变电站接地网计算机辅助设计

摘 要　开发一界面友好的“变电站接地网计算机辅助设计”软件。在土壤结构复杂和设计过程繁琐的情况下，利用该软件，将有助于完成高效的接地网设计。关键词　接地　接地电阻　接触电势　跨步电势

1　引言
　　众所周知，变电站接地网的设计是变电站电气部分设计的重要组成部分。随着电力系统电压水平不断提高和系统容量不断增大，更加需要细致、安全地接地网设计。由于土壤结构和接地计算的复杂性，设计人员在进行电站接地网设计时，常常遇到以下三方面的困难：①计算量大，过程繁琐；②精度难以达到控制；③需要足够的设计经验。针对上述情况，在参考接地网设计步骤的基础之上，编制了“变电站接地网计算机辅助设计”软件。该软件是面向电力系统接地网设计的一种工程计算、设计软件。软件力求简化和规范接地设计过程。设计人员只需具备一定的接地设计知识，即可借助该软件方便、高效地完成接地网设计。
2　软件功能及设计原理
　　该软件的设计遵循高效、实用和使用方便的原则。软件能完成如下功能：
　　（1）土壤模型的确定。土壤模型包括均匀土壤和双层土壤。双层土壤模型的建立方法^［2］应用最小二乘法准则建立双层土壤参数优化计算的目标函数，然后采用powell算法求出上层土壤电阻率ρ₁、下层土壤电阻率ρ₂和上层土壤厚度h₁，如图1。

　　（2）接地电阻和最大接触电势和跨步电势计算。其中供选择的计算方法有公式法和数值法。该软件以“国家电力行业标准－1997”的“交流电气装置的接地”规程^［1］为依据，对其中部分公式依据较新的文献^［4，5］做了改进。可以更准确地计算不同形状地网的接地电阻和最大接触电势和跨步电势。双层土壤时，采用文献^［6，7］公式进行计算。数值计算通过嵌入成熟的接地计算软件包可对不同土壤条件下、不同形状和尺寸的地网接地参数进行计算。
　　（3）不等间距设计。采用按指数规律布置^［8］的不等间距的地网设计可使接地体中的电流密度更加均匀，有效降低地表电位梯度，图2为一典型不等间距的地网。实践证明，它是一种安全、经济的设计方法，已在工程实际中逐步得到广泛应用。

　　（4）方案的比较和确定。对于给定的设计要求，可方便地对已有方案有关参数进行比较，并作出选择。
3　开发工具和界面设计
　　该软件选择了VisualC＋＋6．0作为开发工具。利用VC6运行于Windows（包括95／98／NT）上的交互式可视化集成开发环境，即将集程序的代码编辑、编译、连接、调试等于一体，给编程人员提供了一个完整方便的开发界面和许多有效的辅助开发工具。在编程过程中，使用了Application Wizard、ClassWizard、ClassView、SourcView、FileView、
Dialog Painter等辅助工具，充分显示了使用VC6辅助开发工具的方便。
　　考虑到软件应便于设计人员使用，在Application Wizard中选择了基于对话框的模板。设计时使用的控件有：静态文本框、编辑框、单选框、复选框、按钮、下拉列表框、组合框、列表控件、FlexGrid控件。大量数据的输入在主界面中，所以用“组框＂把相关输入组合起来，使界面更清晰，如图3、4。
　　在使用前，要求设计者已知变电站的最大故障入地短路电流以及故障电流可能持续的最长时间。

