雙層接地系統(tǒng)在市區(qū)變電站中的應用

張勁松，錢 鋒，吳棟良，葉 海，陳 遲，嚴龍陽，周海軍

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 210002；2.江蘇揚州辰浩電力有限公司，江蘇 揚州 225002；3.北京加華賽時電力安全技術有限公司，北京 100080)

雙層接地系統(tǒng)在市區(qū)變電站中的應用

張勁松1，錢 鋒2，吳棟良2，葉 海2，陳 遲1，嚴龍陽3，周海軍3

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 210002；2.江蘇揚州辰浩電力有限公司，江蘇 揚州 225002；3.北京加華賽時電力安全技術有限公司，北京 100080)

為在有限的可用面積內盡可能保證接地系統(tǒng)滿足安全要求，探討了在市區(qū)變電站采用雙層接地系統(tǒng)的可行性及有效性；比較了不同土壤結構中，雙層接地系統(tǒng)與單層常規(guī)接地系統(tǒng)的接地性能；通過分析降阻率、下層接地系統(tǒng)的散流效果、接觸電壓和跨步電壓等接地參數，為市區(qū)變電站雙層接地系統(tǒng)的設計和施工提供了理論依據和工程指導。

變電站；雙層接地系統(tǒng)；降阻率；散流；接地電阻

0 引言

隨著我國工業(yè)化、城市化進程的快速推進，電力負荷，尤其是市區(qū)集中用電需求的不斷攀升，位于城市市區(qū)范圍內的緊湊型、小型化高壓變電站也不斷出現。由于市區(qū)可用面積小、周邊設施眾多，如何保證市區(qū)變電站及周邊人員的安全，給市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的設計和施工帶來了新挑戰(zhàn)。對常規(guī)的郊區(qū)變電站系統(tǒng)而言，可通過增加接地系統(tǒng)面積、外引接地、垂直接地棒等方法達到設計要求。但市區(qū)變電站可用面積小，有些變電站可能毗鄰住宅區(qū)、加油站、管道等設施，使得常規(guī)接地優(yōu)化手段，如引外接地、深井爆破等措施難以實施。

目前，市區(qū)接地系統(tǒng)主要采用長距離的垂直接地棒(深井)或深井爆破等方式進行改進，但此種方式主要依靠深層低土壤電阻率的特性，不能適用于所有情況。同時，市區(qū)接地系統(tǒng)對周邊其他設施安全性的影響，也是限制深井或深井爆破在市區(qū)變電站中廣泛使用的主要原因。

為了更好地探究市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的設計和施工方法，在有限的可用面積內盡可能滿足接地系統(tǒng)的安全要求，本文從評價接地系統(tǒng)安全性的主要指標，如接地電阻、接觸/跨步電壓等參數出發(fā)，通過對比驗證的方法探討在市區(qū)變電站中使用雙層接地系統(tǒng)的可行性，研究與常規(guī)單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)在接地電阻、散流效果以及接觸/跨步電壓等方面的有效性，為市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的設計和施工提供理論依據和工程指導，具有實際意義。

本文使用的分析工具為CDEGS軟件包。對設計的雙層地網模型計算各參數的依據(規(guī)范)主要參考了GB/T50065—2011《交流電氣裝置接地設計規(guī)范》。

1 計算模型的選取

選取的雙層接地系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 雙層接地系統(tǒng)結構示意

標準市區(qū)變電站接地系統(tǒng)的可用面積為60 m×80 m。上層接地系統(tǒng)埋深0.8 m，上層地網均壓帶間距S1=10 m，下層地網均壓帶間距S2=20 m。2個接地系統(tǒng)通過8根位于接地網邊緣的垂直連接導體連接，可最大程度地減少垂直連接導體間的屏蔽效應。按照工程實際情況，選取的垂直連接導體長度D的變化范圍為1-10 m。接地導體均選用40 mm×4 mm扁鋼。

