浅谈变电站防雷接地设计

摘要：对变电站接地设计和防雷保护进行探讨，提出了相应的对策。

关键词:变电站；接地网；设计；接地电阻；防雷措施

随着近年来电力行业的不断发展，电力系统的供电安全成为一个很重要的问题，然而变电站在电力系统中占有重要位置，故变电站的安全可靠运行的工作显得十分重要。而变电站接地系统的合理与否直接关系到人身和设备安全。因此，变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。

1变电站接地网设计

1.1土壤电阻率测试

土壤电阻率是决定地网电阻及地网土壤表面电位分布、跨步电压和设备接触电压的重要参数，了解和掌握土壤电阻率的特性(土壤电阻率的分布情况)，对地网设计非常重要通常土

壤电阻率的测量方法有两种：单极法和四极法。单极法适用于土壤电阻率比较均匀的场地，在被测场地打一单极的垂直接地体(图1)，用接地电阻测量仪测量得到该单极接地体的接地电阻值R，然后通过公式R= 得到等效土壤电阻率。在土壤电阻率不均匀的场地，可以采用4极法测量(图2)，两电极之间的距离a>h的20倍，单极接地体的长度h=0.6m，极间距离用a=4、6、8m进行测量图中，d单极接地体的直径；h测量电极的埋设深度；a测量电极之间的距离；C1和C2测量用的电流极；P1和P2测量用的电压极；M接地电阻测量仪。

图1单极法测试土壤电阻率单位：m图2四极法测试土壤电阻率原理单位：m

1.2接地装置的入地短路电流计算

根据行业规范，变电站电气装置的接地电阻应满足R≤2000/I，R为考虑到季节变化的最大接地电阻；I为流经接地装置的入地短路电流。流经接地装置的入地短路电流，采用在接地网内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流按5~10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及避雷线中分走的接地短路电流。

实际计算中，由于变电站的架空地线的分流和变压器中性点的分流难以确定，采用估算方法会造成较大的误差。因此设计时，分流系数取20%的保守值。

1.3接地网形式与材料

变电站的接地应充分利用自然接地体如：①埋设在地下的金属管道(易燃和易爆介质的管道除外);②金属井管;③变电站与大地有可靠连接的建筑物、构架物的金属结构和钢筋混凝土基础；④穿线的钢管、电缆的金属外皮等。在充分利用自然接地体的基础上，110kV，220kV变电站接地网通常敷设水平接地体。对面积较大的接地网降低接地电阻主要靠大面积水平接地体，它既有均压、减小接触电势和跨步电势的作用，又有散流的功能。

水平接地网一般采用方孔或者长孔的网格形式，尽管方孔地网所用材料比长孔多，且工频接地电阻与跨步电势十分接近，但在雷击时呈现的冲击接地电阻却有很大的差别方孔地网的冲击接地电阻比长孔地网要小得多，因此，普遍选用方孔地网地网的外缘闭合且各角做成圆弧形，圆弧的半径要求大于均压带间距的一半，埋设深度取0.8m。

以水平接地体为主并在地网内增加垂直接地体的综合接地网，可通过计算比较圆盘接地体的接地电阻和带垂直电极的圆盘接地体的接地电阻的差异大小，作为水平接地网下打垂直电极的极限情况。根据计算分析，在大型的地网中，垂直接地极对降低接地网工频接地电阻的作用很小(表1)，仅为2%~8%，起降阻作用的只是在接地网边缘的垂直接地极，原因是网内其相互的屏蔽作用并不能起到有效的降阻作用。

表1大中型地网中2.5m长的垂直接地体对降低接地电阻的作用

因此装设垂直接地极主要作用是为了加强冲击电流的扩散，例如避雷针、避雷线和避雷器附近就必须增加集中垂直接地极，散泄雷电流。并且垂直接地极互相间的间距应大于垂直接地体长度的2倍。

由公式R= 可知，双层接地网的电阻主要是由占地面积和土壤电阻率决定。从经济上考虑，不可能征用太多的土地，因此，对回填土壤电阻率不作硬性规定，但不许使用建筑垃圾，须用电阻率较低的土壤实际施工中，大多变电站的回填土都是站址周围电阻率较高的土壤，如粉质粘土、粗沙，甚至大块的岩石做双层地网就是为了得到回填前的土壤(具有较低电阻率)，双层地网的电位分布较均匀、电位梯度小，可以有效地防止高压向控制和保护电缆反击，损坏低压元件。另外，由于双层接地网间距较小（4~5m），屏蔽系数较大，接地电阻计算只需考虑下层接地网的面积，即下层接地网作为散流作用的主接地网，而上层地网只作为均压作用的辅助接地网考虑。

接地网材料主要有钢和铜。铜的抗腐蚀能力强，寿命是钢的5倍多，在土壤中其表面上产生附着力极强的Cu(OH)2(绿铜)，有效地阻断了进一步的腐蚀铜的导电性好，电阻率低，泄流较快，接地阻抗、网内的电位差也较小，常温下铜和钢的电阻率分别为17μΩ•mm和138μΩ•mm，对同样的接地网和土壤，取相同的接地阻抗，铜的截面要比钢小很多。铜接地网的缺点是造价高及大面积的铜接地网会产生变电站基础钢筋和地下钢管的电腐蚀性。

