10变电站接地设计详解

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1、变电站接地设计（补充）变电站接地网是变电站设备的重要部分，首先它为变电站内各种 电气设备提供公共参考地，更重要的，在系统发生接地故障时起到快 速泄放故障电流，改善地网金属导体和场区地表地电位分布的作用， 保障故障状态下一、二次设备和人员安全。实际工程中， 一般是统一 敷设一接地网，称主接地网，而在避雷针和避雷器附近下面， 再加 设一组集中的防雷接地体，加强泄放雷电流之用，从而构成发电厂、 变电站完整的接地装置。表征变电站地网的主要电气参数有：接地电 阻、接触电势、跨步电势、接地电位升和转移电势 。一、地网设计的步骤和方法（一）调查土壤特性土壤电阻率是决定地网参数的重要参数 。在发电厂、变电站选

2、址后， 用物探法和电探法测量土壤电阻率的分布情况，并重视站区土壤电阻 率随季节的变化情况，然后经过对实测数据的分析处理获得设计时所 需要的土壤电阻率。除此之外还应调查站区土壤对普通钢、镀锌钢等 金属材料的腐蚀情况，为地网设计选择正确的金属材料和截面提供依 据。（二）入地故障电流的计算在接地网设计中首先按下面两式算出流经接地装置的入地短路电流 I值，然后取下面两式中较大的I值。当短路故障发生在地网内时， 在流经接地点的短路电流I max中，由电站提供的那部分电流（I n） 可以通过接地线直接流回电源中性点，不会在地网接地电阻上形成压降。由于避雷线的存在，由系统提供的短路电流(I max-I n

3、)中 的一部分可以经避雷线及杆塔的接地电阻回路返回系统，不会在电站的接地电阻上形成压降。因此，经地网入地而造成地网电位升高的短 路电流只有：当短路故障发生在地网外时，显然此时流经大地经地网返回的短路电流将由电站本身提供。同样，由于避雷线的存在，在短路电流的I n分量中将有一部分以避雷线为回路直接返回电源中 性点，此时经地网返回的电流为：接地短路点的最大接地短路电流;I max流经变电站接地中性点的最大接地短路电流;为短路时，与变电所接地网相连的所有避雷线的分流出线为1路系数。据专家分析，Ke应由避雷线的出线回路数确定， 时，取0.15;2路时取0.28 ； 3路时取0.38 ； 4路时取0.4

4、7 ； 5路以上时取0.50.58，且应根据出线所跨走廊的分流效果做出相应 的增减。Ke2 所外接地时，避雷线向两侧的分流系数，一般取 0.18，这仅适于变电所内有变压器中性点接地的所外接地(三) 地网导体材料及截面的选择1. 导体材料选择选择导体材料时应考虑导体的热稳定性、在土壤中的腐蚀速度、导电性、材料成本及来源等。目前世界上普遍采用的接地材料是铜和钢两 种。(1) 热稳定性在大接地短路电流系统中，入地故障电流一般在几千安到几十千安， 将在导体中产生很高的热量，入地故障电流持续时间取决于系统主保 护动作时间和断路器的分闸时间，在极短时间内导体产生的热量来不 及向周围土壤扩散，几乎全部热量都

5、用来使导体温度升高。当温度超 过一定值及经土壤自然冷却后， 导体的机械强度会剧烈下降，特别是 在导体之间的连接处遇到短路电流电动力的作用，导体就会遭到破坏。 同时，导体温度升高，达到金属材料的熔点时，导体将会熔化。这两种原因都会使接地引线和地网导体断裂接地， 地网失去作用而使系 统故障扩大，造成巨大经济损失。每种导体材料都有一短时最高允许 温度和熔点。钢的热稳定性比铜好。(2) 土壤对金属导体的腐蚀性土壤对导体的腐蚀程度可以用腐蚀速度来表示。导体的平均腐蚀速 度可以用导体单位时间内单位面积上所失去的重量来表示，如 g/cm2a ;又可以用单位时间内金属表面的腐蚀深度来表示，如mm/a。通常用腐

