刘夏至

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0027-01

一、背景与意义

在电力系统中，为了保证系统和设备的安全运行而需要将其与地中的接地装置相连接，这就是接地。工作接地、保护接地和防雷接地是电力系统中接地的三种类型。工作接地是保障系统能正常运行的接地。工作接地在系统正常运行时流过接地极的电流幅值一般很小。保护接地是为防止电气设备因绝缘损坏发生故障设备外壳带电，危害人身安全的接地。保护接地在系统正常运行时将不会有电流通过。防雷接地的目的是消除过电压存在的危险隐患即避雷器、避雷线和避雷针的接地设计。防雷接地仅在雷电的作用下才会有雷电流注入接地装置，雷电流幅值极高可达数十乃至数百千安，且持续时间也极短，大概为几十微秒。

远距离、大容量、超高压输电必然会提高对接地网的要求，接地网的面积也不断扩大，从而必须考虑土壤的复杂结构及其冲击特性。

1、考虑土壤分层问题的必要性

接地系统的仿真计算是分析和研究接地网性能的有效途径和有力手段，但是通过数据对比总是发现仿真的结果和现场勘测的结果有很大的偏差，经研究发现最可能的原因就是仿真计算中运用的土壤模型太过于简单和理想化。大型变电站的占地面积会很大，因此故障时刻的故障电流入地深度会较大，这样深层土壤的电阻率对接地网的接地阻抗的影响较显著，此时若再将土壤看作均匀是非常不合理的，于是急需建立分层土壤的概念。在接地系统的计算中，一般会将土壤看作是均匀的，因为这样可以使计算更为简单和方便。但是深山地的土壤结构是极其复杂的，为了能够较准确得到既适合实际的计算结果，又不会使计算原理和过程太过于复杂，一般采用的土壤结构为水平或垂直分层的土壤模型。

2、考虑雷电冲击特性的必要性

当雷击发生时，如若接地网的接地阻抗的幅值较大，必然会瞬间导致接地网的电位异常增高，以致于整个接地系统的自身局部电位的差值超出安全值的范围。如此不仅运行人员安全未得到保障，而且还很可能由于反击引起的二次设备的绝缘性遭遇破坏，高压瞬间窜入控制室，以致控制或监测设备发生拒动或误动而扩大事故范围和伤害的严重程度。由此可见，对接地系统的冲击特性进行定量和定性的分析和研究都是至关重要和意义非凡的。电力系统接地网的合理正确的设计无疑是电力系统能否安全可靠稳定运行的重要保证和前提，其接地性能长久以来倍受生产运行以及设计部门的高度重视。因此，正确研究在雷电流作用下的接地网的冲击特性是系统进行雷电防护的根本。

二、水平双层土壤的接地特性

运用镜像法可以将处于不同层土壤中的点通过无穷次镜像使其处于同一层土壤中从而可以得到水平分层土壤中点电流源的电位，而且再根据介质的边界条件求解出土壤中各点电位的拉普拉斯函数即可。水平分层土壤的结构如图1所示，其中为各层土壤的电阻率，为各层土壤的厚度。

1、求解点电流源的拉普拉斯方程

由电磁场理论可得点电流源的拉普拉斯方程如下所示

其中为电场中的电位，为电场强度。当考虑到电磁场在立体空间中的对称性时，在圆柱坐标系下，式（2-1）可以推理变为下式

此外，运用分离变量法将式（2-2）进行化简可得

2、点电流源格林函数的推导

点电流源在土壤介质中的电位通用表达式可用格林函数的形式来表示。寻找能够迅速的计算出点电流源的格林函数的方法是研究水平多层土壤中接地网接地特性的关键所在。由上文的研究可知，点电流源的电位在均匀土壤中肯定满足泊松方程的表达式，因此该点电位在圆柱坐标系下的数学函数式为

通过对介质的边界条件进行求解，可以得到上式中须求解的系数和，进行积分运算后可以得到水平分层土壤中各层点电流源的格林函数。

三、BP神經网络的运用

神经网络的最基本处理单元是神经元，神经元两端是输入和输出，输入是任意维的，因此其表现为一个多维输入、单维输出的非线性元件。

其结构模型如图2所示：

Wij表示输入信号和神经元信息传递的连接权值；Si表示控制信号；θ表示阈值

四、冲击接地网模型的建立

雷电冲击特性下接地网参数分析的思路简单来说就是通过傅里叶变换将雷电流分解，分别求出各个频域下对应的地网电位分布，然后利用傅里叶反变换将各个频率下的响应进行叠加，即得接地网的冲击特性。

通过双层土壤工频接地特性与单层土壤冲击接地网特性的糅合，建立初期冲击接地网模型，在此基础上利用神经网络的3个输入量（即雷电日、土壤电阻率、接地网尺寸）进行训练，从而可得完整的冲击接地网模型。

五、结果验证

例：土壤为水平双层结构，上层土壤电阻率为100Ω·m，下层土壤电阻率为50Ω·m，雷电流为标准双指数波2.6/50μs，雷电流峰值为10kA。接地网为100×100m，埋设在地下0.6m，接地网材料为钢材，接地导体的直径是0.02m。根据本文所编程序可得接地网的冲击特性（即地网电位升）如图3所示。