淺談變電站接地網(wǎng)設(shè)計

［摘要］變電站接地系統(tǒng)的合理與否是直接關(guān)系到人身和設(shè)備安全的重要問題。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，接地系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜。文章介紹變電站接地設(shè)計方面的一些基本概念以及設(shè)計的的基本步驟和要點，并介紹一種土壤電阻率的測量方法。

［關(guān)鍵詞］變電站；接地網(wǎng)；設(shè)計

［作者簡介］葉云琴，廣東電網(wǎng)公司高州供電局，廣東高州，525200

［中圖分類號］ TM64［文獻標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1007-7723（2008）10-0042-0003

發(fā)電廠、變電站集中安裝了最重要的電氣設(shè)備和電氣裝置，因此需要有良好的接地裝置，以實現(xiàn)工作接地、保護接地和防雷接地的綜合要求。實際工程中，一般是統(tǒng)一敷設(shè)一接地網(wǎng)，稱主接地網(wǎng)，而在避雷針和避雷器附近下面，再加設(shè)一組集中的防雷接地體，加強泄放雷電流之用，從而構(gòu)成發(fā)電廠、變電站完整的接地裝置。

表征發(fā)電廠、變電站地網(wǎng)的主要電氣參數(shù)有：接地電阻、接觸電勢、跨步電勢、接地電位升和轉(zhuǎn)移電勢。在高土壤電阻率地區(qū)且地網(wǎng)面積受限的情況下，要使接地電阻滿足規(guī)程要求是十分困難的，但是只要合理設(shè)計，在不過分注重低接地電阻的情況下，仍然能夠設(shè)計出滿足安全要求的地網(wǎng)。

一、地網(wǎng)設(shè)計的步驟和方法

（一）調(diào)查土壤特性

土壤電阻率是決定地網(wǎng)參數(shù)的重要參數(shù)。在發(fā)電廠、變電站選址后，用物探法和電探法測量土壤電阻率的分布情況，并重視站區(qū)土壤電阻率隨季節(jié)的變化情況，然后經(jīng)過對實測數(shù)據(jù)的分析處理獲得設(shè)計時所需要的土壤電阻率。除此之外還應(yīng)調(diào)查站區(qū)土壤對普通鋼、鍍鋅鋼等金屬材料的腐蝕情況，為地網(wǎng)設(shè)計選擇正確的金屬材料和截面提供依據(jù)。

（二）入地故障電流的計算

在接地網(wǎng)設(shè)計中首先按下面兩式算出流經(jīng)接地裝置的入地短路電流I值，然后取下面兩式中較大的I值。

當(dāng)短路故障發(fā)生在地網(wǎng)內(nèi)時，在流經(jīng)接地點的短路電流Imax中，由電站提供的那部分電流（In）可以通過接地線直接流回電源中性點，不會在地網(wǎng)接地電阻上形成壓降。由于避雷線的存在，由系統(tǒng)提供的短路電流（ Imax-In）中的一部分可以經(jīng)避雷線及桿塔的接地電阻回路返回系統(tǒng)，不會在電站的接地電阻上形成壓降。因此，經(jīng)地網(wǎng)入地而造成地網(wǎng)電位升高的短路電流只有：

當(dāng)短路故障發(fā)生在地網(wǎng)外時，顯然此時流經(jīng)大地經(jīng)地網(wǎng)返回的短路電流將由電站本身提供。同樣，由于避雷線的存在，在短路電流的In分量中將有一部分以避雷線為回路直接返回電源中性點，此時經(jīng)地網(wǎng)返回的電流為：

Imax——接地短路點的最大接地短路電流；

In——流經(jīng)變電站接地中性點的最大接地短路電流；

Kel為短路時，與變電所接地網(wǎng)相連的所有避雷線的分流系數(shù)。據(jù)專家分析，Kel應(yīng)由避雷線的出線回路數(shù)確定，出線為1路時，取0.15；2路時取0.28；3路時取0.38；4路時取0.47；5路以上時取0.5~0.58，且應(yīng)根據(jù)出線所跨走廊的分流效果做出相應(yīng)的增減。

Ke2為所外接地時，避雷線向兩側(cè)的分流系數(shù)，一般取0.18，這僅適于變電所內(nèi)有變壓器中性點接地的所外接地。

（三）地網(wǎng)導(dǎo)體材料及截面的選擇

1.導(dǎo)體材料選擇

選擇導(dǎo)體材料時應(yīng)考慮導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性、在土壤中的腐蝕速度、導(dǎo)電性、材料成本及來源等。目前世界上普遍采用的接地材料是銅和鋼兩種。

