一种多层土壤复合地网参数获取方法与流程

本发明涉及电力技术领域，尤其是涉及一种多层土壤复合地网参数获取方法。

背景技术：

随着通用设计、通用造价和通用设备的应用，电力项目评审有了可靠的依据。但对于220kv及以上工程、改扩建工程及特殊工程，对变电站接地网布置、接地网材质选择、接地材料量的估算，仍然十分困难。其中，接地参数取决于接地网埋深处的土壤电阻率。随着电网设施占地面积的逐渐减少，接地要求的逐步提高，单纯的水平接地网难以满足工程的接地参数要求。根据一般工程土壤电阻率报告显示，土壤电阻率在各水平层的电阻率是不同的，通过加装垂直接地极的方式可进一步降低接地网的接地电阻。

当设计人员引入垂直接地极来试图降低整个复合接地网的接地电阻时，利用公式获取的接地电阻就会产生很大误差。当垂直接地极长度为20m时，采用公式计算出的接地电阻值差异已接近20％。虽然提出了一种引入修正系数的计算方法，但该方法只适用于均质土壤环境中，无法适用于多层土壤环境。在实际工程中，土壤电阻率会随着土壤地层结构的差异产生变化，引入垂直接地极的复合地网需要考虑多层土壤环境下的接地参数变化影响。然而目前多层土壤中的复合接地网的接地参数却无法实现有效、实时、准确的获取。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多层土壤复合地网参数获取方法，该方法可更加精确计算出多层土壤情况下的复合接地网参数，更加符合复合接地网的实际工程情况，过程简单、快速、高效。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多层土壤复合地网参数获取方法，具体包括如下步骤：

s1：将复合土壤分为若干层，模拟实际土壤情况，获取每层土壤的电阻率。

进一步地，采用统计学中组距分组的方式将复合土壤分为若干层。将复合土壤分为若干层后，每层土壤的电阻率取该层所有数值的中值。

进一步地，将复合土壤分为四层。作为优选实施方式，将复合土壤分为四层，包括：[0,0.8m]深度层、(0.8m,2.0m]深度层、(2.0m,6.0m]深度层和(6.0m,15.00m]深度层。

s2：根据步骤s1的模拟结果进行计算机求解，获取接地参数；

进一步地，采用复镜像法求解，获取接地参数。

s3：根据步骤s1得到的多层土壤的电阻率结果，结合工程接地网的形状，将工程接地网及其土壤划分为多个单元化的网络模型；

s4：获取各单元化网络模型的等效电阻，计算各等效电阻的阻值及相邻节点的电导值；具体地：

将接地导体自身电阻忽略不计，每个单元化网络模型的等效电阻包括分别设于x、y、z轴方向的六个单元电阻，各轴上以坐标原点为中心，在相反方向分别设有一个单元电阻。各单元电阻的电阻计算式为：

式中：n1、n2分别为单元化网络模型在z轴相反方向的两个节点，电阻分别为节点n1、n2与坐标原点之间的等效单元电阻；n3、n4分别为单元化网络模型在x轴相反方向的两个节点，电阻分别为节点n3、n4与坐标原点之间的等效单元电阻；n5、n6分别为单元化网络模型在y轴相反方向的两个节点，电阻分别为节点n5、n6与左标原点之间的等效单元电阻；δx为对应电阻所在点与坐标原点之间x轴的距离，δy为对应电阻所在点与坐标原点之间y轴的的距离，δz为对应电阻所在点与坐标原点之间z轴的距离；ρ为对应的土壤电阻率，该值通过步骤s1中所处土壤层获取。

相邻节点的电导值计算式为：

式中，gn1、gn2、gn3、gn4、gn5、gn6分别为节点n1、n2、n3、n4、n5、n6的电导，为节点n1与n2之间的等效电阻，通过电阻求和获取；为节点n3与n4之间的等效电阻，通过电阻求和获取；为节点n5与n6之间的等效电阻，通过电阻求和获取。

s5：通过互电导求出各等效电阻所在节点的电位，根据电位获取从接地网流出的电流后，通过外加电压、电阻与电流的关系，计算接地网的接地电阻。

相较于现有技术，本发明提供的多层土壤复合地网参数获取方法至少具有以下有益效果：

1)本发明考虑了土壤电阻率随土壤地层结构的差异产生变化，通过对工程实际土壤电阻率模拟，将土壤电阻率分为若干层，并将每个单元网格获取等效电阻，节省了实际添加水平接地网和垂直接地网的步骤，避免了误差，可更加精确计算出多层土壤情况下的复合接地网参数，对工程提供了理论指导及设计依据；

