高土壤电阻率地区变电站接地设计研究

1 概述

随着我国城市居民用电负荷的进一步增长，为满足城市用电负荷分配的要求，越来越多的110kV变电站已作为配电变电站进入城区，此类变电站的特点是，变电站规模不大，110kV高压电器采用GIS设备，变电站面积小，电力系统容量不断增大而导致发变电站接地故障短路电流越来越大。因此造成其变电站在接地设计方面的突出问题是接地面积小（5000～10000m2），土壤电阻率高（一般为500～1200欧姆或更高），无可敷设外接接地条件等。另DL/T621-1997行业标准在面对当前不断增长的系统短路容量的条件下，仍维持2000V的地电位规定值不变，对地网的接触电位差和跨步电位差容许值的要求更趋严格，而根据最近工程设计情况分析，要求将接地电阻降到DL/T621-1997行业标准的值是十分困难的。本文将结合110kV云都变电站的实际工程数据，重点探讨目前高土壤电阻率地区变电站的接地设计问题。

2 安全接地设计的影响因素及解决措施

合理的设计一个安全地网，使得变电站有一个低的足够安全的接触电位差、跨步电位差、地电位是我们设计安全地网的最终目的。

接触电位差（允许值）Ut（V）： Ut= （1）

地网最大接触电位差Utmax（V）： Utmax = KtmaxUg （2）

其中： Utmax ---最大接触电位差；Ktmax---最大接触电位差系数。

跨步电位差（允许值）Us（V）： Us= （3）

地网最大跨步电位差Usmax（V）： Usmax = KsmaxUg （4）

其中： Usmax ---最大跨步电位差；Ksmax---最大跨步电位差系数。

接地装置电位（地电位）Ug（V）： Ug = IR （5）

其中： I ---入地短路电流（A）；R---接地装置的接地电阻。

影响地网上述三个参数的主要因素很多，但主要有接地故障电流的大小（I）和持续的时间（t），架空地线分流系数（K），土壤电阻率(ρ)，地表材料电阻率(ρf)，土壤电阻率的均匀性等因素。下面我们就针对地网设计中三个安全值的要求、影响因素、解决方法逐一分析如下。

为进一步说明问题，我们通过110kV云都变电站的设计数据来分析接地网的设计参数的影响因素及影响程度。

110kV云都变电站的接地设计原始参数如下：

接地短路（故障）电流的持续时间t： 0.6s

最大入地故障电流（分流后的最大值）I： 11.5kA。

测得的等效均匀土壤电阻率值（考虑季节系数）ρ：500~600Ω•m

可用接地网的面积(96×46m)S: 3840m2

表面垫层碎石的电阻率（潮湿状态）ρf： 2500Ω•m

按DL/T621-1997的要求，变电站的电气装置的接地“应敷设以水平接地极为主的人工接地网”,云都变电站的地网拟采用有水平接地极和垂直接地极组成的复合接地网。

经工程计算，110kV云都变电站的规程允许的接触电位差、跨步电位差分别为 395V、767V。按双层土壤（ρf =2500Ω•m）考虑计算的接触电位差、跨步电位差的允许值分别为773V、2483 V。而计算的接地电阻为4.1Ω，实际计算的地电位值高达47150V，远大于规程要求的2000V的要求，为满足要求，接地电阻值需降到0.2Ω以下，是原接地电阻的4.8％，也就是将土壤电阻率降到29.3Ω•m。那么，在无法降低接地电阻情况下如何使得本变电站的接地网更安全呢？下面就是本文重点讨论的问题。

2.1 接地故障持续时间对地网设计参数的影响

图表2-1的曲线接触电位差、跨步电位差随接地故障持续时间地变化曲线。从中看出，故障持续时间对安全的影响是十分明显的，因此快速切除接地故障，会使变电站运行将变得更加安全。但从实际情况来看，断路器的开断时间，保护动作时间均与设备型式及制造有关，通常是无法改变的，真要改变将花费更大的代价，是不合实际地也是不现实的。