（1）熱穩(wěn)定性

在大接地短路電流系統(tǒng)中，入地故障電流一般在幾千安到幾十千安，將在導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的熱量，入地故障電流持續(xù)時間取決于系統(tǒng)主保護動作時間和斷路器的分閘時間，在極短時間內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量來不及向周圍土壤擴散，幾乎全部熱量都用來使導(dǎo)體溫度升高。當(dāng)溫度超過一定值及經(jīng)土壤自然冷卻后，導(dǎo)體的機械強度會劇烈下降，特別是在導(dǎo)體之間的連接處遇到短路電流電動力的作用，導(dǎo)體就會遭到破壞。同時，導(dǎo)體溫度升高，達到金屬材料的熔點時，導(dǎo)體將會熔化。這兩種原因都會使接地引線和地網(wǎng)導(dǎo)體斷裂接地，地網(wǎng)失去作用而使系統(tǒng)故障擴大，造成巨大經(jīng)濟損失。每種導(dǎo)體材料都有一短時最高允許溫度和熔點。鋼的熱穩(wěn)定性比銅好。

（2）土壤對金屬導(dǎo)體的腐蝕性

土壤對導(dǎo)體的腐蝕程度可以用腐蝕速度來表示。導(dǎo)體的平均腐蝕速度可以用導(dǎo)體單位時間內(nèi)單位面積上所失去的重量來表示，如g/cm2·a；又可以用單位時間內(nèi)金屬表面的腐蝕深度來表示，如mm/a。通常用腐蝕深度表示更確切。建議在進行土壤電阻率測量的同時，還應(yīng)當(dāng)測量站區(qū)內(nèi)土壤對銅或鋼的腐蝕速度，為導(dǎo)體材料和截面的選擇提供可靠的數(shù)據(jù)。

（3）導(dǎo)體的導(dǎo)電性

在大型地網(wǎng)中，當(dāng)強大的入地故障電流經(jīng)地網(wǎng)流散時，因?qū)w電阻的存在，會造成地網(wǎng)導(dǎo)體上各部分的電位不相等。地網(wǎng)尺寸越小，土壤電阻率越高；導(dǎo)體導(dǎo)電性越差，各部分的電位差也越大。

（4）材料的成本和來源

鋼的成本比銅低得多，且礦藏量也比銅多。銅和鋼的地網(wǎng)各有優(yōu)缺點，鋼的熱穩(wěn)定性比銅好，且經(jīng)濟。銅的導(dǎo)電性和耐腐蝕性比鋼強，鍍鋅鋼的耐腐蝕性又比不鍍鋅鋼好。若采用一些防腐蝕措施還能進一步提高耐腐蝕性。一般電氣設(shè)備的外殼都是鋼鐵的，地網(wǎng)附近還可能有其他的金屬管道，若地網(wǎng)導(dǎo)體采用銅，將會和與之相近的其他金屬材料構(gòu)成原電池，反而加速鋼鐵構(gòu)件的腐蝕。因此，我國選用鍍鋅鋼作為接地材料是比較合適的。

2.導(dǎo)體截面積的選擇

導(dǎo)體截面的選擇一般可根據(jù)熱穩(wěn)定性要求來確定導(dǎo)體的最小截面，然后根據(jù)對地網(wǎng)運行壽命的要求以及實測得到的土壤對地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕速度計算得到導(dǎo)體截面積，將兩者進行比較取大者，再考慮一定的裕度，最后確定應(yīng)該選擇的導(dǎo)體截面積。

（四）設(shè)計地網(wǎng)布置方式

在過去的設(shè)計中，水平地網(wǎng)的均壓導(dǎo)體一般按等間距布置。由于端部效應(yīng)和臨近效應(yīng)，各均壓導(dǎo)體流散電流很不均壓，中部導(dǎo)體流散電流很小，而在邊角處導(dǎo)體的流散電流急劇增加，使得地網(wǎng)內(nèi)部的地表面電位分布很不均勻，造成地網(wǎng)邊角處的接觸電勢比中心的接觸電勢大得多，這在技術(shù)和經(jīng)濟上都是不合理的。改進的方法是采用不等間距布置均壓導(dǎo)體。

不等間距水平接地網(wǎng)的設(shè)計：

當(dāng)總的均壓帶根數(shù)小于18根時，長孔的接觸電勢小于方孔的接觸電勢，宜采用長孔接地網(wǎng)；反之，宜采用方孔接地網(wǎng)。另外，采用不等間距布置時，還應(yīng)看一次設(shè)備的分布情況，考慮是否有利于設(shè)備接地。