2)根据多层土壤的电阻率近似结果以及工程接地网的形状，将每个单元网格获取等效电阻，并通过对应的土壤电阻率计算等效电阻、电导，结合外加电压、电阻与电流的关系获取接地网的接地电阻，更加符合复合接地网的实际工程情况，可进一步有效、准确获取接地参数；

3)根据多层土壤的电阻率近似结果以及工程接地网的形状，将工程接地网及其土壤划分为一个个单元化的网格模型，通过单元化网格模型可更加直观地展示实际复合土壤情况，提高了工作效率。

附图说明

图1为实施例中复合土壤水平分层模型图；

图2为实施例中接地电阻单元化网格模型图；

图3为实施例中单元网格等效电阻图；

图4为实施例中多层土壤复合地网参数获取方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

根据实际的土壤电阻率报告，多层土壤电阻率水平一般会随着土壤深度逐渐变化。为了模拟工程实际情况又不致使过程过于复杂，对多层土壤的电阻率进行近似模拟是有必要的。

本发明涉及一种多层土壤复合地网参数获取方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、工程实测的土壤电阻率一般为一组随土壤深度变化的离散数值，利用统计学中组距分组的方式将复合土壤分为若干层，来模拟实际的土壤情况，获取每层土壤的电阻率。

某工程某钻孔位实测土壤电阻率数据如表1所示。

表1某工程某钻孔位实测土壤电阻率数据

根据工程实际情况，接地网采用水平接地网与垂直接地极结合的形式，水平地网埋深0.8m。由土壤电阻率可以获知，电阻率在6m之后变化幅度逐渐变小，考虑到工程实际及计算量，将工程土壤分为4层：0～0.8m层、0.8m(不含)～2.0m层、2.0m(不含)～6.0m层、6.0m(不含)～15.00m层。

每层土壤电阻率取其组中值，即23.10，20.15，12.63，5.41。

步骤二、经过将工程实际土壤电阻率转换成多层土壤的近似模拟结果，利用复镜像法进行计算机求解，获取接地参数。

利用复镜相法计算接地参数时，水平n层土壤如图1所示。

恒定电场中的拉普拉斯：

▽²φ＝0(1)

式中：φ为电位，电场强度e＝-▽φ。

在圆柱坐标系下，式(1)变为：

解此拉普拉斯方程可以得到第i层的电位函数表达式。

若点电流源在第i层土壤中，则该层的电位函数为：

其中，ρi为第i层的土壤电阻率；j0(λr)为第一类零阶贝塞尔函数；i为点电流源；ai(λ)和bi(λ)分别为系数；h0为水平地网埋深。

其他层的电位函数：

式中：j0(λr)为第一类零阶贝塞尔函数；i为点电流源。

要想计算水平分层土壤中的格林函数，需要对式(3)、式(4)进行积分。一般而言直接求解贝塞尔函数的广义积分比较困难，可以通过傅式变换得：

由此可见，只要确定系数ai(λ)和bi(λ)，就可求解方程。在复镜像法中，可将式(3)中的ai(λ)和bi(λ)近似展开成有限项复指数求和的形式。

利用式(2)、式(5)，则水平分层土壤中格林函数的表达式：

由此求得水平任意分层土壤中格林函数的数值解，进而可求得接地网的接地参数。

步骤三、根据多层土壤的电阻率近似结果以及工程接地网的形状，将工程接地网及其土壤划分为一个个单元化的网格模型，如图2所示。

在稳态条件下，接地导体本身的电阻可以忽略不计，每个单元网格的等效电阻如图3所示。图3中框内的6个电阻为单元模型不同方向的单元电阻，可以通过对应的土壤电阻率计算得到。以节点n0为坐标原点，n1、n2分别为单元化网络模型在z轴相反方向的两个节点，电阻分别为节点n1、n2与坐标原点之间的等效单元电阻；n3、n4分别为单元化网络模型在x轴相反方向的两个节点，电阻分别为节点n3、n4与坐标原点之间的等效单元电阻；n5、n6分别为单元化网络模型在y轴相反方向的两个节点，电阻分别为节点n5、n6与左标原点之间的等效单元电阻。

各单元电阻的计算式为：

式中，δx为电阻所在点与节点n0之间x轴的距离，δy为电阻所在点与节点n0之间y轴的的距离为，δz为电阻所在点与节点n0之间z轴的距离；对应的土壤电阻率ρ的值通过单元网格上，根据步骤一获得的电阻所处的土壤层来得到。

对于节点n0，其相邻节点的电导分别记为gn1、gn2...gn6，则有：

步骤四、任意节点满足基尔霍夫电流定律，则可通过互电导求出各节点的电位，再求出从接地网流出的电流，即可通过外加电压、电阻与电流的关系，计算出接地网的接地电阻。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。