淺談大型接地系統的設計和分析

黃歡，羅洪，曾華榮，劉華麟，杜昊，邢懿（貴州電力試驗研究院，貴陽550002）

淺談大型接地系統的設計和分析

黃歡，羅洪，曾華榮，劉華麟，杜昊，邢懿
（貴州電力試驗研究院，貴陽550002）

隨著發變電站裝機容量和占地面積的增加，接地系統的規模和復雜度也不斷提高，這為接地系統的設計和分析帶來了新的挑戰。為了更好地進行大型接地系統設計和分析，首先介紹了基本的設計流程，重點介紹了進行大型接地系統設計分析與常規接地系統相比需考慮的新問題。分析結果表明，與常規的接地系統設計分析相比，在進行大型接地系統設計時除了要考慮土壤結構、接地系統形狀等常規因素外，還需要考慮計算方法、接地系統內部環流、短路電流入地點和導體材料等方面的影響，否則會對計算結果帶來顯著的誤差，容易造成安全隱患。

大型接地系統；短路故障；環流；土壤結構

接地網是保證發變電站安全運行不可缺少的組成部分，其性能好壞直接影響到站內工作人員和公眾的安全[1-4]。隨著社會發展的需要，國內500 kV、1 000 kV變電站數目不斷增加，已有的發變電站也在不斷地進行改造和擴建，使得接地系統的占地規模和復雜度也顯著提高。

在進行接地系統設計時，前些年多按照各種標準和設計經驗進行常規設計[2-5]。近年來隨著認識的提高，對接地系統有了更高的要求，衡量接地系統性能的指標也趨向合理，評價指標包括了接地電阻、接觸/跨步電壓和接地導體電位升GPR（ground potentialrise）等[3-4]。但是對于占地面積巨大、結構復雜的大型接地系統，使用常規的設計方法能否滿足要求，以及如何結合現場條件更準確地評價其安全性帶來了新的挑戰。

為了解決此問題，本文從大型接地系統的安全性綜合評價角度出發，首先介紹了進行大型接地系統設計和分析的基本流程。隨后，對隨著接地系統面積和復雜度增大出現的新問題進行了定量的對比性分析，其主要因素包括計算方法、接地系統內部的環流、短路電流入地點的選取和導體材料等。最后給出了相應的建議，為進行大型接地系統的設計分析以及安全性評估提供了理論指導。

本文采用的分析工具為CDEGS軟件[6]。

1 基本設計流程

接地系統設計是一個復雜的系統工程，需考慮多方面因素的影響。目前，在常規的接地系統設計中，主要考慮土壤結構參數、故障入地電流和接地網形式等幾個方面[7-13]。

對于常規的小型接地系統，在設計和分析時考慮以上主要因素即可。而大型接地系統，存在接地系統占地面積大、結構復雜、發變電站裝機容量大等特點，使得除了需要考慮以上的基本常規影響因素外，還有很多需要關注和考慮的因素。建議的大型接地系統設計基本流程如圖1所示。

圖1 大型接地系統設計分析的基本流程Fig.1 Basis flow chartofhuge grounding system design and analysis

由圖1可以看出，對于大型接地系統的設計還需要考慮環流、故障電流入地點等因素。這些問題是隨著大型接地系統的出現而出現的，在進行設計分析時需要綜合考慮以上各因素，根據現場實際情況進行分析，而不能分割、缺少其中的任何一個，否則會得到錯誤的計算分析結果。

2 接地網內部環流的影響

在發變電站內部發生短路故障時，與該發變電站相連的電力網絡會提供短路故障電流，并通過短路點流入接地系統，隨后在土壤中散流，這部分電流即為由周圍發變電站等終端提供的短路入地電流[2-3]。目前，在進行常規設計時，均按照此故障入地電流值進行接地系統性能分析。

而實際上，當站內發生短路故障時，除周邊的電力網路提供短路電流外，故障站內的變壓器也會提供故障電流。該故障電流通過架空地線也通過故障點流入接地系統中，但是該部分故障電流未經過接地系統流入土壤中，而是又通過連接到接地系統的變壓器中性點返回至變壓器，此部分電流即為“環流”。環流的基本分布示意如圖2所示。

