一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，能够根据接地网的设计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，根据绘制的分布图和变电站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值。
【专利说明】一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力安全研究领域，尤其涉及一种变电站接地网特性参数的数值计算 与分析方法。
【背景技术】
[0002] 变电站接地网是集工作接地、防雷接地和保护接地于一体，接地系统参数的计算 对确保变电站的安全运行有极其重要的作用。近年来，随着电力系统输电向着高电压、远距 离、大容量、交直流并行的电网发展，故障时流经接地网散流的电流也越来越大，故障时地 网电位也随之升高。由于接地措施的缺陷而造成的事故也屡有发生，电力部门对接地网的 设计提出了更高的要求。接地网是隐蔽工程，无法直观判断，即使工频接地电阻满足要求， 也可能会出现危险的地面电位分布及电位梯度分布。传统的计算接地网的数值计算方法及 经验公式法，由于误差较大且不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，并且灵活性差， 已经很难满足现代设计的要求。
[0003] 综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上 述技术至少存在如下技术问题： 在现有技术中，由于现有的计算接地网的数值计算方法及经验公式法，由于误差较大 且不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，并且灵活性差，已经很难满足现代设计的 要求，所以，现有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大 不能给出整个地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，解决了现有的 计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个地表 电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，实现了能够根据接地网的设计图纸快 速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色 阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图和变电站地网图， 便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值的 技术效果。
[0005] 为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种变电站接地网特性参数的数值计 算与分析方法，所述方法包括： 步骤1、根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图； 步骤2、根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参 数读取接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件； 步骤3、将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进行计算得到接地网 的电阻和电位文件； 步骤4、利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、 灰度图和等高线图； 步骤5、根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域。
[0006] 进一步的，所述电位文件包括：电位分布和梯度分布。
[0007] 进一步的，所述将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进利用 所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括： 当为规则导体时，计算矩形网孔微段两端坐标(规则导体）； 计算规则导体的自电阻； 若有不规则导体，计算不规则导体(非矩形网孔）的自电阻； 计算各微段的中线几何坐标； 计算规则导体之间的互电阻； 若有不规则导体，计算所有的不规则导体互电阻； 计算各微段的电流II、12、、、In及电位； 计算空间各点电位、跨步电压、接触电压。
[0008] 进一步的，所述利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表 面图、色阶图、灰度图和等高线图具体包括： 步骤4. 1、将所述电位文件导入到origin8. 0中，导入的数据格式为Single ASCII ; 步骤4. 2、将导入的电位数据或梯度数据所在的列设置为Z列，并将这个数据表格处理 为一个单元，其中，所述Z为实数； 步骤4. 3、将所述电位数据或梯度数据转化为矩阵数据； 步骤4. 4、根据所述矩阵数据绘制接地网电位分布及梯度的三维表面图、色阶图、灰度 图和等高线图。
[0009] 进一步的，所述步骤3计算结果能够直接得到整个接地网的总电阻、每段接地导 体的自电阻、相邻导体的互电阻、以及地面各点的电位值和电位梯度值。
[0010] 进一步的，所述步骤5能够直接读取接地网上任一点的电位及电位梯度。
