关于变电站接地网设计及问题探讨

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【摘 要】变电站接地网是一项系统工程，随着电力系统的飞速发展，系统容量不断增大，变电站接地网面积逐渐减少，变电站接地网的设计变得越来越困难。本文从土壤电阻率的测量、接地电阻规定的执行、接触电位差、跨步电位差和接地电位允许值的计算、高土壤电阻率变电站的降阻措施及应注意的问题和工程实践等方面论述了变电站接地网的设计，得出因地制宜是接地工程的重要措施；只有对变电站的地质、地形、周围环境等各方面综合考虑，选择合适的降阻方案才能有效解决问题，以达到效果明显且节约投资的目的，设计一个“资源节约型、环境友好型” [1]的安全接地网，保证变电站内人身和设备的安全。

【关键词】电力系统，接地设计，接地电阻，降阻措施，工程实例

1 引言

变电站接地问题是一个看似简单、而实际上是非常复杂又至关重要的问题。一方面，随着电力系统的飞速发展，电网规划不断扩大，系统容量不断增大，接地短路电流越来越大，对接地要求越来越高；另一方面，变电站用地日益紧张，大部分站址仅能选择在高土壤电阻率地区，且用地面积受到限制，造成变电站在接地设计方面的突出问题是接地面积小、土壤电阻率高和无可敷设外接地等。因此在设计变电站接地网时需要根据现场情况采取多种措施（包括近些年研究的新成果和南方电网绿色接地网的要求[1]）才能使接地电阻满足规程要求。

2 接地工程设计中的几个问题

2.1 土壤电阻率ρ值的测量

土壤电阻率ρ值是接地设计和计算的重要依据，由于土地的分布千差万别，大多数情况下土壤都是不均匀的，表现在实际的土壤电阻率沿水平和垂直方向不均匀分布，并且无任何规律可言，通过地质勘探资料的各种土质和地下水位来估算土壤电阻率ρ值往往与实际出入很大。实测土壤电阻率需要各个方向都要测，以测出在不同水平方向上土壤电阻率的不同分布，以此找出土壤电阻率ρ值最低的方向，并在设计中优先考虑沿此方向延伸地极。实测土壤电阻率时还要测出不同深度的土壤电阻率，测量时采用“四点法”[2]。在测量时，一定要注意避开地下可能有的金属部件或管道，对于新建的变电站可在变电站接地装置布置点进行测量；对于旧站改造，可在旁边类似的土质地方测试，否则如果在原地网上面测试，因下方有接地体的影响而使结果偏小，导致接地设计产生很大的误差。

2.2变电站接地电阻规定的执行

（1）根据文献[3]中对于有效接地和低电阻接地系统中变电站电气装置保护接地的接地电阻要求，一般情况下应符合下式要求：

Rd≤2000V/I （1）

式中：Rd―考虑季节变化的最大接地电阻，Ω；

I―为计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。

（2）当接地装置的接地电阻不符合（1）式要求时，可通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5Ω且应符合文献[3]中6.2.2的要求，特别应采取隔离、均压等措施。

实际工作中，部分技术人员对110kV及以下电压等级变电站的接地电阻的取值，采取两种截然不同的态度：一种是不管流过接地装置入地电流的大小，一律坚持要求接地电阻必须0.5Ω以下，这实际上受已作废的SDJ18《电气设备接地技术规程》某些条文的影响，这是不科学的。对土壤电阻率较高，降阻困难的地区，入地短路电流较小的变电站坚持要求接地电阻0.5Ω以下会造成较大的无谓投入。另一种是只要接地电阻控制在0.5Ω以下，就什么都不用管了，这还是受SDJ18《电气设备接地技术规程》的影响，这也是不正确的。接地电阻的大小主要以接地装置流过接地短路电流入地时，接地装置的电位不超过2000V为准，否则接地电阻多大，都需要按规定核算接触电势、跨步电压等指标，并应采取相应的措施。事实上，低接地电阻的接地网可能是危险地接地网，而通过合理的设计，较高接地电阻的接地网可是安全的接地网。因此，通过合理的设计，使变电站有一个低的足够安全的接触电位差、跨步电位差、低电位是我们设计安全接地网的最终目标。

