本发明涉及，尤其是涉及一种500kv地下变电站接地系统状态评估方法。
背景技术：
随着社会经济的迅速发展，各行各业对电力的需求都在不断增长，上海城市中心区用电负荷更加密集。为了保证城市中心区安全可靠的用电，妥善解决此类地区用地紧张、站址选择困难、土地昂贵，征地拆迁费用较高带来的建设问题，结合地区规划整体要求，为提高土地利用率，改善城市景观、优化城市环境，地下变电站应运而生。与传统的变电站相比，城区地下站同普通城区变电站相比：地下变电站占地面积较大，桩基较多，短路电流大；地下变电站进出线一般采用电缆，发生短路故障时，缆芯和护套之间存在强烈的感应，从而影响故障电流的分布；地下变电站一般采用gis，相线和金属外壳之间的强烈电磁感应使得gis金属外壳的电位分布极不均匀，gis不同位置之间存在极大的电位差，须考虑保证gis接触电压安全性；城区地下变电站同商用、民用建筑共存，其接地系统直接或间接与管道或建筑物接地系统存在电气连接，所有共存设施建筑间相互影响。
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500kv地下变电站接地系统状态评估方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种500kv地下变电站接地系统状态评估方法，包括以下步骤：
1)确定500kv地下变电站接地系统状态评估的指标，包括接触和跨步电压值、导体热稳定性、地网接地电阻、地网安全性以及地下桩基热稳定安全性；
2)对500kv地下变电站接地系统进行模拟，分别获得各项指标的评价值；
3)将各项指标的评价值与安全阈值比较，最终得到500kv地下变电站接地系统的系统状态。
所述的步骤2)具体包括以下步骤：
分别获取500kv地下变电站的视在电阻率、电气等效的土壤结构、接地网以及电力网络结构参数，采用cdegs软件对地下变电站接地系统进行模拟，分别获得各项指标的评价值。
所述的步骤2)中，构建500kv地下变电站多层楼层中间空气的多块土壤模型，采用对称四极电测深法获取500kv地下变电站的土壤电阻率，包括大电极间距电阻率和短电极间距电阻率，采用大电极间距电阻率获取接地系统的地电位升，采用短电极间距电阻率获取接触和跨步电压值。
所述的步骤2)中，构建500kv地下变电站的接地网三维模型，包括户外接地网、地下接地干线、主接地网和gis子模型，并在接地网三维模型上添加地下桩基后获取地网接地电阻值，模拟故障出现位置为断路器、gis周围的开关和主变压器的短路故障，并获取对应故障点的地网电位升、地面电位升以及接触和跨步电压。
所述的步骤2)中，根据500kv地下变电站的网络拓扑结构和线路参数构建500kv地下变电站的电缆分流等值网络，获取在出现三相短路故障和单相接地短路故障时的故障电流值。
所述的步骤2)中，根据500kv地下变电站的导体类型、最大故障持续时间、导体尺寸和频率获取电流容量，用以评价导体热稳定性。
所述的步骤2)中，根据500kv地下变电站在220kv故障条件下，流经地下桩基最大电流、桩基钢筋最小直径和最大故障持续时间获取地下桩基的最大温升，以此评价地下桩基热稳定安全性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、适用于500kv地下变电站：现有的变电站评价方法中并没有对于500kv地下变电站的接地系统进行状态评估的方法，本发明填补了这一空白。
二、考虑方面广：本发明分别从接触和跨步电压值、导体热稳定性、地网接地电阻、地网安全性以及地下桩基热稳定安全性等多个方面对500kv地下变电站的接地系统进行状态评估，通过模拟仿真获取故障条件下的系统参数，能够方便准确的得出500kv地下变电站的接地系统的状态。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
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。
实施例：
下面以上海市虹杨变电站为例进行说明：
虹杨变电站选址杨浦区逸仙路以东，正文花园小区以西，三门路以南，政立路以北，紧邻三门路的用地范围内。虹杨变电站采用地下三层设计，设计埋深25米，变电站规划使用面积24570平方米。
