变电站接地设计探讨

摘要：本文介绍了影响接地的主要因素，分析了变电站接地设计的要点，总结了当前变电站接地问题的常用措施。

关键词：接地网；接地电位；接地电阻；短路电流；接触电位差；跨步电位差

中图分类号： TM6 文献标识码： A

1 影响接地设计的因素

接地装置的电位Ug=IR,因此要想使地电位满足要求，其一要降低接地电阻R，其二要使入地电流I减小。

1.1 影响接地电阻的因素

变电站电气接地装置主要敷设以水平接地极为主的人工接地网，人工接地网的外缘闭合，各角做成圆弧形，计算接地电阻的简易公式为：

式中：ρ为土壤电阻率，Ω*m；S为接地网面积，；R为地网的接地电阻，Ω。

土壤电阻率和基地网面积S是影响接地电阻的主要因素，了解了这些原因有利于针对不同情况因地制宜改善接地装置。

1.1.1 影响土壤电阻率的因素

a) 砂的含水量与电阻率的关系。含水量越大则电阻率越小，根据这种特性，有些地方或利用地下水作为降阻措施，或敷设水下接地网作为降阻措施，这些措施都可以有效地降低接地电阻。

b) 温度与电阻率的关系。当水分由水变为冰时，电阻率在0℃出现一个突然的上升，当温度再下降时，电阻率出现十分明显的增大，而温度从0℃上升时，电阻率仅平稳的下降，因此，接地装置应埋设在多年冻土层下，一般埋设深度为0.6~0.8m即可。

c) 土壤的致密与否对电阻率的影响也是很大的，其根本原因是土壤越致密则接触电阻越小。在接地体周围小范围内使用化学降阻剂，使接地电阻大大减小的效果，实际上也是包括了消除接触电阻的原因在内。

1.1.2 影响地网面积的因素

地网面积的大小是影响接地电阻的主要因素，但近年来，由于变电站的技术革新，大大减小了地网的面积，当接地电阻不能满足要求时，必须向外扩展更大的面积，但这又牵扯到与有关部门的协调问题，实施较为困难。

1.2 影响入地短路电流的因素

《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）中对接地电阻值有具体的规定，一般情况下规定通常不大于0.5Ω。在高土壤电阻率的地区，当要求接地装置做到规定的接地电阻在技术经济上很不合理时，大接地短路电流系统接地电阻可以为R≤5Ω，但应采取相应措施，如防止高电位外引、均压设计、验算接触电势、跨步电压等。根据规程规定，主要是以发生接地故障时，接地电位的升高不超过2KV进行控制，其次，才是以接地电阻不大于0.5Ω或5Ω进行设计。所以在实际设计中，不能单纯计算接地电阻而忽视短路电流的大小。

接地的实质是控制变电站发生接地短路时，故障点的点位升高。因此接地主要是为了设备及人身的安全，起作用的是电位而不是电阻。接地电阻是衡量地网合格的一个重要参数，但不是唯一参数。随着电力系统容量的不断增大，一般情况下单相短路电流值较大，从安全运行的角度出发，不管在什么情况下，都应该验算接地网的接触电势和跨步电压，必要时采取防止高电位外引的隔离措施。

当系统发生接地故障时，产生的接地短路电流经三种途径流入接地中性点。1.经架空地线―杆塔系统；2.经设备接地引下线、地网流入本站内变压器中性点；3.经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻其决定性作用的只是入地短路电流，所以，正确地考虑和计算各部分短路电流值，对合理地设计地网有着很大的影响。

厂或站内和厂或站外发生接地短路时，流经接地装置的电流可分别按下式计算

I=（Imax-In）(1-Ke1) (1)

I=In（1- Ke2）(2)

I――入地短路电流，A；

Imax――接地短路是最大接地短路电流，A;

In――发生最大接地短路电流时，流经发电厂，变电站接地中性点的最大接地短路电流，A；

Ke1、Ke2――分别为厂或站内和厂或站外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用入地短路电流取两式中较大的I值。

由以上公式分析，入地短路电流的大小与流回变电站接地中性点的短路电流、架空地线的分流系数有关，接地短路发生在接地网内时，为了使变电站所供给的短路电流，不经过大地而直接流回变压器接地的中性点；接地短路发生在接地网外时，为了减小短路电流流回变电站接地的中性点时受到阻力，应加强变电站与变压器场地的接地带的敷设，采用良导体架空地线并充分利用架空地线的分流作用。

通过以上分析，降低接地电阻和入地电流可以降低电位，保证设备和人身安全，但单纯为满足地电位2KV的要求，而采取一系列的措施势必造成技术的困难和经济的浪费，即使入地电流I为10KA，其R值也要求不大于0.2Ω，况且随着电力系统短路容量的增加，入地短路电流一般均大于10KA，在有限的接地网内要求达到如此小的接地电阻困难时比较大的。因此行标有规定若不满足此要求，则应满足办标准6.2.2的要求且不大于5Ω,要求采取防止转移电位引起的危害、防止站内3~10KV避雷器受到反击并验算接触电位差和跨步电位差，从而改善站内电位的分布，形成一个均衡的电位接地系统，所以降低接地电位并不是保证设备和人身安全的唯一手段，均衡电位和限流是保证设备和人身安全比较经济的方法。

