线无法与接地网断开联结达到隔离的目的，本次测试将在出线构架上带着避雷线和OPGW光纤地线的运行状态下进行测量，并采用对变电站内500kV场地和220kV场地与出线金属构架相连的所有金属构架、主变中性点和500kV出线杆塔进行分流测量并进行处理的方法尝试消除或减少避雷线和OPGW光纤地线等对测量结果的影响，测试结果供参考。S1：开关 A：选频电流表 V：高内阻电压表图2-1 类工频小电流法试验原理接线图图2-2 8000型类工频小电流接地网测试系统2.4.2 变电站进线避雷线（包括OPGW光纤地线）对测试电流分流测量选择45Hz频率，施加测试电流，利用柔性罗哥夫斯基线圈测量与500kV和220kV出线构架相连通的所有金属构架及变压器中性点和500kV出线杆塔塔脚的分流，得到分流系数，以便于剔除分流因素对测量结果的影响，得到较为真实的变电站地网接地电阻值。2.4.3 站内接触电压的测量在变电站中可能有接地短路电流流过的电力设备外壳或构架上测量接触电压，试验原理如图2-4所示。将电流注入点引至待测设备外壳或构架上，高内阻电压表V1的一端接至地面上离设备外壳或构架水平距离1.0m的测量极上，电压测量极采用22圆钢打入地下0.5m，并保证钢钎紧密插入土壤，电压表的另一端接至设备外壳或构架离地面1.8m处。加测量电流I，读取电压表指示值可测出通过主地网电流I对应的接触电压UT。站内接触电压与通过地网流入土壤的电流值成正比。实测的接触电压尚需按经接地网流入地中地最大短路电流Imax（取37.90kA）换算，接触电压的最大值为：UTjmax=UTImax/I图2-4 接触电压和跨步电压测试原理图2.4.4 跨步电压的测量在变电站中工作人员经常活动的区域测量跨步电压，试验原理如图2-4所示。电流注入点取接地短路电流可能流入接地网的地方注入，将两根20圆钢电压测量极按1.0m间距打入地下0.5m，并保证钢钎紧密插入土壤，高内阻电压表V2的两端分别接至两根测量极上。加测量电流I，读取电压表指示值可测量出通过主地网电流I对应的跨步电压US。如在水泥地面上测量，需在测量点放置两块包裹湿抹布、半径约为10cm的圆盘电极，并在每块圆盘上加不小于40kg的重量。跨步电压与通过地网流入土壤中的电流值成正比。实测的跨步电压尚需经按接地网流入地中的最大短路电流Imax（取37.90kA）换算，跨步电压地最大值为：USmax=USImax/IDL/T6211997交流电气装置的接地中推荐的110kV及以上有效接地系统发生单相接地或同点两相接地时，变电站接地装置的接触电压UT和跨步电压US允许值不应超过：、，式中，s是变电站表层土壤的电阻率。对于砚都变电站：s取100m（参照本报告第七部分“500kV砚都变电站站址土壤电阻率测试和土壤结构分析”中站内场地0.1m深度土壤电阻率测试数据），考虑后备保护动作的系统单相接地短路（故障）电流持续时间t0.35s，计算得UT322.84V，US412.43V。从表2-2、表2-3的实测结果看，变电站场区各部分典型点实测的跨步电压换算值最高为53.6V，接触电压换算值最高为187.06V，均远小于各自允许的安全限值。2.2 测量结论根据DL/T4752006接地装置特性参数测量导则的有关要求，在出线构架上带着500kV、220kV避雷线和OPGW光纤地线的运行状态下，采用施加5.5A类工频小电流的电流电流远离夹角法所测得的500kV砚都变电站地网接地电阻值为0.186。在注入电流频率47Hz的测试方式下，采用柔性罗哥夫斯基线圈对与500kV和220kV出线构架相连通的所有金属构架、500kV出线杆塔塔脚以及变压器中性点进行分流测量，得到所有500kV和220kV出线构架出线避雷线（普通地线和光纤地线）的分流系数达69.62%，考虑到分流因素的影响，砚都变电站地网的接地电阻真实值应远大于实测结果。500kV砚都变电站场区各部分实测的跨步电压和接触电压水平均远小于允许的安全限值。三 设备接地引下线与主接地网连接情况测试3.1测试方法按图3-1接线，通过测量两个相邻设备接地引下线之间的回路电阻来检查设备接地引下线与地网连接情况。（1）以测主地网接地电阻的电流注入点（#3主变A相接地引下线）为第一个参考点A，分别检测该参考点附近场地（第一个区域）各设备的接地引下线（B1，B2Bi）与主地网的连接情况；（2）在待测场地（第二个区域）选定一台设备的引下线M，若M同第一区域内与主地网连接良好的点引下线Bi连接情况良好，认为M与主地网连接良好，则选定其为第二区域的参考点，测该区域设备与M的连接情况，判断其与主地网的连接情况。（3）其他待测场地参照第（2）条依次递推测试，直至完成全站的检测。