复杂土壤结构对水电站接地装置散流机理影响分析
郑州大学电气工程学院的研究人员李景丽、张宇、郭丽莹、李渊博，在2017年第23期《电工技术学报》上撰文指出，准确计算复杂土壤结构中接地装置接地参数及其散流机理是水电站接地装置合理优化设计的基础。
提出考虑大范围复杂土壤结构的接地装置有限元计算方法，针对有限元数值计算方法中大范围求解区域和接地导体截面尺寸的差异导致的计算量过大问题，采用二维接地导体与三维散流土壤耦合的有限元数值计算方法。
基于有限元模型分别建立垂直三层土壤模型、块状土壤模型以及落差土壤模型，对接地装置散流过程中土壤中的电流密度、电场强度分布规律进行了详尽分析；并对河道两岸土壤电阻率、河水深度对水电站接地网散流过程及接地电阻的影响规律进行了定量分析。
对比分析了三种不同土壤模型对水电站接地网散流过程及接地电阻的影响规律，结果表明河水深度是影响接地装置散流过程的重要因素，复杂土壤结构中水电站接地网设计中宜采用考虑实际河水深度的块状土壤模型和落差土壤模型。
大型水电站一般建在河流水位落差大的山区，此类地区土壤结构复杂，河岸土壤电阻率高，为使水电站接地电阻满足安全标准要求，一般将接地网敷设于水下一定深度或直接敷设于大坝底部[1]。
水电站接地装置所处河水具有一定深度，且河水电阻率与河道两岸土壤电阻率有较大差异，同时两岸地表与水面之间一般存在高度差。准确模拟水电站接地装置周围土壤结构，分析土壤结构对接地装置散流过程的影响规律是水电站接地优化设计的重要基础。
国内外学者对非均匀土壤结构中接地装置的建模开展了深入细致的研究工作[2-5]。文献[6]对简单水平双层、水平三层土壤和垂直双层土壤结构建立模型，计算并分析了土壤电阻率、土壤厚度、反射系数等对地网接地电阻的影响规律；
文献[7]针对水电站接地装置所处复杂土壤结构，忽略了河流深度、河岸与水面间垂直落差的影响建立简化的垂直三层土壤模型，计算分析了河水电阻率、河道宽度及两岸土壤电阻率对接地电阻的影响；
文献[8]构建了考虑河流深度、河水与地表垂直落差的土壤结构模型，定性分析了接地网散流时地中电场的分布情况及两岸土壤电阻率对接地电阻的影响。
电力系统接地装置性能的数值计算方法目前主要有两类：基于电路理论的方法和基于电磁场理论的方法。其中，基于电路理论的方法包括等效电路法[9]、传输线法[10,11]、场路结合法[12]，三者都需要首先计算接地网分段导体自感抗、对地容纳、导体段之间的互阻抗，并将之组合为接地网等效电路；而后分别基于电网络算法、传输线电报方程、电磁场边界条件计算地网接地阻抗、地电位升等简单接地参数；这类方法相对简单、实用，但其在电路参数求取中存在近似会对计算结果产生影响。
基于电磁场理论的方法包括基于Maxwell积分方程的矩量法[13-15]和基于Maxwell微分方程的有限元方法[16-23]。电磁场方法从边值问题出发，可准确计算接地装置散流过程中的地中电流密度、电场强度、电位分布等参数，并可基于此对复杂土壤结构对接地装置散流机理及接地参数的影响进行细致的分析。
在矩量法计算过程中，接地导体单元的格林函数求取是至关重要的步骤，但复杂土壤结构下格林函数的求取相当繁琐。而基于Maxwell微分方程有限元方法具有适用于任意土壤结构和地网结构的优势。
本文针对有限元数值计算方法中大范围求解区域和接地导体截面尺寸的巨大差异导致的计算量过大问题，提出接地导体二维有限元与散流土壤三维有限元耦合的新方法；并分别建立垂直三层土壤模型、考虑河水深度的块状土壤模型、考虑水面与地表面高度落差的落差土壤模型，根据数值计算结果对水电站所处复杂土壤结构下接地装置散流机理进行详尽分析，并对河道两岸土壤电阻率、河水深度等参数对水电站接地网散流机理及接地电阻的影响规律进行了定量分析。
图8 接地电阻随土壤电阻率变化曲线
图9 接地电阻随接地网埋深变化曲线
结论
本文利用comsol仿真软件建立典型水电站土壤结构模型，分析了接地装置散流机理及各因素对接地电阻的影响规律，得出如下结论：
1）垂直三层土壤结构中入地电流沿河流流向及纵深方向流散，电流密度沿导体近似均匀分布；块状和落差土壤结构入地电流沿河流流向流散，电流密度沿接地导体分布极其不均匀，峰谷值差距达57%，且沿河流流向的散流区域可达垂直三层土壤结构的数倍之多。
2）在河水与河岸分界面处由于导电媒质电导率突变，电场强度亦发生突变；且块状和落差土壤结构中接地网散流效率低，电场突变更明显。
3）河水深度和两岸土壤电阻率是影响块状和落差土壤结构接地电阻的重要因素，且随着河水深度的增加，接地电阻非线性下降并逐渐趋于饱和；随着土壤电阻率的增加，接地电阻近似线性增加。
由以上分析可知河水深度考虑与否对接地散流机理和接地电阻等参数计算影响较大，综合准确性和复杂性，建议采用块状土壤结构模拟水电站复杂土壤结构中接地装置性能。