　　在选择导线截面积时，可以在下拉列表中点选，也可以手工输入列表中没有的值。为了满足接地导体的热稳要求，可以点击“计算选择”按钮，在弹出的对话框中填上相应的参数，程序将给出导体直径的参考值。
　　根据工程实测的情况和计算精度的需要，可以在“土壤模型”方框中选择“单层土壤”或“双层土壤”以拟合实际土壤模型。设计者在使用时，也可以都选双层土壤模型。因为单层土壤可以看作双层土壤的一种特例。若选择双层，则按钮“确定土壤参数”由灰色状态变为可用，点击该按钮，弹出一对话框（见图4），要求设计者输入四极等距法测得的若干组数据，每组数据包括间距和视在电阻率。每输完一组，点击“添加”。输入过程中，如发现输入有误，可以点选要删除的数据，确认该组为选中时，点击“删除”按钮，该组即被删除。输完所有实测数据后，程序即自动给出搜索初试值。有经验的用户可以选择“修改”选项，手动修改初试值，以减少搜索所需时间。在点击“计算模型”按钮之前，用户还可以选择搜索所用公式为“有限表达式”或“无限表达式”。无限表达式，计算时间稍长，但更精确，所以建议一般使用无限表达式。计算完成后，按“确定”回到主界面，这时可以看到土壤模型的参数（ρ₁，ρ₂，h₁）。
　　“地网”方框中列出的都是地网设计时必须考虑到的特征参数。点击“计算接地电阻”按钮，将立即算出该参数集下的地网接地电阻值。如对该值不满意，可以修改某些参数，再计算接地电阻值，直至满足要求。在“接触电势、跨步电势”方框中填上地表碎石电阻和冲击允许时间，这两项参数将用于计算接触电势、跨步电势的最大允许值。在按下“计算”按钮后，会再计算一遍接地电阻，以确保接地电阻值与当前各参数对应，然后计算最大接触电势、跨步电势。

　　设计者设计中可能有多个方案，点击“新方案”将保存当前的方案。若需要显示某一个方案，只需双击方案列表中方案所在行，主窗口的所有参数将被更新。若要删除某方案，先点选，再按“删除方案”按钮，经过确认后删除。若要修改某方案，先双击该方案以显示所有参数，修改参数后，点击“确认修改”按钮，经确认后修改成功。“删除所有方案”按钮使用时需用户确认。
4　软件各模块示意图
该软件中各模块的关系及条件如图5所示。

5　算例
　　（1）由四极法测试数据，构建双层土壤模型结果见表1和图4接面。其中a_j（m）为测量电极间距；所测视在电阻率；ρ₁（Ωm）为上层土壤电阻率；ρ₂（Ωm）为下层土壤电阻率；h₁（m）为上层土壤厚度。
（2）双层土壤中，带垂直接地极的复合地网接地电阻计算结果见表2。其中，地网面积S=20m×20m；水平地网埋深h=0.5m；导体直径d=d₀=0.02m；垂直接地极长度l=10m；上层土壤厚度h₁=5m；上层土壤电阻率ρ₁=100Ω?m；折射系数K=（ρ₁-ρ₂）/（ρ₁ ρ₂）；R和R’分别为数值计算和简化计算的结果。

 

 

6　结论
　　软件选择了VisualC＋＋6．0作为开发工具。编制了“发、变电站接地网计算机辅助设计”软件。设计人员只需具备一定的接地设计知识，即可借助该软件方便、高效地完成接地网设计。该软件功能包括：（1）土壤模型的确定；（2）接地电阻和最大接触电势和跨步电势计算；（3）不等间距设计；（4）方案的比较和确定。

参考文献

1　中华人民共和国电力工业部．交流电气装置的接地．DL／T621－1997．
2　潘文霞，邹鹰．双层土壤参数的优化计算．中国电机工程
3　高延庆，何金良，曾嵘．发、变电站接地网安全性能分析．中国电力，2001，34（5）
4　王洪泽．任意形状复合接地网接地电阻的计算．电力建设，2000（5）
5　王洪泽．对电力标准《接地》中接地网最大接触电位差公式的分析与拓展．广西电力工程，2000（4）
6　鲁志伟．双层土壤复合接地网接地电阻的简化计算．广西电力工程，1999（1）
7　J．M．Nahman，V．B．Djordjevic．Nonuniformity Correc－tion Factors for Maximum Mesh－and Step－Voltages ofGround Grids and Combined Ground Electrodes．IEEE Trans．on Power Delivery，1995，10（3）
8　L．Huang，X．Chen．Study of Unequally Spaced Ground－ing Grids．IEEETrans．on Power Delivery，1995，10（2）