一种智能变电站接地系统设计及优化方法

摘要

本发明公开了一种智能变电站接地系统设计及优化方法，包括以下步骤：对不同地质类型的土壤进行连续1年测量，得到较为精准的土壤电阻率及季节系数查询表；根据变电站实际土壤分布进行土壤模型建模；在变电站施工后对站址表层土壤的电阻率再次进行测量，得到表层土壤的表层电阻率；计算接地网系统的接触电压和跨步电压分布情况，对接地网进行调整，设置合理的接地网敷设密度；判断接地系统性能是否满足要求，若不满足，则综合考虑不同降阻方式。其优点在于：土壤电阻率值及季节系数更加精确；设计过程考虑分布式土壤模型及施工对表层电阻率的影响，接地系统的性能计算更加准确；综合考虑不同降阻方式，降阻措施的使用更加合理，经济性更好。

说明书

技术领域：

本发明涉及变电站接地系统领域，特别涉及一种智能变电站接地系统设计及优化方法。

背景技术：

随着现代电网向特高压和大容量的方向发展，对电力系统安全、稳定及经济运行的要求也越来越高，为了确保电网的安全稳定运行，提高供电可靠性，需要设计良好的变电站接地系统。

目前，智能变电站中接地系统的设计还是以普通变电站的接地系统设计流程为主。其主要缺点如下：(1)土壤电阻率的测量仅为1至2次，而且仅在春夏秋季节进行测量，没有冬季的土壤电阻率数据；(2)选取的季节系数都为经验值，数值往往不够精确；(3)站址土壤模型选用均匀分布模型，不考虑不同地点地质情况的不同；(4)土壤模型中，表层土壤不考虑站址施工后对土壤电阻率的影响；(5)接地网敷设方式较为简单，采用网格平均敷设的方式，不考虑根据接触及跨步电压的分布进行优化；(6)降阻措施较为单一，不能通过多种降阻方式进行统一考虑。

蒙西地区地质环境复杂、地貌多样，拥有沙土、湿陷性黄土、盐碱土、岩性土等多种土壤类型，普通变电站接地系统设计流程的不足更加明显，但国内还没有专门针对蒙西地区变电站接地系统设计的相关研究。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结合实际土壤分布模型及土壤电阻率、季节系数进行设计，并利用多种降阻措施进行优化的智能变电站接地系统设计及优化方法。

本发明由如下技术方案实施：一种智能变电站接地系统设计及优化方法，其包括以下步骤：

S100：对不同地质类型的土壤进行连续1年的测量，得到较为精准的土壤电阻率变化情况；

S200：根据S100测得的土壤电阻率形成不同土壤类型的季节系数查询表；

S300：根据变电站站址的实际土壤分布进行土壤模型的建模；

S400：在变电站施工后对站址表层土壤的电阻率再次进行测量，得到表层土壤的电阻率；

S500：计算接地网系统的接触电压和跨步电压分布情况，对接地网进行调整，设置合理的接地网敷设密度；

S600：判断接地系统性能是否满足要求，若不满足，则综合考虑不同降阻方式。

优选的，步骤S500中计算接地系统的接触电压和跨步电压分布情况时，需根据S400获得的表层土壤的电阻率对土壤模型进行修正。

优选的，步骤S600中对于降阻方式的选择采用层次分析法。

优选的，步骤S600中的层次分析法将选择不同类型土壤中接地网的降阻措施设为目标层，将接地电阻、接触电压、跨步电压设置为准则层，将可选取的降阻方式设为方案层。

本发明的优点：与现有技术相比，结合土壤实际分布模型多次测量土壤电阻率，使得土壤电阻率值及季节系数更加精确，同时为不具备测量条件的工程提供了理论依据；设计过程中考虑分布式土壤模型及施工对表层电阻率的影响，接地系统的性能计算更加准确；综合考虑不同降阻方式，降阻措施的使用更加合理，经济性更好。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的流程示意图。

图2为本发明实施例1的文纳四极法测量原理接线图。

图3为实施例1的测线布置情况图。

图4为实施例1的层次分析结构模型图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示的一种智能变电站接地系统设计及优化方法，包括如下步骤：