对于计算用的流经接地装置的入地短路电流I，直接关系接地电阻、接地线的热稳定、设备接触电压和跨步电压的计算等，因此如何正确计算接地装置的入地短路电流非常重要。计算接地装置的入地短路电流应采用在接地装置内、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，该电流应按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的短路电流分配，以及避雷线中分走的接地短路电流。

计算时首先应按系统最大运行方式时的短路电抗计算出设计水平年电网在非对称故障情况下最大短路电流Imax（一般当零序阻抗大于正序阻抗或负序阻抗时，单相接地故障电流较严重；反之，两相接地故障电流情况较严重），然后根据文献[4]中的公式分别计算变电站内、外接地短路时，流经接地装置的电流：

I=（Imax-Iz）（1-kf1） （2）

I= Iz （1-kf2） （3）

上式中：I―为计算用的流经接地装置的入地短路电流，A；

Iz―发生最大接地短路电流时，流经变电站接地中性点的最大短路电流，A；

kf1 、kf2―分别是变电站内、外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用的入地短路电流取两式中较大的I值，实际上，接地故障电流一侧，并不一定入地电流最大。

在实际工作中，部分技术管理人员直接把接地短路电流作为入地电流，不考虑架空地线的分流和变压器中性点的分流，造成了对接地电阻盲目的高要求，为此造成巨大浪费。

2.3 接触电位差、跨步电位差和接地电位允许值的计算

（1）系统发生单相接地或由两相短路导致的同点接地时，接地装置的接触电位差和跨步电位差应由文献[5]中的公式计算所得：

Ut=（174+0.17ρsCs）/√ts （4）

Us=（174+0.7ρs Cs）/√ts （5）

上式中：Ut―接触电位差，V；

Us―跨步电位差，V；

ρsf―人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω・m；

ts―接地短路（故障）电流的持续时间，s。

Cs―表层衰减系数，按文献[5]附录C的规定确定

（2）考虑短路电流非周期分量的影响，文献[6]指出，根据氧化锌避雷器在暂态过电压下不动作来确定最大的地电位允许值Ugmax，即根据在发生短路故障时避雷器工频电压耐受能力确定地电位允许值，对110kV变电站，宜以10kV氧化锌避雷器暂态过电压来确定最大允许的地电位。

如HY5WZ-17/45氧化锌避雷器1s工频耐受电压峰值为：

1.15×17×√2=27.65kV

允许的地电位为：

Ugmax=27.65/2.55=10.8kV

根据变电站的最大入地短路电流Imax和最大地电位允许值Ugmax来确定允许的最大接地电阻为：

Rmax= Ugmax/Imax

根据变电站所在的土壤电阻率及地形条件等，通过技术经济比较设计一个满足接触电压和跨步电压的接地网，其电阻值Rd≤Rmax[6]。

3 常用的降阻措施及应注意的问题

接地网设计时，土壤电阻率较低地区的变电站接地网是由水平接地体和垂直接地极组合而成，外形尽可能采用闭合环形。其中水平接地体通常采用热镀锌圆钢或扁钢，布置成不等间距的长形或方形网格，深埋0.6～0.8m ；垂直接地极通常采用热镀锌角钢、钢管或槽钢，其长度和数量根据具体工程计算确定。水平接地体与垂直接地极之间采用双面焊接，搭接处的长度不小于扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。但对于土壤电阻率高的地区，上述方法则不能满足接地要求，因此需要采取措施来降低接地电阻，常用的降阻措施及应注意的问题如下：

3.1 利用自然接地体降阻

在接地体工程中，由于钢筋和金属结构物分布广而密集，能很好地起到均衡电位的作用，因此充分利用混凝土结构物中的钢筋、金属结构物以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻、节约钢材的有效措施[5]。

在变电站可利用的自然接地体有：

（1）变电站主控楼及高压配电室混凝土基础；

（2）各类设备混凝土基础；

（3）架空输电线路的“电线-杆塔”地系统；

（4）埋于地下的金属水管和有金属外皮的电缆。

对于因地质要求需要增加桩基础的，可将桩基内的钢筋引出或附加钢筋接地，这相当于做了接地深井。

在利用这些自然接地体时，要事先做好规划。由于接地通常属于电气一次部分，图纸较土建施工图出得迟，因此电气专业要事先向土建专业了解基础结构，看看有什么自然接地体可以利用，然后在向土建移交资料时增加自然接地体引出的要求，土建施工图中要按电气要求做好引出线，同时对钢筋混凝土内钢筋焊接提出要求，在施工中应严格按要求进行连接。为了充分利用人工接地体的降阻作用，应尽量避免人工接地体对自然接地的屏蔽作用。