圖2 環流分布示意Fig.2 Sketch map of circulation distribution

由圖2可以看出，在發生短路故障時，流入接地系統的短路電流包含以下2個方面：

（1）遠端變電站提供的短路電流（由周圍電力網絡提供的短路入地電流，假定為X）；

（2）發變電站內變壓器提供的短路電流（假定為Y）。

此時，流入接地系統的短路電流應為X+Y（矢量和）。只不過其中只有X電流通過接地系統流入土壤，而故障電流Y經過接地導體又返回至變壓器中性點。

對于大型的變電站或發電廠而言，裝機容量大，同時故障點和變壓器中性點的距離會很遠，從而流經接地導體的環流會顯著改變接地導體的GPR值，也就會直接影響到接觸、跨步電壓的分布和數值。在常規、小型接地系統中由于接地系統面積較小，故障點和變壓器中性地點接地點距離較近，從而環流不會顯著改變大范圍接地導體的GPR值和地表電位等參數。

某大型熱電廠接地系統在考慮和未考慮環流后，對地表電位幅值的影響如圖3、圖4所示。發生站內短路情況下，熱電廠變壓器提供的環流電流約為15 kA，遠端電源提供的短路電流約為2 kA。

由圖3、圖4可以看出，在未考慮環流時，地表電位的最大值只有874 V；而在考慮了環流后，地表電位的最大值約為2 300 V。兩者差別很大。所以在進行大型接地系統安全性分析時，如果未考慮環流的影響，會得到完全不同的分析結果。

圖3 接地系統地表電位分布（15 kA環流）Fig.3 Distribution of soilsurface potential with 15 kA circular current

圖4 接地系統地表電位分布（無環流）Fig.4 Distribution of soilsurface potential without circular current

圖5 不同計算方法的計算結果Fig.5 Computation results ofdifferentalgorithms

3 計算方法的選取

在進行接地系統性能分析和相關研究時，多采用等電位計算方法[14-16]，即認為組成接地系統的所有接地導體均具有相同的電位，不考慮接地導體自身的阻抗，認為接地導體是超導體。在接地系統較小時，此算法也可以得到較為可靠的結果。

但是對于大型接地系統而言，由于占地面積大，導體數目和總長度顯著，此時接地導體的總電阻與其泄露電阻相比不可忽略，如果此時不考慮接地導體自身的阻抗，得到的結果可能與實際情況差別很大。

對同一500 kV變電站的接地系統，如：各個接地網中均壓帶間距均為10 m，埋深0.5 m。鋼質材料的相對電阻率選為13（相對于退火銅），相對電阻率選為300（相對于真空），采用不同的計算方法得到的結果如圖5所示。

由圖5可以看出，對于同一大型接地系統而言，在采用不同的計算方法時，得到的結果完全不同。圖5（a）中的地表電位約為圖5（b）的2倍。主要原因在于考慮了接地導體自身的阻抗后，電流通過接地網散流時會在接地導體上形成明顯的電壓降，所以在大型接地系統中較遠兩點間的GPR差可能會很大。此時如果將控制電纜等設備的兩端分別接于接地網的不同位置，若這兩點間的電位差過大，從而電纜護套、設備上就會承受過高的電壓差，容易造成電纜等設備的安全隱患。

隨著接地系統面積的增大，分別采用等電位法和不等電位法計算得到的接地電阻值差別情況如圖6所示。此時假定接地網為矩形，土壤電阻率為30Ω·m。定義差別率a=（Rnq-Rq）/Rnq×100%，Rnq為不等電位的接地電阻，R8為等電位的接地電阻。

圖6 不同算法的計算結果對比Fig.6 Comparison ofcomputation results with different algorithms

由圖6可以看出，隨著接地網尺寸的增加，采用不同算法得到的計算結果差別率a也在顯著增加，當接地網尺寸達到300 m×300 m（約為標準的500 kV變電站面積）時，差別率在40%左右；當達到500 m×500 m（約為標準的1 000 kV變電站面積）時，差別率達到55%。同時可以看出，采用不等電位的計算方法，得到的接地阻抗值較大，因為其考慮了導體自身的阻抗，從而結果較大。對于大型接地系統，如果采用等電位計算方法，得到的結果與實際相比較小，結果過于樂觀，這也是很多接地系統施工完成后，發現接地電阻過高，未達到預期目標的原因之一。

所以對于大型接地系統而言，在進行相關的性能分析時，應考慮接地導體自身阻抗的影響，即采用不等電位的計算方法，可以得到更符合實際的計算結果。

4 短路故障點的選取

發變電站內接地的設備數目眾多，存在大量的接地引下線，在發生站內短路故障時，故障點可能會位于任意一個接地引下線。對于小型接地系統而言，在進行短路分析時，不同的故障入地點對結果影響較小。而對于大型接地系統而言，在其他參數不變的情況下，僅改變故障入地點，就會得到完全不同的計算結果。同一大型接地系統，故障點分別位于中心和角落時，地表電位的分布情況如圖7所示。此處土壤電阻率為30Ω·m。