S100：对不同地质类型的土壤进行连续1年的测量，以得到较为精准的土壤电阻率变化情况；

S200：根据S100测得的土壤电阻率形成不同土壤类型的季节系数查询表；

S300：根据变电站站址的实际土壤分布进行土壤模型的建模；

S400：在变电站施工后对站址表层土壤的电阻率再次进行测量，得到表层土壤的土壤电阻率；

S500：计算接地网系统的接触电压和跨步电压分布情况，对接地网进行调整，设置合理的接地网敷设密度；

S600：判断接地系统性能是否满足要求，若不满足，则综合考虑不同降阻方式。

其中S100中，对不同地址类型的土壤进行土壤电阻率测量的测量方法及具体测量过程如下：

(1)测量方法

本实施例中，土壤电阻率测试采用电阻率法中的对称四电极测深法，即文纳四极法进行，具体的测量原理接线图如图2所示：其中的四极是指被测接地装置G、测量用的电流极C和电压极P以及辅助电极S。辅助电极S离被测接地装置边缘的距离dGS＝30～100m。两电极之间的距离a应等于或大于电极埋设深度h的20倍，即a≥20h。由接地电阻测量仪的测量值R，得到被测场地的视在土壤电阻率：

ρ＝2πaR

测量电极建议用直径不小于1.5cm的圆钢或＜25×25×4的角钢，其长度均不小于40cm。

被测场地土壤中的电流场的深度，即被测土壤的深度，与极间距离a有密切关系。为了得到较合理的土壤电阻率的数据，当被测场地的面积较大时，极间距离应相应地增大，最大的极间距离可取拟建接地装置最大对角线；当被测接地装置的最大对角线D较大，或在某些地区(山区或城区)按要求布置电流极和电压极有困难时，可以利用变电所的一回输电线的两相导线作为电流线和电压线。

通过实践检验，文纳四极法准确性完全能满足一般工程的需要，且此测量方法所需仪表设备少，操作简单。

在具体测量过程中，采用基于本原理的高密度电阻率测试仪。所有电极排列全部采用滚动测量方式，通过移动电极可使断面无限接续，断面收尾亦变得轻而易举；在测量过程中同时采用多极滤波及信号增强技术、集成电法干扰抑制器功能，拥有超强抗共模干扰与差模干扰能力，测量精度高。

(2)测量过程

在本实施例中，测量工作在蒙西地区选取典型的地质地貌区域开展。为便于测量，测量地点均选择在已建变电站附近，在变电站附件选取一处约150m×150m的空地，前期对每一处测量地点的地质情况进行考察并记录，如变电站周围无可用空地，及时选取周围附近可用测量点，同时，为避免测量地点后期因新建被占用，应在周围选取合适的备用测量点。

在选取测量地点后，根据地形及初步的地勘情况，进行测线及测点的布置，根据站内地质分布情况，最大程度平均覆盖不同地质情况，通常在站内选取3-5条测线，站外选取2-3条测线，本实施例中的测线布置情况如图3所示。

针对不同地址类型的土壤，土壤电阻率测量每月进行一次，连续测量一整年，为解决冬季因电极接触不良造成的电阻率测量精度下降问题，在冬季测量电阻率时，需在电极周围浇水，以增大电流解决上述问题。根据DL/T 475-2017要求：测量宜在连续晴天3d或干燥季节进行，本实施例中，在项目测量前持续关注测量地区5天的天气情况，并做好记录。

测量结合规程要求及现场实际情况，选取0.1m至对角线长度的极间距，为保证测量数据的准确性，同一极距采用20V与40V电压各测量一遍。同时为避免电极接触电阻对测量结果的影响，记录电极接触电阻的大小。

本实施例的电极间距如下表1所示，其中P

表1.电极间距a、探针深度h取值

最终测量得到不同地质情况对应的土壤电阻率。

S200中，季节系数查询表的建立过程如下：

选取某一月份为标准月份(一般取6月份)，再根据每月份的土壤电阻率测量结果，将测量数据根据比例折合成比例系数。

通过得到的测量数据形成不同土壤类型的季节系数查询表。方便以后使用。以后使用中，只需要测量1次土壤电阻率，再查询季节系数查询表使用即可。

在确定不同地质类型的土壤电阻率及季节系数后，需要对土壤进行建模，即根据测量数据，利用电测深曲线类型及特征，反演土壤模型，确定一个与实际的大气结构电气等效的土壤模型，土壤模型根据情况可分为单层、双层、多层等土壤模型。

本实施例中，S300中根据变电站站址的实际土壤分布进行土壤模型的建模过程如下：使用CDEGS软件中的土壤电阻率分析模块，即RESAP工程模块，将根据表1测量得到的电阻率数据导入，由软件最终反演绘制得到土壤模型。

在得到实际土壤分布的土壤模型后，还需考虑变电站施工对表层土壤电阻率的影响；通常情况下，变电站施工会导致表层土壤电阻率较未施工前产生变化，因此还需进一步测量施工后的表层土壤电阻率，其测量原理及方式与步骤S100相同，均采用文纳四极法进行，不同之处在于需要对电极深度进行调整，测量电极间距a最大至对角线一半即可。

