接地网的广泛研究

接地系统性能参数研究。

概述

使用SafeGrid 接地软件对接地网进行了广泛研究，该软件设计用于确定双层土壤中任意几何结构接地网的性能。这项研究证实了 Dawalibi 和 Mukhedkar 使用CDEGS 软件所做的工作。

对各种地网配置和土壤模型进行了分析。对重要的物理参数进行了改变，并计算了与安全有关的结果，包括接地电阻、地电位上升、接触和阶跃电位。

本研究的结果旨在证明以下几点：

简化的分析方法（如 IEEE 标准 80 中的公式）做出了太多假设，无法准确预测接地系统的性能。
所获得的结果与物理理论一致，并与其他类似研究的结果密切吻合。

软件

SafeGrid 的主要算法基于成熟的电磁方程和有限元技术，并经过数十年的现场测试验证。

建模能力：

任意几何结构的接地系统。
多层土壤建模
表面、触摸和阶跃电位的三维（3D）分析。

土壤模型

本报告中使用了两种土壤模型：均匀土壤和双层土壤。不过，SafeGrid 也可以为多层土壤建模。请参阅有关多层土壤中接地系统性能的文章。

接地系统的精确建模需要使用双层土壤模型。这是因为接地电阻、阶跃电位和触地电位是上下两层土壤的函数。

双层模型包括厚度有限的上层电阻率_ρ1和深度无限的下层电阻率 ρ₂。

IEEE 标准 80 规定，基于等效双层接地模型的接地电极表示法足以设计安全的接地系统。

说明	反射系数^K1	顶层电阻率，ρ1 (Ω.m)	底层电阻率，ρ2 (Ω.m)
制服	0	100	100
高处低	0.9	100	1900
高处低	0.5	100	300
高对低	-0.9	100	5.26
高对低	-0.5	100	33.33

表 1.研究的土壤模型

¹反射系数 K = (_ρ2-_ρ1)/ (_ρ2+_ρ1)

已分析的电网案例

对表 2 所示的简单接地网进行了详细分析。

SafeGrid 可模拟任何任意的接地导线配置。

这些接地网一般由正方形或长方形网格组成，网格中的导体间距相等，长度相同。

对于双层土壤模型，顶层深度从 0.1 米到 100 米不等。

表 2 所示的计算结果值为所示固定参数值。在参数分析过程中，这些参数是针对相同的简单网格变化的。

表 2.分析的电网情况。常用参数土壤电阻率 = 100 Ω.m （均匀），故障电流 = 1000 A。

成果

表面电位、触摸电位和阶跃电位

图 1、图 2 和图 3 分别给出了不同网格配置下的地表电位、接触电位和阶跃电位图。

增加导体（或网格）的数量会产生以下影响：

降低栅极电阻 (R)。
由于 GPR = R * 故障电流，因此可降低电网电位升高 (GPR)。
地表最大电位下降。
触摸电位降低（图 2）。
最差接触电位向网格边缘移动。图 2 中曲线的凹度随网格数的增加而增大。

请注意，这最后一条意见适用于均匀的土壤、正反射系数 K 和间距均匀的网格导线。否则很难预测最差触电电位的位置。

图 1.表面电位 - 网格埋深 = 0.5 m，土壤模型 = 100 Ω.m （均匀），故障电流 = 10 kA。

图 2.接触电位 - 网格埋深 = 0.5 米，土壤模型 = 100 Ω.m （均匀），故障电流 = 10 kA。

图 3：阶跃电位阶跃电位 - 网格埋深 = 0.5 m，土壤模型 = 100 Ω.m （均匀），故障电流 = 10 kA。

导体上的电流密度

图 4、图 5 和图 6 显示了不同网格布置和土壤电阻率结构下导体的电流密度。

应用的电网故障电流取决于特定布置的电网导体总长度，每 30 米导体应用 1000 A 电流。例如，对于由 4 x 30 米导体组成的单个网格，故障电流为 4 x 1000 A。

电网导体上的电流密度分布并不均匀，而是一个复杂的函数，其变化取决于

网格排列（即网格数量等）
导体相对于其他导体的位置；以及
土壤电阻率结构

当顶层土壤电阻率低于底层土壤电阻率时（即 K>0 时），电流密度会向导体两端集中。这是因为电流停留在表层土壤中，并在土壤中消散开来。

When the lower layer soil resistivity is higher than the top layer (i.e. K<0) the current density at the centre of the conductors can be just as high as at the ends. This is because the fault current escapes directly downwards toward the lower resistivity bottom layer.

沿边缘导体的电流耗散（图 5 和图 6 中的实线）高于埋地网格中心导体的电流耗散（图 5 和图 6 中的虚线）。

图 6 导体上的 16 个网格 (M16) 电流密度。故障电流 = 10 x 1000 A

表土层对网格阻力的影响

图 7 和图 8 显示了埋设在 0.5 米处的 30 x 30 米简单网格（M4 和 M16）的网格阻力随顶层土层厚度的变化情况。

顶层土壤电阻率是固定的，而底层土壤电阻率是变化的，以实现不同的反射系数 (K)。顶层土壤的电阻率是固定的，而底层土壤的电阻率是变化的，从而获得不同的反射系数（K）。

改变表土层深度会产生以下影响：

对于均匀土壤模型（对照案例），对网格阻力没有影响。
对于上低下高的土壤模型（K>0），随着表层土壤深度的增加，网格阻力也随之减小。
For high on low soil model (K<0) as the depth of the top soil layer is increased grid resistance goes up.
当顶层深度接近无穷大时，网格阻力与均匀土壤模型趋同。

请注意，在 0.5 米（相当于网格埋设深度）的土壤表层，所有情况下的网格电阻都发生了突变。
结果表明，网格电阻受到底土层的影响，尤其是高电阻率底土层（K>0）。在高深度（约为整个网格直径的两倍或两倍以上）时，可以忽略底土层对网格电阻的影响。