1.3 均压和限流

变电站均压一般采用在站区内敷设外缘闭合以水平接地带为主的人工接地网，其网内敷设若干均压带并选取合理埋深，并且站内不同用途和不同电压的电气装置使用一个总的接地装置。增加均压带在一定程度上是可以减小最大接触系数的，但由于均压带越密，电流分布越不均匀的缘故，最大接触系数最多只能减小到0.1~0.15，所以在实际工程设计中一味地采取堆积刚才来达到均压和降低接地电阻的措施实不可取的。

限流是为了减小人体被电击是通过的能量，可采用快速继电保护迅速切除短路，是人体多受到电击时间限制在1S及以下；敷设碎石、砾石或沥青混凝土等电阻率的路面结构层，用以增加人体被电击是的串联电阻，将通过人体的电流限制在与电击时间相对应的安全限度内。

2 接地设计的要点和措施

2.1 接地网的设计要点

a) 接地网的接地电阻主要与接地网的面积有关，加在地网上的2~3m的垂直接地极，对减小接地电阻的作用不大，一般仅在避雷器、避雷针（线）等处做加强集中接地散泄雷电流用，或为稳定接地网在中间或外缘增设几个。

b) 接地网孔大于16个（均压要求除外），接地电阻减小很慢，对大型接地网，网孔个数也不宜大于32个。过分增加均压带根数并不能无限制的减小最大接触系数，实验研究最大接触系数最多只能减小到0.1~0.15。

c) 接地网埋深达一定时，接地电阻减小很慢，一般取0.6~0.8m。

d) 在小面积地网内，采用置换或化学方法改善接地体附近的高土壤电阻率，对减小接触电阻有效果，对减小接地电阻作用不大。

e) 接地网的四角做成圆弧形可以显著改善接地网外直角处的跨步电势。

2.2 常用措施

a) 采取不等间距布置来均衡地网电位；

b) 电位隔离；

c) 利用地质钻孔埋设长接地接；

d) 水平接地带换土与加降阻剂交替使用；

e) 长垂直接地极加降阻剂；

f) 利用地下水的降阻作用；

g) 引外接地；

h) 所内超深井接地；

i) 利用架空地线杆塔接地系统。

以上方法均有成功经验，在工程中可以根据具体情况进行选择。

3 接地引下线的设置

行标中仅对接地引下线的截面做了要求，即应该不小于热稳定所允许的截面，并按工程的使用年限计及腐蚀影响，未对每个设备接地引下线的根数作具体要求，在实际工程中各地对此有不同理解。

有关资料指出，高压系统的雷电过电压、操作过电压和短路事故等都会通过干扰源（避雷器、电容器、电压互感器、电流互感器及其它带电容设备）进入二次系统，在二次回路上产生很高的干扰电压，引起保护误动和器件绝缘击穿事故，因此近年来十分强调在此回路采取相应的抗干扰措施外，还对高压电器接地引下线的有关问题提出要求。有的地区如电流互感器用2根引下线分别接在地网纵横接地带上；电容式电压互感器除用2根接地引下线外，设备三相之间还有连线。接地引下线增加根数加大截面的目的是为了减小引下线的波阻抗，从而降低来自高压系统的干扰电压。

采用2根接地引下线的另一个优点是可以提高接地的可靠性，多年来的运行实践表明设备引下线与地网焊接不良，甚至漏焊、腐蚀等现象旅游发生，运行中不易发现，以致引发不少事故。近年来，国家电力公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中也专门对接地做了要求，规定变压器中性点应有2根与主接地网不同地点连接的接地引下线，且每根接地引下线均应符合热稳定的要求、重要设备及设备构架等宜有2根与主接地网不同地点连接的接地引下线，且每根接地引下线均应符合热稳定的要求。

在实际工程中，一般做法是按设备基础的形式进行分类，每相设备为独立基础的，则每相设备双接地，若三相合用接触，则每个基础双接地，采用这种方法，一方面可以保证设备的安全，另一方面可以节约钢材，减小施工难度。

4 接地材料的选择

变电站容量的扩大对接地网安全运行的要求更为严格。在我国，接地网所用的材质主要为普通碳钢。接地网腐蚀通常呈现局部腐蚀形态，发生腐蚀后接地网碳钢材料变脆、起层、松散，甚至发生断裂。近年来，部分经济发达地区开始采用铜材，铜材的性能比刚才好：导电率高、热容量大、耐腐蚀性强，但其价格却叫昂贵，差不多是钢材的7~8倍，接地网综合造价相差约2~3倍。

因此，在实际工程中，因地制宜地进行技术经济比较，土质腐蚀性强的地方可考虑采用铜地网，GIS设备对接地要求较高，也可考虑选用铜材。

参考文献

⑴《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）

⑵《电力工程电气设计手册》第一册；电气一次部分/水利电力部西北电力设计院编，―北京：中国电力出版社，1996年重印