在测得表层电阻率后，对接地系统的性能进行精确计算，主要计算其接触电压及跨步电压分布情况能否满足设计要求。

具体地，S500中，计算接地网系统的接触电压和跨步电压分布情况的具体过程如下：

S510：使用CDEGS软件中的频域接地分析模块，即MALZ工程模块，使用SESCAD工具建模，基于接地系统平面布置图建立三维接地网模型；

S520：将RESAP反演的土壤模型输入，并利用S400中测得的表层土壤电阻率对土壤模型进行修正，利用仿真计算得到接地系统的接地电阻；

S530：使用CDEGS软件中的电流分析模块，即FCDIST工程模块，计算变电站的故障电流分布，确定变电站发生站内单相对地短路时的最大入地电流；其中，土壤信息取RESAP计算输出的土壤结构的底层土壤信息，接地电阻取自MALZ计算结果；

S540：在确定土壤模型、接地系统的接地电阻及故障电流后，使用MALZ工程模块，基于最大入地电流计算得到接地系统的接触电压和跨步电压；

S550：在计算得到接地系统的接触电压及跨步电压分布情况后，对接地网进行调整，设置合理的接地网敷设密度。

在完成上述步骤后，进一步判断接地系统性能是否满足设计要求，若不满足，则综合考虑不同降阻方式。

具体地，本实施例中，步骤S600对于降阻方式的选择采用层次分析法进行。

其中层次分析的基本原理如下：将“选择不同类型土壤中接地网的降阻措施”设为目标层，将接地电阻、接触电压、跨步电压设置为准则层，将可选取的方式方法，包括“利用自然接地体”、“利用引外地网”、“利用降阻剂”、“利用深井接地体”、“利用电解地极”及“利用扩大地网面积”等设为方案层。

以土壤类型为沙土为例，其降阻方式的层次分析结构模型如图4所示，具体过程如下：

S610：构建判断矩阵A，根据层次分析结构模型图，将各因素两两进行判断与比较，构造判断矩阵，其中判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是进行权重计算的重要依据，其标度取值情况如表2所示。

表2判断矩阵标度取值情况

本实施例中，根据工程建设过程中项目建设单位关注的重点：B

根据上述条件，最终构造的判断矩阵如下：

判断矩阵A-B，即相对于总目标A，判断层各因素相对重要性比较如表3所示；判断矩阵B

表3判断矩阵A-B

表4判断矩阵B

表5判断矩阵B

表6判断矩阵B

S620：计算各判断矩阵的特征值、特征向量及一致性检验指标；在层次分析法中，计算判断矩阵的最大特征值与特征向量，必不需要较高的精度，用求和法或求根法可以计算特征值的近似值。

具体地，本实施例中各判断矩阵的特征值、特征向量及一致性检验过程如下：

(1)判断矩阵A-B的特征根、特征向量与一致性检验

①计算判断矩阵A-B各行元素的乘积M

类似地有W

W＝[0.230,0.648,0.122]

②计算矩阵A-B的特征根

类似地可以得到AW

按照公式计算判断矩阵最大特征根：

③一致性检验

实际评价中评价者只能对A进行粗略判断，这样有时会犯不一致的错误。如，已判断C1比C2重要，C2比C3较重要，那么，C1应该比C3更重要。如果又判断C1比C3较重要或同等重要，这就犯了逻辑错误。这就需要进行一致性检验。

根据层次法原理，利用A的理论最大特征值λmax与n之差检验一致性，一致性指标：

计算可得：

查同阶平均随机一致性指标，如表7所示，知RI＝0.58，一般认为CI<0.1、CR<0.1时，判断矩阵的一致性可以接受，否则重新两两进行比较。

表7平均随机一致性指标

(2)判断矩阵B

类似于第(1)步的计算过程，可以得到矩阵B

W＝[0.105,0.258,0.637]

(3)判断矩阵B

类似于第(1)步的计算过程，可以得到矩阵B

W＝[0.592,0.333,0.075]

(4)判断矩阵B

类似于第(1)步的计算过程，可以得到矩阵B

W＝[0.149,0.066,0.785]

S630：层次总排序，获得同一层次各要素之间的相对重要度后，就可以自上而下地计算各级要素对总体的综合重要度；设二级共有m个要素c

具体地，本实施例中，方案C1的重要度(权重)为：

0.230×0.105+0.648×0.529+0.122×0.149＝0.426；

方案C2的重要度(权重)为：

0.230×0.258+0.648×0.333+0.122×0.066＝0.283；

方案C3的重要度(权重)：

0.230×0.637+0.648×0.075+0.122×0.785＝0.291；

依据各方案综合重要度的大小，可对方案进行排序、决策；层次总排序如表8所示。

表8层次总排序

由表8可以看出3种降阻方案的优劣顺序为：C

对于其它土壤类型的降阻方案，层次分析法原理相同，只需根据层次总排序结果进行相应降阻方案的选择即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。