[0011] 本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点： 由于采用了首先根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图， 然后根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参数读取 接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件，然后将所述接地网的数据文件导入到编 写的Fortran程序中，进行计算得到接地网的电阻和电位文件，然后利用数据处理软件对 电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，最后根据绘 制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域，为接地网的优化设计和 施工提供重要的参考的技术方案，即根据变电站接地网的设计图纸、接地网布置情况及导 体的相关参数，计算出接地网所呈现的接地电阻、地面电位分布及梯度分布，所以，有效解 决了现有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给 出整个地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，进而实现了能够根据接地 网的设计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布 的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图 和变电站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要 的工程实用价值的技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本申请实施例一中变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法流程图； 图2是本申请实施例一中利用Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件的流程 图； 图3是本申请实施例一中变电站地网CAD示意图； 图4是本申请实施例一中电位分布等高线图； 图5是本申请实施例一中电位梯度分布三维图； 图6是本申请实施例一中电位分布三维图。
【具体实施方式】
[0013] 本发明提供了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，解决了现有的 计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个地表 电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，实现了能够根据接地网的设计图纸快 速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维表面图、色 阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图和变电站地网图， 便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程实用价值的 技术效果。
[0014] 本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下： 采用了首先根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图，然后 根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参数读取接地 网导体的数据文件，获得接地网的数据文件，然后将所述接地网的数据文件导入到编写的 Fortran程序中，进行计算得到接地网的电阻和电位文件，然后利用数据处理软件对电位文 件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图，最后根据绘制的图 形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域，为接地网的优化设计和施工提 供重要的参考的技术方案，即根据变电站接地网的设计图纸、接地网布置情况及导体的相 关参数，计算出接地网所呈现的接地电阻、地面电位分布及梯度分布，所以，有效解决了现 有的计算接地网的数值的方法存在计算方法不合理，公式不准确，误差较大不能给出整个 地表电位分布及电位梯度分布，且灵活性差的技术问题，进而实现了能够根据接地网的设 计图纸快速得到接地网的电阻、电位分布和梯度分布，建立接地网电位及梯度分布的三维 表面图、色阶图、灰度图和等高线图，准确性较好，灵活性较强，且根据绘制的分布图和变电 站地网图，便可以直观的看出接地网设计的优劣，对接地网的新建及改造具有重要的工程 实用价值的技术效果。
[0015] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上 述技术方案进行详细的说明。
[0016] 实施例一： 在实施例一中，提供了一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，请参考图 1-图2,所述方法包括： 步骤1、根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图； 步骤2、根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参 数读取接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件； 步骤3、将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，进行计算得到接地网 的电阻和电位文件； 步骤4、利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、 灰度图和等高线图； 步骤5、根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域，为接 地网的优化设计和施工提供重要的参考。
[0017] 其中，在本申请实施例中，所述电位文件包括：电位分布和梯度分布。
[0018] 其中，在本申请实施例中，所述利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到 相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图具体包括： 步骤4. 1、将所述电位文件导入到origin8. 0中，导入的数据格式为Single ASCII ; 步骤4. 2、将导入的电位数据或梯度数据所在的列设置为Z列，并将这个数据表格处理 为一个单元，其中，Z为实数； 步骤4. 3、将所述电位数据或梯度数据转化为矩阵数据； 步骤4. 4、根据所述矩阵数据绘制接地网电位分布及梯度的三维表面图、色阶图、灰度 图和等高线图。
[0019] 其中，在本申请实施例中，所述步骤3计算结果能够直接得到整个接地网的总电 阻、每段接地导体的自电阻、相邻导体的互电阻、以及地面各点的电位值和电位梯度值。