3.2 扩大变电站接地网面积降阻

由文献[7]中公式Rd=0.5ρ/√A（A为接地面积）可知，接地网接地电阻的大小，主要取决于接地网的面积，如果接地电阻率ρ值过高，要把接地电阻降到规程要求以下，接地网面积可能要达到几万平方米，要建这么大的接地网是不可能的。但如果变电站周围有电阻率为500Ω・m以下的土壤区域或距变电站2000m以内有更低土壤电阻率区（水田、水塘等）时，可以考虑在这些低电阻率区域扩网与站内地网连接，这是降阻常用的措施之一。

在接地网布置设计时，应充分利用变电站的全部可利用面积。但是扩大变电站接地网面积的方法只能因地制宜，采用这种方案损耗的钢材量很大，而且还受变电站所处位置的制约。比如有些老站附近已经建成了很多建筑物，改方案实施会比较困难；一些在山区的变电站可能受地形限制无法有效扩大其接地网面积；还有一些建在市区内的变电站也难以找到合适的地方来扩大接地网面积等。

3.3 引外接地

根据以往工程经验，引外接地是比较有效地降阻方法，但此法适用于附近有水源、河流或较低土壤率的地区，且辅助网与主网的距离不能太远，接地体要深埋，其埋深度要达到1.2～1.5m以下，要做好安全保护措施，防止因跨步电位差引起触电事故的发生。该方法投资相对较高，日后存在辅助网及引至站内主网的金属连接体遭受破坏的可能性，所以应充分分析变电站周围和辅助网所在地方的发展情况后才能确定是否采用。

3.4 深井式

当地下较深处有土壤电阻率较低的地质结构时，可采用井式或深钻式接地极把平面地网做成立体接地网，利用下层低电阻率的地层来降阻。根据地质结构又可分为以下两种：

当土壤为均匀土壤，上下层的土壤电阻率ρ值变化不大，但地面由于受面积或地形的限制无法外延，只有向下发展时，可采用深井压力灌降阻剂的方法建成立体接地网。

当土壤为不均匀土壤，土壤在垂直地面的方向上分层，但下层土壤的电阻率远远小于上层土壤电阻率时，一般为地下有各类金属矿藏、石墨、煤等的土壤。这时可把深井打到下层土壤内，充分利用下层较低电阻率的地质层来降阻。此外，为了充分利用下层较低电阻率的地质层来降阻，应多布置一些垂直接地极，并且接地极深入下层土壤的深度要大一些，但井深接地极也有互相屏蔽的问题，布置时要尽量减少屏蔽。

3.5 使用降阻剂

降阻剂具有导电性能良好的强电解质和水分，这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水分解的胶体所填充，使它不至于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电作用。但选用时，应选用降阻效果好、性能稳定、使用周期长和无腐蚀性的“绿色”[1]降阻剂。

3.6 电解地极

电解地极每组电极由三节长1m、直径为63mm的铜管组成，铜管内填充无毒化合物晶体，铜管埋于地下，不会对环境造成任何污染。铜管内的晶体吸收土壤中的水分后就被变成电解溶液，溶液在接地极周围专用回填土的吸收作用下，均匀流入周围土壤中，在土壤中形成电导率较好的电解离子土壤；特别是在沙土、岩石等地质结构的地下，电解溶液可向砂质粘土的纵深方向和岩石表面的四周渗透，使原来导电率极差的砂岩地质结构形成一个良好的导电通道，从而可以大范围的降低土壤电阻率。由于电解地极接地系统大多是向垂直方向伸展，因此可以满足地形严重局限类变电站的需要。