D FDC-G G 主地网 A、B 设备接地引下线图3-1 FDC-G测试仪测量原理接线图四 接地网开挖检查和接地导体腐蚀性诊断4.1 地网开挖目的接地网导体及接地引线的腐蚀、甚至断裂，将使接地网的电气连接性能变坏、接地电阻增高。若遇接地短路故障，将造成接地网本身局部电位差和接地网电位异常增加，除给运行人员带来威胁外，还可能因反击或电缆外皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，严重者可能导致监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。接地系统状态评估的其中一项重要内容就是诊断接地网的腐蚀状况，判断接地系统是否满足安全运行要求，是否需要改造。4.2 地网检查的步骤及方法试验方法根据技术成熟程度和国内兄弟省份的经验，选择开挖检查结合地中导体腐蚀程度量化分析和土壤分析的方法进行接地导体腐蚀性诊断。4.4.1 开挖检查对于500kV变电站，分别在500kV场地、220kV场地和35kV场地选择典型区域，共计开挖8个点（500kV场地3个点、220kV场地3个点和35kV场地2个点）。对电缆沟内的接地体实行开盖目测检查，沿电缆沟每隔10米开盖一处，至少拍照8点。4.4.2 开挖要求顺引下线开挖，一直挖到引下线和水平接地线连结处，在水平地网前方左右开挖5米。沿避雷针引下线开挖，找出垂直接地体，进行检测及拍照。4.4.3 检查项目a.水平接地带腐蚀情况；b.引下线腐蚀情况；c.垂直接地体腐蚀情况；d.电缆沟内接地带腐蚀情况；4.4.4 取样办法a. 引下线长度100mm；b. 水平接地带长度100mm；c. 土壤每个开挖处各1kg；取样前，应在想断开的地方，先焊接一段同等面积的钢材，然后再把样品锯断。去掉泥土，锈钢，放入袋内。样品应做好标签，写好记录，拍好照片，交给内勤人员处理。4.4.5 检查方法4.4.5.1 腐蚀率检查a.直观法：开挖地网后，用肉眼观察其腐蚀情况，并进行拍照做好记录。b.量直径法：现场把样品取回后，去掉泥土，锈迹，用稀硫酸洗净，在试验室内用卡尺测量腐蚀圆钢的直径，取最细点，测量其腐蚀程度。c.失重法：本次挖检采用相对失重法c.1相对失重法：从现场找到腐蚀比较严重的地方，把样品带回试验室，去掉泥土，锈迹，清洗干净，在试验室内用电子天平测试其重量，算出丢失重量。再按照下列公式计算相对平均腐蚀率：其中 V：腐蚀速率（g/mm）；W1：标准重量（g）；W2：样品实际重量（g）c.2 自然失重法：自然失重法是测量金属腐蚀速率的最经典的方法。这种方法的具体测量过程是先把样品表面檫洗干净，晾干或烘干，用分析天平称出其重量，然后将它埋入待测土壤环境中，经过一定的时间（如4周）后取出，除去表面的锈层，再用稀盐酸或其他溶液清洗，晾干，称重，最后按下列公式计算其平均腐蚀速率：其中 ：腐蚀速率（g/cm2.a） ：样品N天内失去的重量（g）N：为样品在土壤中埋设的天数 A：为样品的表面积（cm2）d.在试验室检测土壤的PH值，找出腐蚀规律。e.针孔法：以腐蚀深度表示的腐蚀率，即在单位时间内被腐蚀金属的厚度变化。以工程观点看，腐蚀深度的程度，可用来预测接地体的使用寿命，因为接地体腐蚀达到一定程度后，流过短路电流时，在电动力的作用下可能发生断裂，影响故障电流的流散，造成事故。针孔法用探针探其腐蚀坑深度，及在100mm内的针孔数目，此种方法能更直观的反映出全面腐蚀严重程度，具有更大的意义。其腐蚀率表示为： 其中 W1：标准重量（g）； W2：样品实际重量（g）；：腐蚀率（g/cm2.h） S：为被腐蚀金属面积（cm2）；t：腐蚀时间（h）；：深度腐蚀率（mm/a）；d：金属密度（g/cm3）4.3 地网腐蚀情况判定标准 因目前我国尚没制定有关标准，根据一般理论，结合实际，对地网导体腐蚀率的判定参考以下标准：a. 腐蚀率小于10%，腐蚀程度为一般；b. 腐蚀率大于等于10%，小于15%，腐蚀程度为严重；c. 腐蚀率大于等于15%，小于25%，腐蚀程度为很严重；d. 腐蚀率大于等于25%，腐蚀程度为非常严重。对500kV砚都变电站地网导体腐蚀状况的综合诊断，采用以下标准：序号检查项目现 象结论1直观法腐蚀较重，导体已变形不合格2称重法接地导体重量小于热稳定计算，同样长度的最低截面重量不合格3设备的连接电阻630m不合格4设备串联接地超过总设备的5%不合格5腐蚀率腐蚀率大于25%不合格五 站址土壤电阻率测试和土壤结构分析5.1 试验目的接地网状态准确评估的基础是接地阻抗、土壤电阻率的测量及土壤电阻率的分层分析，为了更好地对接地网进行分析计算，需要了解变电站所在地域的土壤状况。