[0020] 其中，在本申请实施例中，所述步骤5能够直接读取接地网上任一点的电位及电 位梯度。
[0021] 其中，在本申请实施例中，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参 数读取接地网导体的数据文件具体包括： 步骤2. 1、输入nl、n2、n3三个数，格式是3i4 ; nl、n2分别是X轴、y轴方向的网孔数； π3是同一深度，其它方向的导体根数； 步骤2. 2、输入h、ra、rou三个数，格式是3el2. 5,其中：h-地网埋设深度（m)，ra-地 网导体半径(m)，rou-大地的电阻率，单位是Ω · m ; 步骤2. 3、输入alO、blO、bmax、印si四个数，格式是4el2. 5 ; alO-程序要计算的复杂广义积分，所取的积分下限，可取0. 295*1(Γ38 ; blO-上述广义积分的积分上限，因为涉及零阶的开尔文函数及其导数的计算，这些函 数是振荡发散的，积分上限一般定为一个值，以保证计算机工作中不会产生溢出而停止计 算； bmax-积分上限的最大值；epsl-积分数值计算选定的一个误差。
[0022] 步骤2. 4、输入X⑴、y⑴，格式是lel2. 5 ; X (i)是X轴方向方格导体的坐标，单位为m，X轴方向上有nl个网孔就要输入nl行数， y (i)是y轴方向导体坐标，单位是m，n2个网孔就要输入n2行数据。
[0023] 步骤 2. 5、输入 strxl (i)、stryl (i)、strx2 (i)、stry2 (i)四个数，格式是 4el2. 5, 不是矩形网孔的其它方向的i号导体两端的坐标，前两者是首端的x、y向坐标，后两者是末 端的X、y向坐标。有n3根这样地导体，要输入n3行数据； 步骤2. 6、输入c，格式是lel2. 5, c是微分段长度初值(m)，在电流计算中，当计算点与 电极距离很近时，要把微段电极分为更小微分段，使用复杂的电流场公式才能保证计算的 精度，c要小于最小的微段； 步骤2. 7、输入ct，格式是lel2. 5, ct是入地总电流(A); 步骤2. 8、输入X、y两个方向要计算的总点数和相关的步长，格式是li4, 3el2. 5 ; 步骤2. 9、输入-1开头的四个数，格式与步骤2. 8相同。
[0024] 其中，在本申请实施例中，请参考图2,所述将所述接地网的数据文件导入到编写 的Fortran程序中，利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括： 当为规则导体时，计算矩形网孔微段两端坐标(规则导体）； 计算规则导体的自电阻； 若有不规则导体，计算不规则导体(非矩形网孔）的自电阻； 计算各微段的中线几何坐标； 计算规则导体之间的互电阻； 若有不规则导体，计算所有的不规则导体互电阻； 计算各微段的电流II、12、、、In及电位； 计算空间各点电位、跨步电压、接触电压。
[0025] 其中，在实际应用中，实施将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序 中，进利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包括 ： 步骤3. 1、设无穷远处为电位参考点，一恒定电流I由一接地极注入地中，土壤为均匀 的，电阻率为.P。设一电极总长为L，通过的总泄流电流为I，将L分成η个微段，第j段长 为由心为0.·笛i段的册流由流为I」，则有：
【权利要求】
1. 一种变电站接地网特性参数的数值计算与分析方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤1、根据设计图纸、接地网布置情况及导体布置情况绘制接地网CAD图； 步骤2、根据所述接地网CAD图，按照Fortran数据文件建立的格式要求及各导体的参 数读取接地网导体的数据文件，获得接地网的数据文件； 步骤3、将所述接地网的数据文件导入到编写的Fortran程序中，利用所述Fortran程 序计算得到接地网的电阻和电位文件； 步骤4、利用数据处理软件对电位文件进行数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、 灰度图和等高线图； 步骤5、根据绘制的图形，分析接地网出现危险地电位升及较大跨步电压的区域。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电位文件包括：电位分布和梯度分 布。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述接地网的数据文件导入到编 写的Fortran程序中，利用所述Fortran程序计算得到接地网的电阻和电位文件具体包 括： 当为规则导体时，计算矩形网孔微段两端坐标，计算规则导体的自电阻； 若有不规则导体，计算不规则导体的自电阻，计算各微段的中线几何坐标，计算规则导 体之间的互电阻； 若有不规则导体，计算所有的不规则导体互电阻； 计算各微段的电流II、12. .. In及电位； 计算空间各点电位、跨步电压、接触电压。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用数据处理软件对电位文件进行 数据拟合，得到相关的三维表面图、色阶图、灰度图和等高线图具体包括： 步骤4. 1、将所述电位文件导入到origin8. 0中，导入的数据格式为Single ASCII ; 步骤4. 2、将导入的电位数据或梯度数据所在的列设置为Z列，并将这个数据表格处理 为一个单元，其中，所述Z为实数； 步骤4. 3、将所述电位数据或梯度数据转化为矩阵数据； 步骤4. 4、根据所述矩阵数据绘制接地网电位分布及梯度的三维表面图、色阶图、灰度 图和等高线图。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3计算结果能够直接得到整个接 地网的总电阻、每段接地导体的自电阻、相邻导体的互电阻、以及地面各点的电位值和电位 梯度值。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5能够直接读取接地网上任一点 的电位及电位梯度。
【文档编号】G01R19/00GK104111376SQ201410362031
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】王涵宇, 秦大海, 戴玉松, 杨庆, 李建明 申请人:王涵宇