虹杨变电站主变容量本期2×1500mva，远期3×1500mva。主要以500kv/220kv/66kv三个电压等级构成，采用单相、自耦、无励磁调压变压器，变压器中性点直接接地。电气主接线方案如下：500kv采用断路器的线路变压器组接线方式；220kv母线采用双母线三分段的接线方式，本期为双母双分段；66kv母线采用以主变为单元的单母线接线，设总断路器。
虹杨站接入方案如下：
500kv方案
500kv虹杨站本期采用线路变压器组接线方式通过2回500kv地线电缆线路接入500kv杨行站。远期第3回线方向存在一定不确定性，具体视今后电网发展情况确定。
220kv方案
本期220kv出线14回，至钢铁、民和、新江湾各1回，至蕴藻浜、逸仙、政立、静安(220kv联系线)各2回，至五角场3回。远期220kv出线21回，由于规划与初设情况有一定变化，目前还未最终确定。
虹杨站所有进出线均为电缆线路，500kv为隧道敷设，220kv为排管或者隧道敷设。隧道敷设，中心埋深约7.5m，排管敷设，中心埋深约1.5米。
虹杨战设备小型化，方便运输吊装；占地面积小，以尽量减小变电站的占地面积，确保变电站对周边设施特别是住宅的推荐要求，为此500kv、220kv、66kv配电装置均采用gis设备。
本发明的具体内容包括：
1、基于站址地区土壤电阻率的测量数据进行土壤结构的分析和解释。
2、基于地下500kv虹杨变电站进出线电缆和架空线路数据，建立单相对地情况的故障电流分布计算模型，确定通过接地网入地的最大入地电流。
3、地下变电站接地网三维模型的建立，基于地下500kv虹杨变电站接地系统结构、尺寸和材料建立三维接地系统仿真计算模型。
4、进行变电站接地系统的安全评估，确定接地电阻、接触电压、跨步电压、地表电位和接地导体的gpr等参数。分析中考虑电缆缆芯和护套之间的感应以及不同故障位置的影响。
地下变电站占地面积较大，桩基较多，变电站为地下三层结构，为了能够正确、准确地考虑到地下大型变电站接地系统的特点，采用的方法和软件必须能够模拟地下空间层以及周边任意尺寸的土壤模型。
本发明的计算是应用cdegs软件包而得出的。cdegs可计算由埋设或地面上的带电导体组成的任意网络在正常、故障、雷击等瞬态条件下的电流和电磁场。cdegs能模拟简单导体和组合导体，如裸线、有涂层的管道或者埋设在复杂土壤结构中的管装电缆系统。cdegs可以提供从简单的接地网设计，考虑复杂感应到由雷击等引发的埋设系统或地面系统的复杂状态的解决方案。cdegs是目前世界上唯一能准确模拟任意土壤模型，从而精确计算复杂变电站接地系统及评估其安全性能的软件工具。
入地电流计算也是接地分析与设计中的一个重要方面。忽略入地电流计算，把短路总电流作为入地电流是一种非常保守的假设。这会造成接地网设计中的极大浪费。有时分流系数会被用来确定入地电流。在这种情形下，正确的分流系数的选择是非常困难的，因为影响分流系数的因素很多。应用cdegs软件包中right-of-way模块，可以非常精确地计算包括任何线路的入地电流。
接地系统的分析主要包括计算接地电阻，电位升，接触电压和跨步电压。通常的接地分析是基于接地网是一等电位体的假设。这个假设在小接地网，高土壤电阻率及环流较小的情形下是成立的。而在大接地网(比如大型地下变电站)，低电阻率或大环流的情形下则不成立。如果接地网的材料是钢而不是铜，这个问题就更加突出。此外，当线路中有故障电流流过时，架空地线，地下电缆护套或地线或gil的管外壳中会感应一个相反方向的电流。该电流的流出降低了通过地网流入大地的电流。设计中不考虑这部分电流会导致错误的结论。本发明采用cdegs软件包中的malz，非常精确地模拟这些情况。同时可以根据现场实际情况模拟复杂的土壤结构，正确、准确地考虑到地下大型变电站接地系统的特点，模拟地下空间层以及周边多层土壤模型的多块土壤模型，从而可以最大程度地贴近现场实际情况。最后，由于多高电压等级，大型地下变电站的故障电流有很大一部分是环流，计算中必须考虑环流对地网安全性能的影响。计算设计的流程如图1所示。
一、土壤测量数据及模型确定：
土壤电阻率测量构成任何接地研究的基础，同一接地系统在不同的土壤模型中表现出完全不同的电气特性。因此本项目的首要工作就是进行土壤电阻率测量，确定电气等效的土壤结构。一般而言，接地系统的地电位升(gpr)主要决定于深层土壤(对应于大电极间距电阻率测量值)；而接触和跨步电压作为地电位升的百分比则取决于当地表层土壤特性(对应于短电极间距电阻率测量值)。
