变电站接地系统是保证电网安全运行及站内电力设备安全的重要设施,其土壤电阻率的季节性变化将对运行人员安全、站内设备的耐受能力等方面带来一定的威胁。因此,本文针对季节性冻土地区接地系统的安全性展开研究,对确保冬季中的变电站安全运行具有关键的意义。本文通过电力接地系统分析软件CDEGS结合MATLAB编程对存在季节性冻土的北方某110kV变电站接地网的安全性进行了分析与研究,计算了土壤冻结形成的高电阻率地区在发生短路故障后的地网的工频接地电阻、二次电缆芯皮电位差以及跨步、接触电压等安全参数的变化规律,旨在明确处于冰冻土壤中的变电站接地系统安全性及其改进优化方案。

研究和测试表明，土壤凝结成冻土时，其电阻率可增加5～1000倍。在冬季，土壤由浅入深逐步形成冻土高阻层，直到最大冻结深度；在春季反之，冻土高阻层由表入里的消散。在这个周期变化的过程中，冻土深度内的土壤电阻率产生剧烈变化，对变电站接地网的性能产生动态、显著的不利影响，提高了GPR和降低了接触电压允许值。当前，在变电站接地的工程设计中，对此鲜有相关的研究和应用。廊坊柳林220 kV变电站作为重点工程，采用分层土壤模型等效实际冻土条件，首次对接地网的性能进行了工程量化的评估和校验。测试结果表明，采用分层土壤模型等效的方式是可行的，冻土校验和评估涉及安全性评估，是必要的。

通过对冻土的工程特性研究,分析了常温及低温环境下,粘性土不同含水率对应的力学参数。并针对冻土对变电站建构筑物基础的影响,提出了设置砂砾垫层、选择独立式基础或桩基础、减少基础外侧冻切力等三种具体工程措施。该成果可以为冻土地区电力工程建设提供参考。

季节性冻土地区,冬季土壤冻结后,其电阻率急剧增加,不仅导致接地电阻上升数倍,同时会引起变电站内部短路时流入地网的故障电流发生变化。文中研究了季节性冻土地区土壤冻结深度对地网分流系数的影响规律。首先建立了季节性冻土地区的土壤结构模型,根据土壤的冻结规律,改变土壤的结构与电阻率,仿真得到了不同情况下变电站地网入地短路电流的分配规律。研究发现:由于杆塔的接地体埋深要小于地网的埋深,杆塔接地装置受冻土影响更大,导致变电站分流系数急剧增加,甚至超过50%,使得原有地网设计无法满足安全标准;仅对地网增设垂直接地极降阻会导致其分流系数的增大,变电站进出线路的临近6～7基杆塔的接地是影响变电站分流的主要因素,因此可以通过对其增设垂直接地极或加大埋深的方式来降低地网分流系数,通过该方法可以提高季节性冻土地区地网的安全性能。

冬季土壤冻结后,土壤电阻率急剧增加,而且冻土层土壤电阻率和深度随着土壤温度变化,不仅影响接触电压与跨步电压的值,同时还影响到跨步电压与接触电压的允许值。为了探究季节性冻土对变电站接地安全的影响,建立了季节性冻土地区的土壤模型,仿真分析研究了季节性冻土参数对变电站接地系统接地电阻、接触电压和跨步电压的影响规律;分析了不同情况下接地电阻、接触电压和跨步电压的最大允许安全值;最后研究了改善冻土地区接地安全性能的方法。研究发现:当冻土冻结深度小于地网埋深时,跨步电压与接触电压受到下层土壤电阻率影响,接地系统较为安全,冻土冻结深度超过地网埋深后接触电压与跨步电压急剧上升,超过安全值,此时通过增设垂直接地极可有效地降低接地电阻值,限制接触电压和跨步电压。

对冻土地区某变电站接地网设计了等间距地网和不等间距地网+均压带2种方案,经仿真计算,不等间距地网+均压带方案能满足安全运行要求。为解决土体及接地体热胀冷缩影响接地体的寿命,建议地下接地体设置伸缩节,伸缩节最大间距不大于30m。

季节冻土将改变土壤模型,导致杆塔接地电阻和变电站接地电阻的变化,从而导致最大入地电流随季节变化。文章采用数值计算方法分析了存在季节冻土时变电站接地系统埋设深度、杆塔接地装置埋深、垂直接地极、局部冻土、变电站进出线回数等因素对变电站分流系数的影响。分析结果表明:存在季节冻土层时,如果冻土层的厚度超过接地网的埋深,将使最大入地短路电流增加;变电站进出线为10回时,变电站分流系数大约增加30%;接地网增加垂直接地极能够减轻季节冻土对分流系数的影响。