常規(guī)單層接地系統(tǒng)結構如圖2所示，與雙層接地系統(tǒng)的唯一區(qū)別在于：單層接地系統(tǒng)不存在下層接地系統(tǒng)。

圖2 常規(guī)單層接地系統(tǒng)結構示意

對于分析中使用的土壤結構，本文選取常用的典型土壤形式，分別為均勻和水平2層形式，具體參數如表1所示。定義折射率K=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1)，其中ρ1為上層土壤的電阻率，ρ2為下層土壤的電阻率。

表1 土壤結構參數

2 降阻率

接地電阻是衡量接地系統(tǒng)性能的重要指標，大多可以通過測量接地電阻值以判斷接地系統(tǒng)的設計和施工效果。為定量分析雙層接地系統(tǒng)的降阻效果，將其與單層接地系統(tǒng)做比較，定義降阻率為：Rr=(1-R雙/R單)×100 %，其中R單為圖2中的單層接地系統(tǒng)的接地電阻值，R雙為圖1中的雙層接地系統(tǒng)的接地電阻值。

在3種不同折射率K的土壤結構中，降阻率Rr與層間距D的關系如圖3所示。

從圖3可以看出，對于雙層接地系統(tǒng)，當層間距D較小時，與單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果較小；隨著層間距D的增大，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果有所增加。這主要是隨著層間距D的增大，在故障電流通過接地系統(tǒng)散流時，2個接地系統(tǒng)間的導體之間屏蔽效果逐漸減弱，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果越為明顯；對于均勻土壤結構形式（K=0），降阻率隨層間距D的增大緩慢上升，降阻比例在15 %以下。當K=0.5時，即上層土壤電阻率小于下層土壤電阻率時，隨著層間距D的增大，雙層接地系統(tǒng)的降阻率雖然也保持上升趨勢，但并不明顯，降阻率最大不超過10 %。

圖3 雙層接地系統(tǒng)層間距對降阻率的影響

同時還可以看出，當K=0.5時，即上層土壤電阻率小于下層土壤電阻率，層間距D為3-4 m時，雙層接地系統(tǒng)的降阻率有所降低。其主要原因在于：上層土壤厚度4 m，下層接地系統(tǒng)埋設于高電阻率土壤層，此時下層的高電阻率土壤層會影響下層接地系統(tǒng)的散流效果，造成雙層接地系統(tǒng)的接地電阻有所上升，使雙層接地系統(tǒng)的降阻率下降。當K=-0.5時，即上層土壤電阻率大于下層土壤電阻率，雙層接地系統(tǒng)的降阻效果最高可以達到29 %，但降阻率在D達到4 m后，出現趨于飽和現象。

由此可見，就降阻效果而言，隨著層間距D的增大，雙層接地系統(tǒng)的降阻率有所提高。但對于下層土壤電阻率較高的土壤結構形式，降阻率始終保持在較低水平，所以此時使用雙層接地系統(tǒng)的意義不大。

3 散流效果

接地系統(tǒng)的一個主要功能是在變電站發(fā)生單相對地短路故障時，故障電流可以快速通過接地系統(tǒng)流入土壤中。與單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)具有更多的接地導體接觸土壤，增加了故障電流流入大地的路徑，從而具有更好的散流效果。

為定量分析下層接地系統(tǒng)對散流效果的影響，將分析不同情況下故障電流通過下層接地系統(tǒng)散流的情況。此處定義散流因子Ri=(I底/I總)×100 %，其中，I底為雙層接地系統(tǒng)情況下通過下層接地系統(tǒng)流入土壤中的電流，I總為雙層地網故障點處注入的總入地電流，散流因子Ri為下層接地系統(tǒng)的散流效果提供定量解釋。