虹杨变电站土壤电阻率测量共完成16个测点位置测量，采用重wdds-1型数字电阻率测量仪，结合常规对称四极电测深法进行测量，虹杨地下变电站的周边土壤模型采用虹杨500kv变电站土壤电阻率测试的四层土壤模型。
二、虹杨站接地系统仿真和接地阻抗计算
虹杨变电站接地网络主要由6个部分组成：一层户外接地网，地下一层接地干线，地下二层接地干线，地下三层接地干线、主接地网以及2个电压等级的gis。所有提供的变电站地网以及gis模型都是二维平面的。研究者根据现有的二维模型及数据，成功准确建立了整个变电站接地网及gis和其专有接地网络及所有影响地网安全性能的元素，该完整、庞大的三维模型用于计算变电站接地阻抗、各部位电位升、接触和跨步电压等，从而用于评估地网的安全性能。
虹杨变电站主接地网尺寸为148.2m×68.4m，网格8m×8m，位于地下25.6m，四个转角处为圆弧，多处位置布置有长度为10.5米的接地棒。水平导体为150mm2的铜绞线，等效半径为6.9mm，其相对电阻率(对铜)为1，相对磁导率(对空气)为1。接地棒材料为铜包钢，相对电阻率(对铜)12，相对磁导率(对空气)250，半径为7.1mm。
地下变电站占地面积较大，桩基较多，本节对桩基如何影响地下变电站安全性能的影响作分析计算研究，从而对桩基代替主地网的可能性作初步探讨。
桩基模拟为共600多根钢筋，分为五种类型p1、p2、p3、p4及p5。其中p1、p2、p3及p4桩逆作施工阶段用作立柱桩，抗浮工况下用作抗拔桩，桩径φ1000，设计桩长尾56.1米，桩顶内置钢管混凝土柱。p5桩位抗浮工况下抗拔桩，桩径φ800，设计桩长为45米。p1、p2、p3、p4及p5在不同位置与水平地网、地下一层、二层、三层水泥钢筋以及主地网接连接。
电站接地电阻考虑桩基时从原来的0.083ohm下降到0.0714ohm，下降14％(定义下降率c＝(r无桩基-r有桩基)/r无桩基*100％)。可以看到：庞大的桩基对地下站接地性能有比较明显的影响。
三、电站最大入地短路电流的计算和分析
入地电流计算也是接地分析与设计中的一个重要方面。忽略入地电流计算，把短路总电流作为入地电流是一种非常保守的假设，这会造成接地网设计中的极大浪费。有些设计者会基于典型分流系数确定入地电流值，可以想象，这样的典型数据很难适合每个研究的电站，得到的结果十分勉强粗略。此外，如果要实际测量分流系数也十分困难。众所周知，对于含有电缆的电网系统，要确定正确的分流系数更是非常困难，因为影响分流系数的因素很多,电缆护套对缆芯间的强烈感应使得大量电流由护套回到远端电站。借助于工具软件cdegs可以模拟包括地网、地线、杆塔、杆塔接地系统、电缆和站内变压器等每个电力网络元器件，精确到每个元素，进而计算故障电流分布，确定入地电流和地线、护套的回流。
虹杨变电站进出线电缆全部采用电缆金属护套交叉互连两端直接接地方式，各远端变电站接地系统的接地电阻均按0.5欧姆考虑。
虹杨变电站分流系数的计算取决于拓扑网络的运行方式，基于上海电力经济研究院提供的数据。当虹杨变电站500kv或者220kv母线发生单相对地故障时，只有杨行站提供短路电流，变压器中性点的环流可忽略不计，在不考虑环流，即电流由故障位置一点入地，的情况下，接地系统的安全指标(接触电压和跨步电压)和入地电流的大小成正比，由此，只需在虹杨站220kv母线单相对地故障情况下(故障电流45.5ka)计算通过接地系统入地的电流。
当线路中有故障电流流过时，架空地线或电缆护套中会有一个相反方向的电流。该电流的流出降低了通过地网流入大地的电流。设计中不考虑这部分电流和主变中性点的回流会导致错误的结论。同理，忽略入地电流计算，把短路总电流作为入地电流是一种非常保守的假设，这会造成接地网设计中的极大浪费。有些设计者会基于典型分流系数确定入地电流值，可以想象，这样的典型数据很难适合每个研究的电站，得到的结果十分勉强粗略。此外，如果要实际测量分流系数也十分困难。
对于含有电缆的电网系统，要确定正确的分流系数更是非常困难，因为影响分流系数的因素很多,电缆护套对缆芯间的强烈感应使得大量电流由护套回到远端电站。借助于工具软件cdegs可以模拟包括地网、地线、杆塔、杆塔接地系统、电缆和站内变压器等每个电力网络元器件，精确到每个元素，进而计算故障电流分布，确定入地电流和地线、护套的回流。