根据实践经验，以下2种情况建议使用铜材：一是市中心的户内变电站的主接地网，由于高楼林立，放线工作很难达到要求，接地电阻测试相当困难，接地装置在建筑物下面很难开挖检查；二是变电站做了双层接地网的下层接地网也应使用铜材敷设，主要是考虑下层接地网的埋深以及日后无法维修的原因。

接地网导体截面选择，应考虑一定的裕度接地网水平接地体通常是16mm的热镀锌钢或4×40mm铜排；垂直接地体使用50×5mm的镀锌角钢或18mm铜棒。

2降低接地电阻的措施

2.1通用接地技术

变电站敷设了复合式接地网后，接地电阻依然不能满足技术要求时，需采取降阻措施采用降阻措施的变电站主要有2种情况：一种是由于征地而积小，特别是一些市区的110kV户内GIS变电站；一种是变电站的地质条件较差，土壤电阻率偏高，只依靠敷设水平复合接地网无法满足接地网的电阻率要求。

通常降阻措施有：①在2000m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引外接地极；或在征地范围内敷设引外接地极，外引接地极加一圈人工接地沟，沟的埋设深度根据地质资料选用电阻率较低的土层，接地沟的里面填充物理降阻剂；②当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用井式或深钻式接地极；或水平接地网边沿增加接地深井井内填充物理型降阻剂；③敷设水下接地网

2.2爆破接地技术

深井爆破接地是近年采用的降阻新技术，已在国内多个变电站降阻成功。深井爆破接地的原理是在站外适当地区，钻探若干深井，在井内放入炸药爆炸，使得深层岩土炸松形成裂隙，再向井内高压注入电解溶液，在地中深处形成网状导电球体，从而降低变电所的接地电阻。这种降阻方法的最大好处是不必强求井位打在土壤电阻率较低的地点不必考虑深井地极之间的屏蔽效应。

3变电站防雷措施分类

防雷措施总体概括为两种：避免雷电波的进入；利用保护装置将雷电波引入接地网。

3.1避雷针或避雷线。雷击只能通过拦截导引措施改变其入地路径。接闪器有避雷针、避雷线。小变电站大多采用独立避雷针，大变电站大多在变电站架构上采用避雷针或避雷线，或两者结合，对引流线和接地装置都有严格的要求。

3.2避雷器。避雷器能将侵入变电所的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。我国主要是采用金属氧化物避雷器(MOA)。

3.3浪涌抑制器。采用过压保护，防雷端子等提高电气设备自身的防护能力，防止电气设备、电子元件被击坏。当发生雷击事故时，如电源防雷模块遭到损坏，在后台监控机上就能显示其状态。在控制、通讯接口处加装浪涌抑制器。

3.4接地线。接地线即接地体的外引线，连接被保护或屏蔽设施的连线，可设主接地线、等电位连接板和分接地线。防雷接地装置的接地线即防雷接闪装置的引下线，可采用圆钢或扁钢，两端按规定的搭接长度焊接达到电连接。变电站的防雷接地电阻值要求不大于1Ω。

4变电站弱电设备防雷措施

4.1采用多分支接地引下线，使通过接地引下线的雷电流大大减小。

4.2改善屏蔽，如采用特殊的屏蔽材料甚至采用磁特性适当配合的双层屏蔽。

4.3改进泄流系统的结构，减小引下线对弱电设备的感应并使原有的屏蔽网能较好地发挥作用。

4.4除电源入口处装设压敏电阻等限制过压的装置外，在信号线接入处应使用光电藕合元件或设置具有适当参数的限压装置。

4.5所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆，屏蔽层公用一个接地网。

4.6在控制室及通讯室内敷设等电位，所有电气设备的外壳均与等电位汇流排连接。

5变电站直击雷的防雷措施

5.1防止反击：设备的接地点尽量远离避雷针接地引线的入地点，避雷针接地引下线尽量远离电气设备。

5.2装设集中接地装置：上述接地应与总线地网连接，并在连接下加装集中接地装置，其工频接地电阻碍大于10Ω。

5.3主控室(楼)或网络控制楼及屋内配电装置直击雷的保护措施。(1)若有金属屋顶或屋顶有金属结构时，将金属部分接地。(2)若屋顶为钢筋混凝上结构，应将其钢筋焊接成网接地。(3)若结构为非导电的屋顶时，采用避雷保护，该避雷带的网络为8~10m设引下线接地。

6结束语

接地网的设计，要根据区域的地质条件，采取不同的降阻措施，以最高性能价格比来设计其接地网，同时应采用新技术和新材料。接地技术是一门多学科的综合技术，故在今后的工作中去研究，在实践中不断探索，以使其更加趋于完善。根据变电站防雷设计的整体性、结构性、层次性、目的性，及整个变电站的周围环境、地理位置、土质条件以及设备性能和用途，采取相应雷电防护措施，保证变电站设备的安全稳定运行。

参考文献：

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[4]徐华，文习山.大型变电站钢材和铜材接地网的性能比较.全国电网中性点接地方式与接地技术研讨会论文集[C]，2005.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。