2.2 地表电阻率对地网设计参数的影响

图表2-2表述地是地表电阻率对接触、跨步电位差的允许值的影响程度。从图表看出地表电阻率对跨步电位差允许值的影响大于接触电位差，可见为了改善跨步电位差的危害，采用隔离措施效果也较为明显。因此，在实际设计中，可采用高土壤电阻率材料设置操作平台解决接触电位差。由于地表土壤电阻率对接触电位差、跨步电位差允许值的影响较大，采用敷设高电阻率地表材料的方法可减少接地极材料的使用量。

2.3 入地电流（或分流系数）对地网设计参数的影响

由计算公式可知地电位与入地电流成线形正比关系。因此，采取减少系统的接地短路电流，增加接地电流的分流措施，减少入地电流，对有效降低地电位、最大地网接触、跨步电位差是十分有效地。实际工程中，接地短路电流是由系统容量，系统阻抗及系统运行方式决定的，通过一定的系统调度，可以将两相接地及单相接地故障电流限制到一定的值，但为了降低地电位去限制系统运行方式，是不可取的。随着系统容量的不断增大接地故障电流不但不减小，反而会增大。为减少入地电流，可行的办法是增大架空地线的分流作用，减少流入变电站地网中的电流，从而降低地电位。减少线路接地线阻抗或降低架空线杆塔的接地电阻均可增大避雷线的分流作用，但应注意线路塔电位差的影响。

2.4 地网面积大小对地网设计参数的影响

对于地网面积足够大的接地网，其接地电阻与接地网面积的平方根成反比，地网面积越大，接地电阻越小，因此在地网设计时考虑增大接地网面积对降低地网电阻是十分有效地。从图表2-3的变化曲线可以看出，地网面积增大1倍时，地电位及接地电阻均减少30％，若采用更低电阻率的土壤部分接地，降阻效果将更加明显，但从实际工程看，变电站很少具备采用增大地网降阻的条件。

2.5 接地材料数量对地网设计参数的影响

对一定的接地网，增加接地材料的数量可降低接地接触电位差，跨步电位差，特别是对跨步电位差效果更明显，见图表2-4所示，是水平接地材料数量变化对接触、跨步电位差的影响曲线。主要是因为增加接地材料，特别是增加水平接地体，减小了地网网格间距，地表面的电位分布变得更均匀，网孔中心与接地极间的电位差以及地面0.8m间距处两点间的电位差减少所致。无论地电位有多高，通过增加网格密度，均可以解决接触电位差，跨步电位差的问题，例如国外有采用0.6m×0.6m金属网格做成的操作平台。但接地材料增加过多，虽然可以解决接触电位差、跨步电位差超标的问题，但是是不经济的。合理使用接地材料、降低成本是接地设计必须考虑的。

3 完善地网设计的措施

对于采用一定的降阻措施，仍无法将地电位降低到允许值的变电站，接地设计的重点应该是处理好地网的均压、隔离问题，特别是对地网中“特殊区域”的设计，才能保证地网的真正安全。

3.1 地网边缘的均压问题

变电站接地网的设计均是基于等效的均匀土壤电阻率设计的。实际上，地网的土壤电阻率，无论是水平方向还是垂直方向都是不均匀的。按照DL/T621-1997的要求，即使地电位降到2000V以下，不经过均压处理的地网，其接触电位差、跨步电位差也很难保证满足要求。下面是防止电位差超标采取的主要措施。

1) 增加地网边缘处垂直接地极的密度及深度。

2) 在边缘周围埋设两个或更多的水平接地极，并随着离变电站的距离越远接地极的深度也加深，即采用“帽檐式”均压带。

3) 改变地网水平接地极间的间距，越接近电网边缘附近，水平接地极间距越密。

3.2 金属围栏的接地问题

防止变电站金属围栏可能出现的接触电位差构成的危险。可考虑采用绝缘围栏，或将金属围栏与地网连接，若地网在敷设围栏内，则为了防止站外人员触击金属围栏，需在变电站围栏外设置隔离带，并在围栏上悬挂“带电”指示牌；若地网敷设到围栏外，则要处理好地网边缘的跨步电位差满足安全要求。