6、蚀深度表示更确切建议在进行土壤电阻率测量的 同时，还应当测量站区内土壤对铜或钢的腐蚀速度为导体材料和截面 的选择提供可靠的数据。(3 )导体的导电性在大型地网中，当强大的入地故障电流经地网流散时，因导体电阻的存在，会造成地网导体上各部分的电位不相等。地网尺寸越小，土壤电阻率越高；导体导电性越差，各部分的电位差也越大。（4）材料的成本和来源钢的成本比铜低得多，且矿藏量也比铜多。铜和钢的地网各有优缺点， 钢的热稳定性比铜好，且经济。铜的导电性和耐腐蚀性比钢强，镀锌钢的耐腐蚀性又比不镀锌钢好。一般电气设备的外壳都是钢铁的， 地网附近还可能有其他的金属管道，若地网导体采用铜，将会和与之 相近的其他金属

7、材料构成原电池，反而加速钢铁构件的腐蚀。目前，国内变电站设计寿命一般为2530年（但常会通过不断改造和升级 使其延续到30年以上），接地材料主要有镀锌钢、镀铜钢和铜材。关于镀锌扁钢接地体的寿命，国内还未见有大规模的调查硏究报告， 但美国有。 美国国家标准局开挖硏究全美128个接地系统中的333 个不同类型接地极（包括镀锌钢，镀铜钢棒等），调查了 36500个 样本后，得出结论：镀锌钢可用于设计10年寿命的接地系统，镀铜 钢棒可用于设计40年寿命的接地系统。在30年中，铜层平均腐蚀厚 度为0.17mm。基于上述调查硏究，美国UL467标准规定镀层厚度 要求为0.25mm ,如此，寿命大约为44年

8、超过了 40年寿命。因此， 我国选用镀铜钢作为接地材料是比较合适的。2. 导体截面积的选择导体截面的选择一般可根据热稳定性要求来确定导体的最小截面，然后根据对地网运行寿命的要求以及实测得到的土壤对地网导体的腐蚀 速度计算得到导体截面积，将两者进行比较取大者，再考虑一定的裕 度，最后确定应该选择的导体截面积。（四）设计地网布置方式在过去的设计中，水平地网的均压导体一般按等间距布置。由于端 部效应和临近效应，各均压导体流散电流很不均压，中部导体流散 电流很小，而在边角处导体的流散电流急剧增加，使得地网内部的地 表面电位分布很不均匀，造成地网边角处的接触电势比中心的接触电 势大得多，这在技术和经济上

9、都是不合理的。改进的方法是采用不 等间距布置均压导体。不等间距水平接地网的设计：当总的均压带根 数小于18根时，长孔的接触电势小于方孔的接触电势，宜采用长孔 接地网；反之，宜采用方孔接地网。另外，采用不等间距布置时，还应看一次设备的分布情况，考虑是否有利于设备接地。在大中型 地网周边埋设23m或远小于地网等值半径的垂直接地体对降 低整个接地装置的接地电阻效果不大，所以在地网的周边一般不敷设 垂直接地体。但如果土壤上层电阻率远比下层电阻率高，或者地网处于容易干燥或冰冻的土壤地区，可以在地网周边埋设若干垂直接地 体，并与水平接地网相连。垂直接地体的长度在1050m范围内， 它们之间的距离以大于相邻

10、两垂直接地体的总长度为宜。此外，还应 重视各种自然接地体的利用。二、地网的接地电阻和接地形式中华人民共和国电力行业标准DL/T621交流电气装置的接地 第 6条的相关要求可简化如下：发电厂、变电所电气装置的接地装置， 除利用自然接地极外，应敷设以水平接地极为主的人工接地网。人工 接地网的外缘应闭合， 外缘各角应做成圆弧形， 圆弧的半径不宜小 于均压带间距的一半。 接地网内应敷设水平均压带。 接地网的埋设 深度不宜小于0.6m。对于有效接地和低电阻接地系统中发电厂、 变 电所电气装置保护接地，一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式：式中R考虑到季节变化的最大接地电阻（Q ）；I 计算用的流经接

11、地装置的入地短路电流（A）。如果满足不了上式要求，则可通过技术经济比较增大接地电阻，但 不得大于5Q,并且应满足如下要求:1 ）为防止转移电位引起的危害，对可能将接地网的高电位引向厂、 所外或将低电位引向厂、 所内的设施，应采取隔离措施。例如，对 外的通信设备加隔离变压器；向厂、所外供电的低压线路采用架空线，其电源中性点不在厂、所内接地，改在厂、所外适当的地方接 地；通向厂、所外的管道采用绝缘段，铁路轨道分别在两处加绝缘 鱼尾板等。2 ）考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电 厂、变电所内的310kV阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋 予的能量。3 ）设计接地网时，应验算接触