雙層接地系統(tǒng)的散流因子Ri與層間距D的變化關系如圖4所示。

圖4 雙層接地系統(tǒng)層間距對底層分流比例的影響

從圖4可以看出，采用雙層接地系統(tǒng)后，故障電流在通過接地系統(tǒng)散流時會有很大一部分電流流入下層接地系統(tǒng)，并通過下層接地系統(tǒng)流入土壤中。隨著層間距D的增大，通過下層接地系統(tǒng)散流的電流比例也有所增加；即使在層間距D較小的情況下，也約有40 %入地故障電流通過下層接地系統(tǒng)散流，尤其當下層土壤電阻率較低(K=-0.5)時，在下層接地系統(tǒng)接觸到下層土壤后，散流因子甚至接近80 %。但需注意的是，下層接地系統(tǒng)接觸到下層土壤時(上層土壤厚度為4 m)，分流比例很快趨于飽和。在均勻土壤中，分流比例穩(wěn)步上升，層間距D為10 m，下層接地系統(tǒng)的散流比例達到60 %。而對于K=0.5的土壤結構形式，在下層接地系統(tǒng)剛接觸下層電阻率較高的土壤層時，由于下層高電阻率土壤的阻礙，故障電流多通過上層低電阻率土壤層散流，此時下層接地系統(tǒng)分流效果有所減弱，之后逐步緩慢回升到最大40 %左右，這與下層接地系統(tǒng)深入下層土壤2-3 m深度時的分流比例接近，所以此后再增加層間距意義不大。

從圖3和圖4還可以看出，雙層接地系統(tǒng)提供了更多的電流散流通道，可以在接地電阻降低比例較小的情況下，將更多的電流導入深層土壤，降低地表附近的電流密度，從而減少地表處的電位值。基于此次研究中的采樣數據可知：對于水平雙層接地系統(tǒng)，如果在下層接地系統(tǒng)接觸到下層土壤一定深度后再繼續(xù)增加層間距，其降阻和分流效果并沒有明顯增加，在一定層間距內甚至不如剛接觸下層土壤時的效果，尤其是分流效果。即在增加層間距的同時，需要考慮將下層接地系統(tǒng)敷設在低土壤電阻率層，將更有助于降低接地電阻或散流。

4 接觸/跨步電壓

接觸電壓和跨步電壓是評估接地系統(tǒng)安全性能的重要參數，在各個行業(yè)標準中對于接觸/跨步電壓均明確提出了安全要求。

在雙層接地系統(tǒng)情況下，接觸電壓最大值的變化情況如圖5所示。此處定義接觸電壓降低比例為Rt=(1-VT雙/VT單)×100 %，其中VT單為單層接地系統(tǒng)情況接觸電壓的最大值，VT雙為采用雙層接地系統(tǒng)后接觸電壓的最大值。

圖5 雙層接地系統(tǒng)層間距對接觸電壓的影響

從圖5可以看出，當市區(qū)變電站接地系統(tǒng)采用雙層接地系統(tǒng)后，各種土壤結構下接觸電壓最大值均有所降低，其主要原因是：增加下層接地系統(tǒng)使得層間土壤的電位更平均，更接近于導體電位，從而降低了接觸電壓最大值。

在雙層接地系統(tǒng)情況下，跨步電壓最大值的變化情況如圖6所示。此處定義跨步電壓降低比例為：RS=(1-VS雙/VS單)×100 %，其中VS單為單層接地系統(tǒng)情況跨步電壓的最大值，VS雙為采用雙層接地系統(tǒng)后跨步電壓的最大值。

從圖5和圖6可以看出，在不同土壤結構下，接觸電壓和跨步電壓降低比例的趨勢基本相同；但根據定量分析，其數值結果還是有所不同。如在均勻土壤中和K=-0.5的土壤中，接觸電壓和跨步電壓降低比例幅值基本相似；在K=0.5的土壤中，接觸電壓最大值可降低約為40 %，而跨步電壓最大值降低僅約為17 %。原因在于單層接地系統(tǒng)均壓帶間距僅約為10 m，此時均壓效果較好，已經將跨步電壓降低到較低水平；所以即使采用雙層接地系統(tǒng)，對于跨步電壓而言，其降低的比例也不甚明顯。