4 工程实例

4.1 工程实例一

富宁县110kV皈朝变电站，位于富宁县规划的工业园区，是一座中心变电站，场址地内基岩埋藏较浅，测区的主要分布为恢岩，测区及山区盆地缓坡地带分布残坡积层，岩性均为暗褐色黏土、亚黏土，厚度3～7m，土壤电阻率为744Ω・m。采用以水平接地体为主，加垂直接地体选用∠50×5×2500热镀锌角钢，接地面积为110×100=11000m2。实测接地网接地电阻为3.7Ω，根据现场实际情况，设计时，我们采用了引外接地、深井接地和电解地极三个方案进行了比较。

引外接地方案：采用外接地后，要使整个接地网的接地电阻降低到规程要求，经计算还需向外引辅助接地网的面积不能小于540000 m2，即向变电站四周每边延长740m。由于变电站周围均是工业基地，需要再增加那么大的接地面积是不切实际的，所以此方案靠引外接地网是行不通的。

深井接地方案：采用深井接地，要使接地电阻降到规程要求，经计算确定深井的深度为240米。根据本站情况，其深层土壤的电阻率高于表面土壤的电阻率，这时不宜采用深井接地，况且打深井施工，难度比较大，费用比较高，所以打深井不适合该变电站。

电解地极方案：变电站自基础地网预留接地端分别引出外接地线，分别向不同方向外引外延接地线路径上，均匀焊接电解地极。全站共埋设26套电解地极，电解地极深埋：挖不小于0.8m深的地沟，打开包装后，先取出地极并将呼吸孔的封撕开，然后将电解地极放在已挖好的沟里，电解地极上预留的接头与水平接地体连接，上紧螺杆，接好后在埋电解地极处导入地衣用回填料，将电解地极均匀覆盖，然后再用普通土回填，回填土夯实即可。新增接地网的预留接地端与变电站的基础地网连接良好，使其接地网有良好的电位均衡。采用电解地极作为降阻方案后，实测接地电阻为0.42Ω，满足规程要求，且该方案施工方便、简单、工期短。

对上述三个方案的比较：外引接地网方案虽然投资少，但由于站址附近均为工业园区，引外接地非常困难，而且存在将站内高电位外引的危险，会给以后的生产运行留下安全隐患；深井接地方案在理论上可以将接地电阻降到规程要求，但在本站的地质情况下很难达到此目的；电解地极方案从施工方便和以后运行的安全，且降阻效果好，能达到设计目标电阻值，保证生产运行安全。

4.2 工程实例二

西畴县110kV西洒变电站，处于西畴县城郊的一座石山上，地层主要由表面砂石粘性土组成，层厚为0.15～0.60m，地表保水性较差，地表以下为砾质粘性土组成。土壤电阻率为1600Ω・m。设计时采用以水平接地体为主，加垂直接地极的符合接地网，水平接地体选用-50mm×5m热镀锌扁钢，垂直接地体选用∠50×5×2500热镀锌角钢，接地面积为100×70=7000m2。实测接地网接地电阻为4.5Ω，根据现场实际情况，我们用引外高分子浓缩阻剂、深井接地和电解地极三个方案配合使用。

具体实施方法为：在变电站周围挖长1.8m×宽400mm×深600mm的沟，打了10个Φ200mm×20m的深井，30个Φ500mm×3m的坑，在接地深井内埋设Φ50×5mm×19m热镀锌钢管做垂直接地体，垂直接地体深埋0.8m。在沟内和接地深井内置入3000kg优质稀土物理长效降阻剂。同时，使用40套电解地极，并用-50mm×5m热镀锌扁钢做接地连接导体，将垂直接地体与常规敷设的接地网水平连接体焊接，并在焊接部位做防腐处理。最终使该变电站的电阻降低至0.38Ω，达到规程要求。

5 结束语

对多年接地工程设计的经验总结，变电站接地网的设计及降阻方法很多，而在实际工程中应根据变电站的规模和站址所处的地质、地形、周围环境条件等情况综合考虑，选取效果较好、经济合理且安全可靠的降阻措施，设计一个“资源节约型、环境友好型” [1]的安全接地网，保证变电站内人身和设备的安全。

参考文献

[1]《南方电网3C绿色电网输变电技术导则（试行）》.

[2] GB/T17949.1-2000 《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》.

[3] DL/T621-1997 《交流电气装置的接地》.

[4]《接地交流技术（2010.3.10）》.

[5]GB50065-2011 《交流电气装置的接地设计规范》.

[6] DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》.

[7]《电力工程电气设计手册（电气一次）》.