12、电位差和跨步电位差。中华人民共和国国家标准 GB/T50065交流电气装置的接地设计规范也有类似上述要求。但在实际操作中，对110kV及以上等级者 往往还需满足接地电阻值不大于 0.5 Q的要求。1、常规地网变电所一般采用网格式地网，论形式又分为长孔地网和方孔地网，方孔地网耗材多，但均压特性、冲击特性更优，目前普遍采用方孔地网。很多时候，直接在变电所内铺设水平接地网便可达到接地电阻值 要求，通常称之为常规地网。常规水平地网接地电阻计算式之前已 有介绍，一般推荐为R 二 0 5 2上式计算结果比同等面积的圆盘公式计算结果高 12.8%, 一般较实际水平地网接地电阻值也偏高， 但误差显然低于12.

13、8%,为当前计算变电所等大型地网最常用的公式。 对一座变电站，如果变电所内 面积为100mx100m , 土壤电阻率大致为80Qm，那么可以大致 估算，在站内铺满水平地网(一个单元格面积为10mx10m )其接 地电阻为7? - ( 0. 5 x 80)(1 二 0. 4Q/100 x 100I渝皐工忌如果该接地电阻值满足要求，则无需再进一步扩展地网，但还得计 算跨步电压、接触电压，使其满足要求方可。2、长垂直接地极如果常规地网不能将接地电阻降至目标值，又不能进一步扩网，则需考虑长垂直接地极（深井接地）或者其他措施。 一般地，在电 阻率上高、下低的情况下，应考虑深井接地，否则很容易导致巨大的

14、浪费。对电阻率上高下低的情况，通过布置长垂直接地极， 常会得到意想不到的效果。3、无开挖深埋辐射形接地极接地技术如电阻率上低下高，则不宜深井接地（布置长垂直接地极）， 对不能进一步水平扩网的情况，以往多布置斜井（接地棒斜着布置），一 方面，可以少受水平地网屏蔽，另一方面，可以更多地利用浅层低电 阻率区，从而达到更好的降阻效果。不过， 这里推荐比斜井更具优势 的无开挖深埋辐射形接地技术。大体来说，就是在变电站地网边缘往 外打斜井，通过无开挖导航设备来实现，达到一定深度（如15m深 的低电阻率含水层）后，沿水平方向往外钻井，至足够长位置后再斜 着向上钻出地面，并在相应位置放置接地极，由设备钻头将接

15、地极顺斜井往回拉，最后将接地极与站内地网做有效连接。深埋接地体可 避免高额的征地费用，并且还能有效降低或消除跨步电压导致的人身 安全威胁。如此，可将站内常规水平地网的均压优势和站外辐射形 接地极的高效降阻优势结合在一起，成功解决新形势下的变电站接地 难题，如下图所示。中间为站内常规水平地网， 主要起均压作用，周围为无开挖深埋辐 射形水平接地极，主要起降阻作用。4、当前变电站接地的几点重要缺陷和隐患随着电力系统容量的不断增加，流经地网的入地短路电流也越来 越大，对变电站地网要求也越来越高，可目前的前期勘测、测量验收、 施工、材料选择匹配并没有跟上来，常导致严重的经济损失和安全隐 患。1）详实的勘测工作非常重要，否则，很容易将接地体布置成导电性 差的高阻区，导致惊人的高额损失。2 ）当下不少单位只考虑降阻，不考虑防腐，从而导致每个变电站高达数十万的经济损失，这些原本是可以通过选择合适的材料避免的。3 ）虽然少数单位开始重视防腐、 考虑长远效益，采用昂贵的铜材 作为接地体，可却忽视了与之相匹配的放热焊接技术， 仍旧采用传统 低效的钎焊技术，导致近2%的昂贵的纯铜被浪费。4 ) 一些变电站采取深埋辐射接地体降阻，测量时却未将其计入最大对角线中，致使测量值普遍低于真实值，导致重大安全隐患。5)一些变电站忽视了外扩地网的跨步电压