基于CDEGS的接地网仿真应用研究

张少轩，王 浩

（中铁电气化局集团有限公司，工程师，四川 成都 610000）

拉林铁路位于青藏高原主体区域，建于此地的牵引变电所土壤电阻率高，需采用有效的降阻方案降低接地电阻，但确定降阻方案实验条件实施困难，无法判断降阻方案是否可行，针对此问题提出采用仿真的方式对降阻方案进行验证。

1 仿真软件及土壤电阻率测量方法

1.1 CDEGS仿真软件简介

CDEGS集成工具软件包是一套功能强大的集成软件工具。可针对土壤结构的分层情况进行拟合，模拟最佳的土壤结构，还可以通过分析接地网络求解短路电流值的大小，计算跨步电压和接触电压。

降阻方案验证需应用的模块主要包括RESAP、MALT、FCDIST等。CDEGS软件主要功能为土壤结构模拟如图1所示：

图1 土壤结构模拟

1.2 土壤电阻率测量方法

为真实反映整个接地系统中的土壤情况，应当对接地系统土壤进行有效测量，其中，若采用等距测量法（如wenner法），最大测量间距S不应小于地网对角线长度；探针深度如电流极探针深度Do与电压极探针深度Di不应大于测量间距的1∕5。wenner法测量原理图如图2所示。

图2 wenner法测量原理图

测量过程中，应注意在短间距时探针深度的记录，以及长间距时信号发生器的功率是否满足要求；否则会出现短间距时，探针深度超过测量间距的1∕5（此时需考虑探针深度），或者在长间距测量时，信号太弱，容易受到干扰。

由于牵引变电所内回填土的土壤结构区别于所外，因此在变电所场坪内测量表层土壤电阻率，并在所外20～30m一处平行牵引变电所主地网的线进行长间距测量以测得深层土壤电阻率，具体测量方法如下：

（1）推荐测点分布应为（单位：m）：

0.1 、0.2、0.3、0.5、0.7、1、2、3、5、7、10、20、30、50、70…

为了体现接地系统表层电阻率，推荐测点应从0.1m开始测量，并保证最大测量间距不小于接地网对角线长度，其中起始点的选择无硬性要求，地面下无金属管线即可。

（2）在已完成土建等主体工程后的变电所中，应在所内进行短间距测点测量，并在所外进行长间距测点测量。数据宜按推荐测点分布，除去在所内测试的短间距测点，再测试1组数据，直至接地网对角线长度以上为止。

2 仿真应用研究

2.1 降阻方案

朗县牵引变电所为例，其场坪大小为80m*75m，所内原始主地网采用由水平地网及垂直接地极构成的复合地网。水平接地网埋设深度0.8m，采用150mm2铜绞线；垂直接地极采用φ18、长度为3m的纯铜棒。

朗县牵引变电所采取的降阻措施，主要为：实施深井接地极、地网外扩等结构性降阻措施，并在深井内填充纳米石墨接地焦以改善土壤环境。采取降阻措施后的朗县牵引变电所接地系统布置图如图3所示。

图3 朗县牵引变电所接地系统布置图

具体为：在原始主地网的基础上外扩地网，采用埋深0.8m的150mm2铜绞线，每隔40m设置一处50m深井接地极，深井成孔直径为110mm，其中垂直接地体采用φ18mm纯铜接地体，深井及水平沟槽回填采用纳米石墨接地焦材料。此外，独立避雷针接地体设置并联30m埋深避雷针深井接地极，深井成孔直径为110mm，水平接地体采用埋深0.8m的150mm2铜绞线，垂直接地体采用φ18mm纯铜接地体，深井及水平沟槽回填采用纳米石墨接地焦材料。

2.2 土壤模型反演

朗县牵引变电所土壤电阻率现场测试数据如表1所示：

表1 土壤电阻率现场测试数据

3 5场坪外第一组 东侧/20 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 5 7 10 293 263 315 315 318 317 315 316 310 297 296 277 217