计算220kv虹杨变电站发生站内单相短路故障情况时，故障电流在虹杨变电站接地系统和电缆护套中的分布的网络拓扑模型是利用cdegs软件的row(tralin/splits)模块计算分析。
row(tralin/splits)模块采用电路的方式进行，即采用tralin模块建模求取线路参数：自阻抗、互阻抗和分路阻抗；splits模块建立整个拓扑网络的电路模型，基于指定的激励求取电流在接地系统、架空地线和电缆护套中的电流分布。
四、地网安全性能评估
1、接触和跨步电压安全值依据标准gb/t50065-2011计算得出，结果如表1所示。
表1最大接触及跨步电压安全值
2、导体热稳定性
虹杨地网导体为150mm2的铜绞线，对于最大故障持续时间0.33s，使用sesampacity模块计算分析,电流热容量为68.5ka(rms)。最大总故障电流是45.5ka。因此，即使假设全部总故障电流流经一个导体，比如故障点连接设备或结构的导体，150mm2的铜绞线足够满足热容量要求。
3、地网接地电阻分析
将虹杨变电站接地系统置于考虑变电站层与层之间空气的四层多块土壤模型中，采用malz模块进行模拟计算，地下电站接地系统的接地阻抗计算值为0.083∠2.94°ω。根据中国《交流电器装置的接地设计规范》gb/t50065-2001标准，接地系统接地阻抗宜小于2000/iω(i为流经接地系统的入地电流)，虹杨地下站220kv单相故障，十分保守的计算条件下，最大入地电流为5.446ka，2/5.446＝0.367ω，虹杨地下变电站接地电阻远远小于要求值。
4、地网安全评估
对不同短路故障情况下，地下变电站电网电位，关键部位地面电位分布以及接触及跨步电压进行了计算。使用cdegs中malz接地软件模块。出现故障的位置选在断路器(f1)，gis附近开关(f2)，主变压器(f3)，这些典型单相接地故障通常发生的地方。每个故障情况下都考虑了故障点与电缆护套与地网连接点之间的环流。发生短路故障时，入地电流对整个地网的电位升有较大的贡献。为了考虑环流的影响，在故障位置f1或f2或f3注入电流总故障电流，在每个护套与地网连接点注入护套分走的电流。注意，如果忽略了环流(如通常传统的软件，视接地接地系统为等位体)，则会得出低估的错误结论！
对不同的故障点，不同电压等级，计算了相应的地网电位升，地面电位升，接触与跨步电压。
考虑地下变电站空气层，采用多块土壤模型，对故障位置在断路器(f1)，gis附近开关(f2)，主变压器(f3)，3个典型故障点，考虑护套环流，计算220kv母线短路，最大保守故障电流情况下，得到相应的全站接地系统地电位升，关键部位电位，地表电位，接触和跨步电压分布。如表2、3和4所示，由计算结果可以看出，全虹杨地下站地导体电位升达642.64v,最高地面电位达580.29v。全地下站人员可去的任何地方最大跨步电压为23.27v，小于跨步电压保守安全值339.9v。站内人员可接触的地方最大接触电压为203.21v，小于接触电压保守安全值311.9v。
表2发生单相短路故障时，虹杨地下变电站各部位安全评估计算结果：故障发生在典型断路器位置f1
表3发生单相短路故障时，虹杨地下变电站各部位安全评估计算结果：故障发生在典型gis开关f2
表4发生单相短路故障时，虹杨地下变电站各部位安全评估计算结果：故障发生在典型主变位置f3
5、地下桩基热稳定安全性计算评估
根据现行国家标准《混泥土结构设计规范》gb50010-2002规定构件的最高表面温度。当建筑物遭受雷击时，电流流经需要验算疲劳的构件的雷电流已分流到足够小，从而确保导体的升温在安全范围。经过与国网上海电力设计有限公司专家协调沟通，工频电流温度影响按热稳定公式，桩基钢筋温度可控制100度内。钢筋的起始温度按40度，所以桩基钢筋由于故障电流引起的升温应控制在60度以内。
虹杨站220kv故障下，流经桩基钢筋的最大电流为1193a，桩基钢筋直径(最小)80mm，对于最大故障持续时间0.33s，使用sesampacity模块计算分析，桩基钢筋表面温升仅0.004度，钢筋起始温度取40°，钢筋的最高温度为40.004度，远远小于100度要求值，热稳定性满足安全要求。
虹杨地下站地网安全性能评估结果表明接地网性能良好。需要强调的是：研究中短路电流、gis结构及接地点、电缆等数据基于典型数据集保守估算得到。建议在获得这些数据后，进行相应的地网安全性计算评估核算，以确保虹杨地下站的安全运行。