圖6 雙層接地系統(tǒng)層間距對跨步電壓的影響

總之，采用雙層接地系統(tǒng)會降低地表處接觸電壓和跨步電壓的最大值。從散流角度來看，增加下層接地系統(tǒng)后，為故障電流提供更多的散流路徑，使得更多故障電流通過下層接地系統(tǒng)流向土壤深處，降低了地表附近電流強度，從而降低了接觸/跨步電壓值。

5 結論

(1) 從接地電阻值來看，與傳統(tǒng)單層接地系統(tǒng)相比，雙層接地系統(tǒng)不具有明顯優(yōu)勢；但由于增加了電流在土壤深處的散流路徑，雙層接地系統(tǒng)對故障電流的快速深層散流和對地表接觸(跨步)電壓的降低效果表現顯著，其效果與層間距趨于正相關，在很大程度上提高和保障了變電站及其周邊區(qū)域的電力安全性。

(2) 在不同土壤結構下，雙層接地系統(tǒng)的接地性能也各不相同。當底層接地網接觸到下層高電阻率土壤層時，會降低接地系統(tǒng)的接地性能；當接觸到下層低電阻率土壤層時，可更大幅提高其接地性能。對于水平雙層土壤，建議將雙層接地系統(tǒng)間的層間距保持在土壤的上層厚度附近，這樣既可在一定范圍內得到最佳的接地性能，又可避免繼續(xù)增加層間距造成工程成本的浪費。但應特別注意的是，如果使用該層間距仍然不能滿足安全標準，則應重新進行接地系統(tǒng)的設計工作。對于均勻土壤，持續(xù)地增加層間距可以緩慢地提高接地效果，但也需要考慮達到一定層間距后的飽和現象和經濟技術的限制。

(3) 目前，雙層地網在中國的應用主要以城市地下變電站(多層地網結構)以及GIS專有網與主地網構成雙層網等形式為代表。本文對變電站雙層接地系統(tǒng)的研究為此類變電站的設計和施工提供了理論依據和工程指導。

1 陳先祿.接地[M].重慶：重慶大學出版社，2002.

2 GB/T50065—2011，交流電氣裝置的接地設計規(guī)范[S].北京，2012.

3 何金良，曾 嶸.電力系統(tǒng)接地技術.北京：科學出版社，2007.

4 付龍海，吳廣寧，王 顥，等.青藏鐵路格拉段變電站立體接地網的分析研究[J].高電壓技術，2005，31(3)：28-30.

5 林幼暉.變電站接地系統(tǒng)的設計步驟[J].電力建設，2001，22(1)：32-34.

6 張永生，胡旭東，王 偉，等.變電站直流系統(tǒng)接地故障分析[J].電力安全技術，2012，14(1)：49-51.

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9 Y.Li，J.Ma and F.P.Dawalibi，Jinsong Zhang.Power Grounding Safety： Copper Grounding Systems vs.Steel Grounding Systems[C].International Conference on Power System Technology (POWERCON2006).Chongqing， China， October 22-26， 2006.

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2015-08-15。

張勁松(1968-)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)高電壓研究工作，email：15905166808@163.com。

錢 鋒(1964-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)電氣一次設計工作。

吳棟良(1981-)，男，副高級工程師，主要從事變電一次設計工作。

葉 海(1975-)，女，高級工程師，主要從事電網工程設計研究。

陳 遲(1983-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)高壓電研究工作。

嚴龍陽(1991-)，男，工程師，主要從事電磁干擾分析與接地系統(tǒng)安全設計工作。

周海軍(1979-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)接地安全分析與評估、公用走廊電磁干擾分析與設計及雷擊暫態(tài)與屏蔽分析工作。