假設(shè)地網(wǎng)長方向上導(dǎo)體分段數(shù)為k1，寬方向上導(dǎo)體分段數(shù)為k2，則各分段導(dǎo)體的長度按下式計算：

式中，b1，b2，b3是常數(shù)，其確定方法如下：

當(dāng)

當(dāng)

研究表明，在大中型地網(wǎng)周邊埋設(shè)2～3m或遠小于地網(wǎng)等值半徑的垂直接地體對降低整個接地裝置的接地電阻效果不大，所以在地網(wǎng)的周邊一般不敷設(shè)垂直接地體。但如果土壤上層電阻率遠比下層電阻率高，或者地網(wǎng)處于容易干燥或冰凍的土壤地區(qū)，可以在地網(wǎng)周邊埋設(shè)若干垂直接地體，并與水平接地網(wǎng)相連。垂直接地體的長度在10～50m范圍內(nèi)，它們之間的距離以大于相鄰兩垂直接地體的總長度為宜。此外，還應(yīng)重視各種自然接地體的利用。

（五）地網(wǎng)參數(shù)計算

1.我國規(guī)程推薦以水平接地網(wǎng)為主，且邊緣閉合的復(fù)合接地體（僅適用于方形及長寬比≤8的矩形地網(wǎng)）的接地電阻按下式計算：

Rn——任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻(Ω)；

Re——等值(等面積、等水平接地極總長度)方形接地網(wǎng)的接地電阻(Ω)；

?籽——土壤電阻率(Ω·m)；

S——接地網(wǎng)總面積(m2)；

d——水平接地極的直徑或等效直徑(m)；

h——水平接地極的埋深(m)；

L0——水平接地體的外緣邊線總長度(m)；

Ls——水平接地體的總長度(m)。

但隨著電氣設(shè)備的小型化和城市變電站征地的困難，變電站可占用的面積越來越小，單靠水平接地網(wǎng)達到要求的接地電阻值比較困難，且限于環(huán)境很難施行引外接地以降低接地電阻。因此，設(shè)置加長垂直接地極以降低接地電阻、接地電位、接觸電位差和跨步電位差。

2.帶有較多、較長垂直接地極的復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻按下式計算：

Rnc——任意形狀邊緣閉合復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻(Ω)；

Rec——等值(等面積、等水平接地極總長度)方形復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻(Ω)；

L——接地極的總長度(m)，L=Ls+Ls；

Ls——水平接地極的總長度(m)；

Ls——垂直接地極的總長度(m)；

k——Ls對L的比值， k=；

l——單根垂直接地極的平均長度(m)。

與矩量法和邊界元法比較，誤差在10％內(nèi)。

3.地網(wǎng)的電位升

接地網(wǎng)的電位升為：E=IR

I——流經(jīng)地網(wǎng)的最大接地短路電流，R——接地網(wǎng)的接地電阻。

（六）接地參數(shù)測量

在選定了變電站或發(fā)電廠的廠址后，為了正確合理地設(shè)計接地裝置，需要知道變電站、發(fā)電廠的土壤電阻率，根據(jù)測定的土壤電阻率設(shè)計地網(wǎng)，在施工完成投入運行前，要測量接地電阻、接觸電壓和跨步電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，或者在設(shè)計值范圍內(nèi)，在滿足要求后才能投入運行。

四極法測量土壤電阻率：

如圖1所示，將四根電極在一條直線上按等間距a打入地下，為了使打入的電極不影響地中電流的分布，電極打入地下的深度。P1，P2之間的電位差為：

土壤電阻率為：

二、土壤電阻率測量值的處理

一般采取短間距a值測量，大量現(xiàn)場測量的a值從幾米到幾十米，由此可以得到一系列的?籽a值。理論上可以直接用測得的視電阻率計算接地電阻和地表電位，但計算比較復(fù)雜。工程實際中，只用一個等值電阻率進行計算。目前等值處理方法很多，有人提出將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地下土壤用兩層模型來描述及根據(jù)電流場理論推出視電阻率和上、下層土壤電阻率、上層土壤厚度、測量間距的關(guān)系公式，然后根據(jù)關(guān)系式在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上作出量板圖。實際工程中，將測量的視電阻率曲線和量板曲線比較分析可得到上、下層土壤電阻率及上層厚度等，再經(jīng)分析計算得到等值電阻率等。

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