3.3 控制电缆的接地问题

为防止反击电压对电缆及二次设备的损坏，应加强对控制电缆的接地处理。如果电缆线不是很长，只将电缆外皮一端接地可以减少单导线电缆外皮电流。对于长电缆，两端和连接处的外皮都应接地。为消除感应电势，屏蔽的控制电缆外皮两端都应接地。为避免控制电缆的外皮每个接地点的间距太大，故障时接地网上的大电位差会引起外皮中的大电流流过，在电缆外皮两接地点间平行于控制电缆线单独装设一条接地线，将外皮电流转移。

3.4 通讯电缆的接地问题

为防止转移电位，需隔离通信线路。通信线路需采取隔离措施，用来确保工作人员以及通信终端设备的安全。为了使变电站通信终端与远程终端隔离，可以考虑用通信光缆，消除高电位的转移。

3.5 低压供电线路的接地问题

为防止转移电位，隔离低压中性线。避免将变电站高地网引向用户引起的危险，在变电站内以及附近，中性线应该当作“带电”导体，用足以耐受地电位强度的绝缘体将中性线与变电站接地系统隔离，同时，中性线要布置在安全位置，防止工作人员接触而产生危险，必要时采取隔离措施。

3.6 金属管道的接地问题

为防止转移电位，隔离各种金属管道。管道和金属导线管应与变电站接地系统连接，以避免在变电站内部产生危险。为防止高电位沿金属管道传向远处，在变电站围栏处应布置绝缘隔离区域，其隔离段要足够长，以避免被附近土壤旁路。绝缘区必须能够耐受变电站与远处大地间的电势差――地电位。

4 高土壤电阻率地区接地网设计重点注意事项

4.1 重视金属围栏的接地。发生接地故障时，由于入地电流的边缘效应，变电站围栏附近会出现较高的电位差梯度。无论金属围栏是否与地网连接，均存在触电的危险，特别是高土壤电阻率地区，情况会更严重，应引起地网设计者的重视。

4.2 重视GIS的接地问题。由于GIS易引起金属对金属间的接触电位差，因此GIS外壳很小的电位差都会对人身造成伤害，应引起足够地重视。将GIS的外壳多点连接并接地，是GIS区域内减小接触电势和跨步电势危险的最好方法。对GIS的接地连接材料尺寸、接地点的设置、外壳电位差的要求，应与GIS制造商配合，重点考虑好直流分量，开关动作、接地故障等暂态情况下出现的最大电位差，做好 GIS 的等电位连接。

4.3 考虑系统容量的发展。DL/T621-1997要求按5～10年的发展设计是不合理的，应按变电站的设计寿命考虑。按前者条件设计的地网随系统发展是不安全的。据相关资料介绍，若采取后续补充和完善地网是很困难的，且实施费用会更高。

4.4 注意土壤电阻率不均匀性的影响。地网设计计算是基于等效的均匀土壤电阻率设计的。由于土壤电阻率实际的不均匀性，按此设计的地网，并不安全，特别是高土壤电阻率地区更是如此。有效的办法是在地网施工完成后，实测地电位分布曲线，根据此曲线完善地网布置，消除不安全因素。

5 结论

随着电力系统容量的增大和发电厂、变电站地网面积的减少，高电阻率地区接地网的设计变得越来越困难，需要设计者更仔细地设计。

为了减少地电位，除降低地网电阻外，还可以增加架空避雷线的分流作用，减少入地电流，其措施更容易实现。若地电位不能满足要求时，一味地降低接地电阻花费大量人力、财力是不可取的。

为了减少跨步电位差，主要考虑增加水平接地体的数量，合理布置网孔，减少跨步电位差，满足规范要求。采用不等间距布置网孔，会使接地网设计的更经济。

为了减少接触电位差，不必再增加过多的水平接地体材料，可以采取在设备操作位置设置木地板、沥青卵石混合物等高电阻率材料隔离平台或采用金属接地网操作平台。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。