分层土壤电阻率数据的详细测量是CDEGS软件（电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析，软件介绍见第六章前言）的应用准确性的基础，而后者直接影响到地网状态评估工作的质量，因此土壤电阻率数据的准确性非常关键。5.2 测量原理和方法对500kV砚都变电站站址的不同间距的视在土壤电阻率现场测试，采用四极法测量得到变电站站址的土壤电阻率随测量极间距变化的曲线，根据视在土壤电阻率现场基础测试数据，利用CDEGS软件的RESAP（土壤电阻率分析）计算模块，通过优化分析，反演得到变电站站址的土壤实际分层结构模型。采用温纳（Wenner）四极法的测量分层结构的土壤电阻率原理如图5-1所示，电极按图1等距布置，设a为两邻近电极间距，则以a,b的单位表示的视在土壤电阻率为： ，式中：为视在土壤电阻率；R为所测电阻；a为电极间距；b为电极深度。现场通常b0.1a，则可取b0，上式简化为深度a处的视在土壤电阻率：图5-1 温纳法测土壤电阻率传统的土壤电阻率测试是采用接地摇表完成，测量表层土壤电阻率由于放线比较短，测量准确性是可以保证的，但涉及到放线较长的深层土壤电阻率（最深需要测到400m，相应地放线要其3倍的距离），由于测量线之间的互感影响将很大，导致深层土壤电阻率测量值失真，而接地网中电流的扩散主要通过深层土壤实现的，因此深层土壤电阻率的准确测量尤其重要。目前使用的接地摇表乃至红相的接地测量系统，都是采用交流电流原理（频率异于工频），均无法摆脱测量线之间互感的影响，而采用直流测量又将带来极化效应，采用交变直流电源的法国IRIS公司生产的SYSCAL型土壤分析仪（图5-2）则可以有效解决这个问题，即通过以周期反向的直流电流作为激励源，避免因交流电流激励条件下测试线间的互感给测试结果带来的影响。图5-2 SYSCAL型土壤分析仪5.3 测量和计算结果5.3.1 变电站站址分层视在土壤电阻率测试结果根据500kV砚都变电站的现场情况测试线路选在变电站内预留扩建部分场地和站外围墙边（测短距）和站外大路（测长距），测试结果见表5-1。表5-1 肇庆局500kV砚都变电站站址视在土壤电阻率测试结果极间距（m）信号电压（mV）注入电流（mA）视在土壤电阻率（m）0.1218.4914.0397.90.2184.9411.9397.40.3408.7211.3368.00.497.8631.77173.90.5252.0748.1297.91.068.2642.76155.41.0212.4988.11164.61.552.7162.89171.72.051.7973.18204.82.0144.4857.54240.93.057.2405.20207.63.0168.9613.68232.85.094.71615.56191.31055.26230.9112.42052.39851.23128.53048.4350.31181.55050.6563.92248.97547.3372.89305.910053.62871.23473.115048.4574.4613.820045.2774.78760.025056.7116.68763.030063.43175.9676.035044.02149.07649.540050.78158.0807.845050.786180.28796.550053.45195.02860.95.3.2 土壤分层结构计算结果CDEGS软件的RESAP模块可根据土壤电阻率的测试结果计算土壤分层结构，具体即：选定测试方法温纳(Wenner)法；输入电极间距（a）、电极入地深度（b）和视在电阻率测试值（）计算。实用中，通常b0.1a，软件采用简化计算方法（Ignore Probe Depth），只需输入输入电极间距（a）和视在电阻率测试值（）即满足计算条件。500kV砚都变电站站址土壤电阻率计算结果见图5-2及表5-2，为水平四层结构。表5-2 500kV砚都变电站站址土壤分层结构计算数据深度（m）土壤电阻率（m）1.5597.654.74175.2327.53136.10infinite1087.34图5-2 土壤分层结构计算结果5.4 结论对500kV砚都变电站站址的不同间距的视在土壤电阻率现场测试，结合CDEGS（电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析）软件的RESAP模块计算，得到变电站站址的土壤结构为表5-2所示的水平四层的分层结构。500kV砚都变电站站址的深层土壤电阻率总体水平比较高，土壤条件比较差。