圖7 不同短路入地點的對比Fig.7 Comparison with different fault locations

由圖7可以看出，選擇不同的短路電流入地點，得到的結果也完全不一樣。如在圖7（a）中，最大的地表電位約為1 000 V，而在圖7（b）中最大值在1 300 V左右，兩者差約30%。這是因為注入點位于角落處時，不利于故障電流的散流，導致地表電位較高。因此將短路點選擇在接地系統角落處，可以得到較為保守的計算結果。所以在設計分析時，需要考慮短路入地點發生在不同位置的情況，如果得到的結果均滿足安全要求，才可以認為整個接地系統是安全的。

此外，對于一個好的接地設計，還應該專門分析短路故障點位于發變電站大門附近時的安全性，以保證工作人員在進出大門接觸金屬大門時的安全性。

5 接地導體材料的選取

目前，為了降低建設成本，接地系統多采用鋼制材料，在各種標準中也以鋼制材料為基礎進行介紹[2-3]，而在國外標準多按銅質接地導體考慮[4]。隨著國內工程發展的需要，有時接地系統會位于腐蝕率高和機械應力要求較高的土壤中，此時為了保證接地導體的可靠性和安全性，有時也會采用銅導體作為接地導體。同時，對于地質條件較差，接地電阻難以達到設計要求的地區，有些設計者也會嘗試使用銅質接地導體，可以顯著降低接地電阻。銅質接地導體與鋼質相比是否具有顯著的降阻效果需要進行定量分析。

土壤電阻率10～500Ω·m之間變化時，同一接地系統（220 m×300 m）采用鋼質和銅質接地導體時接地電阻的比較如圖8所示。定義差別率b=（RFe-RCu）/RCu×100%。

圖8 鋼質和銅質接地網的接地電阻差別率Fig.8 Difference between steelconductor and copper conductor

由圖8可以看出，在土壤電阻率較低時，鋼質接地網的接地電阻顯著高于銅質接地網，而隨著土壤電阻率的增加，兩者的差別逐漸減??；當土壤電阻率超過500Ω·m時，兩者的差別可以忽略不計。其主要原因在于隨著土壤電阻率的增加，鋼質和銅質接地導體自身阻抗值的差別與周圍土壤的電阻率數值相比可以忽略不計，此時接地電阻主要由周圍土壤的電阻率決定，所以此時采用銅質或鋼質接地網的差別不大。

從降阻角度來看，在土壤電阻率較低時，如小于100Ω·m時，銅質接地網具有更好的降阻效果。

6 結語

大型接地系統的出現為設計和分析帶來了新的挑戰和新的問題。除了需要考慮常規設計中的影響因素外，還需要基于大型接地系統特有的特點進行設計和分析。此時需要考慮的新因素包括：變電站內部的環流；計算方法的選取；短路故障入地點和不同接地導體材料的選取等。實際中，在進行大型接地系統設計和分析時，建議采用專用的科學工具根據現場實際情況進行分析和評估，從而可以提高設計的準確度，保證變電站內人身和設備的安全。

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Brief Discussion of Design and Analysis of Huge Grounding System

HUANG Huan，LUO Hong，ZENG Huarong，LIU Hualin，DU Hao，XING Yi
（Guizhou Electric Power Test&Research Institute，Guiyang 550002，China）

With the increasementofthe power capacity and space ofsubstations，the dimension and complexity ofthe grounding system are improved continuously，which has brought new challenges to the design and analysis of huge grounding system.First，for the better design and analysis of the large grounding systems，the paper introduces the basic design procedures，and then itfocuses on the new problems thatshould be taken into accountfor huge grounding systems.The analysis results show that the designer should consider more important and indispensable factors than smallgrounding systems besides conventionalsoilstructure，shape ofthe grounding system etc.These importantfactors includes calculation methods，grounding system internal circularcurrent，shortfaultcurrentinjected pointand conductor material etc.The contrast results show that if designers ignore these important factors in huge grounding systems design，the calculation results errorwillbecome greaterand itwilllead to security potential risks.

huge grounding system；short-circuitfault；circularcurrent；soilstructure

TM862

A

1003-8930（2015）03-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.18

黃歡（1978—），女，碩士，工程師，主要從事接地技術等方面的工作。Email：470480531@qq.com羅洪（1962—），男，本科，高級工程師，主要從事高電壓技術方面的工作。Email：gy1@vip.sina.com

2013-06-07；

2013-07-23

曾華榮（1969—），男，本科，高級工程師，主要從事高電壓技術管理工作。Email：gy1@vip.sina.com