根据工程输入参数中土壤电阻率测量数据后导入CDEGS仿真软件进行土壤模型反演。根据土壤反演模型，确定朗县牵引变电所土壤电阻率分布如表2所示：

表2 土壤电阻率与土壤厚度

2.3 接地电阻仿真计算

朗县牵引变电所的主地网模型如图4所示：

图4 朗县牵引变电所的主地网模型

根据表2中导入土壤模型反演数据，利用CDEGS软件仿真后，软件仿真结果如图5所示：

图5 软件仿真结果

根据仿真计算结果，朗县牵引变电所接地系统阻抗为0.45445Ω。

2.4 接地系统电阻值校验

根据牵引变电所外电输入参数及接地电阻仿真计算中所得到的朗县牵引变电所接地系统阻抗值，导入CDEGS仿真软件进行短路电流分流计算，其结果如图6所示：

图6 朗县牵引变电所分流系数计算输入界面

由仿真后计算结果可知，入地短路电流为4142.4A，入地短路约占总短路电流的47.8%（分流系数约为0.478）。

朗县牵引变电所为220kV进线电压等级的牵引变电所，单相短路电流取8663A。按照《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2016）4.13.5的要求，牵引变电所接地电阻需满足：

IG为流经接地装置的入地短路电流，R为考虑到季节变化的接地装置的最大接地电阻。

根据接地电阻仿真计算和牵引变电所短路入地电流的计算结果，朗县牵引变电所阻抗为0.45445Ω，将入地短路电流4142.4A代入公式可得R=0.48281Ω，0.45445Ω＜0.48281Ω，因此朗县牵引变电所接地系统电阻值校验为合格。

3 接地系统安全性评估

根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）中对接地电势及跨步电势的阈值要求

接触电势阈值

跨步电势阈值

其中：

ρs为表层土壤电阻率，ts为故障清除时间，Cs为表层衰减系数（根据GB∕T 50065-2011 C.0.2工程中对地网上方跨步电位差和接触电位差允许值的计算精度要求不高（误差在5%以内）时，也可采用C.0.2式计算）

hs为表层土壤厚度，ρ为下层土壤电阻率（表层土壤的下一层土壤电阻率）。

为了提高接地系统安全性，防止人员意外触电引发安全事故，朗县牵引变电所在室外设备区域均敷设了碎石（特征电阻率计为3000Ω·m，敷设厚度不低于15cm，即表3中表层土壤厚度0.15m），从而提高接触电势以及跨步电势安全性限值。

下面针对已敷设碎石的接地系统进行安全性评估。已敷设碎石时，将表层土壤电阻率、下层土壤电阻率、表层土壤厚度、代入公式（3-3）后可得表层衰减系数。将表层衰减系数、故障清除时间等参数带入公式（3-1）与公式（3-2）中可得出接触电压与跨步电压的限值，结果计算参数如表3所示：

表3 朗县牵引变电所接地系统安全阈值计算表

朗县牵引变电所接地系统的接触电势和跨步电势的计算值由最大故障电流与实测接地网阻值、主网网格间距大小等理论数据计算得出，其计算仿真计算值如图7、图8所示：

图7 朗县牵引变电所接触电势仿真计算值

图8 朗县牵引变电所跨步电势仿真计算值

经过比对，朗县牵引变电所接触电势与跨步电势计算值均低于安全阈值，结果如表4所示，朗县牵引变电所安全校验通过，接地系统评估为安全。

表4 朗县牵引变电所接地系统安全评估结果表

4 总结

通过仿真软件CDEGS对朗县牵引变电所采取的深井接地极并填充纳米石墨接地焦的降阻方案进行验证，经过土壤模型反演、仿真计算接地电阻阻抗、接触电势与跨步电势对接地系统的安全性进行评估，确定降阻方案满足要求。采用的仿真软件具有精度高，速度快，方案参数改变简单快捷，节省了现场验证所需要的人工和材料等成本，取得了较好的效果。