六 基于CDEGS软件的变电站接地网状态数值评估6.1 前言6.1.1 CDEGS软件的简介CDEGS是Curret Distribution、Electromagnetic Field、Grounding and Soil Structure Analysis（电流分布，电磁场，接地和土壤结分布）的缩写，它是由加拿大SES公司（Safe Engineering Services&Technologies Itd安全技术工程服务有限公司）出品。该软件为接地、电磁场、交直流电磁兼容，以及阴极保护等问题服务，具有多种组件高度集成以及多功能的通用软件工具，它可以计算在正常运行、故障、雷击，以及操作暂态条件下，任意由地上或地下的带电导体所组成网络中的电流和电磁场，其中土壤结构可以是非均匀的多种类型的土壤结构，导体可以是裸导体、带绝缘层的管道或在管道中的电缆。目前CDEGS软件包具有RESAP、MALT、MAIZ、SPLITS、TRALIN、HIFREQ、 FCDIST、FFTSES共计8个功能模块。（1）RESAP（Rsistivit Apparente，电阻率分析）RESAP主要功能即土壤电阻率计算和土壤结构分析。通过测量所得的视在土壤电阻率，计算得到等效的土壤结构，包括不同层的厚度和该层相应的土壤电阻率。输入数据是采用四极法测量所得的视在土壤电阻率和相应的极间距，必要时还可以输入电极入地深度。根据土壤结构的具体特点，RESAP可以将土壤等效为水平分层、垂直分层以及经常在输电线路参数计算中用到的土壤电阻率随深度指数变化的指数分层土壤结构。（2）MALZ（Mise La Zerre接地计算和分析）MALZ的主要功能即高频条件下的接地计算和分析。通过对接地网的频域特性分析得到：空间电磁场分布、导体与土壤电位分布、导体中的电流分布。适合于分析那些与较大导体网络相邻的且有外护层的管道之间的相互作用, 此时整个导体网络不能简单地看作是等电位。还可以用于分析接地网络的频率响应特性以及导体的阴极保护研究。MALZ的输入数据包括：土壤结构；接地极和其它地下敷设的金属装置的尺寸（圆柱体或等效圆柱体）、位置，以及护层的尺寸和电阻率；注入电流的幅值、波形（频率、相位），以及电流注入点的位置。（3）SPLITS（ Simulation of Power Lines，Interconnections and Terminal Stations，线路和所相连的变电站回路模拟）详细模拟变电站和连接变电站的线路，进行平衡或不平衡(包括短路)条件下不同导体的电流分布计算。对线路的模拟包括线路杆塔接地电阻，对变电站的模拟包括母线、接地装置和变压器，就变压器而言，可以模拟单相、三相变压器，可考虑绕组接线方式。绕组可以是双绕组或三绕组，并可模拟自耦变压器。（4）TRALIN （TRAnsmission LINes，输电线路）对电力载流导体(包括地面以上的导线、地面以下的电缆和管线)的电气参数，进行静电感应、电磁感应的分析计算，并且可以计算静电电位和电位梯度。计算任意条不同规格的输电线路或配电线路，不同导体的空间位置可以任意布置，在所计算的情况中，可以同时存在电缆、管线、多股导线组成的导体；对于裸导体，有绝缘层的导体，在地面以上的、或在土壤中的导体情况均可以计算；同时可以考虑土壤结构不均一的特性。（5）HIFREQ（High Frequence，高频分析）计算地面以上和地中导体的电流分布，根据导体电流分布结果进行地面以上空间和地中由软件使用者指定区域的电场、磁场和电位(包括导体的电位)。其中电源的模拟可以采用电压源或电流源，而且可以采用外部电场的方式；另外，可以模拟电阻、电感和电容等集中参数；HIFREQ的计算频率可以从0Hz到几十MH2；可以定义导体处于无限大介质，或敷设于均一或两层土壤中；空气、土壤和导体的电阻率、介电常数和相对磁导率可以是任意值。（6）FCDIST （Fault Current Distribution，故障电流分布）主要功能和SPLITS基本相同，模拟变电站和连接变电站的线路，进行不同导体的电流分布计算。其特点是模拟相对简化，例如采用单相等值参数和地线模拟实际的带地线的三相线路，线路档距、杆塔接地电阻在同一个算例中必须一样。这样处理的结果是和实际情况有一定差距，但在满足工程需要的基础上减少了工作量，提高了研究、解决问题的速度。（7） FFTSES（Fast Fourier Transform SES，SES中的FFT变换）FFTSES是MALT、SPLITS和HIFREQ等频域相关模块的辅助模块。在FFTSES中通过傅立叶变化和傅立叶反变换，帮助用户进行频域的暂态分析，以及实现频域和时域的转换。