變電站接地網安全評估方法

程 翔

（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 400040）

0 引 言

接地，就是把電氣系統、電路或設備與大地連接，或者與范圍廣泛且能用來代替大地的等效金屬導體連接，其目的在于確定與之相連接的導體電位大致維持在大地電位，能在線路或電氣設備發生故障時為故障電流流回電源提供一條低阻抗的路徑。

變電站接地系統除了保證設備安全外，更重要的是在故障時保障工作人員的人身安全。發生接地短路故障時，若接地網設計合理，就能夠限制地電位升高、平衡地電位分布，減少工作人員受到危害[1-2]。

1 變電站接地網及其環境建模

1.1 變電站接地網建模

變電站接地網一般水平布置由金屬網和垂直接地極構成。金屬接地網一般由銅棒組成，常排列成邊長數米到十米的矩形網格狀，埋在變電站地下0.5 m深；垂直接地極一般由銅包鋼或石墨制作，上端與水平接地網相連，下端埋入數米深的土壤中。

接地網的規模一般和變電站的占地形狀與規模相當，但覆蓋范圍要包含變電站周邊10 m。

1.2 變電站接地網環境建模

變電站接地網接地電阻與其所在的土壤性質有直接關系。一般通過文納法對變電站接地網土壤性質進行測量，然后建立土壤分層模型。圖1為四點文納法測量原理示意圖，將4個電極插入土壤，并在電極C1、C2間施加電壓，測量C1、C2間的電流與P1、P2間的電壓。調整電極的距離和插入深度，可以計算不同深度土壤的電阻率。對變電站各處進行測試，取各測量點的平均值，就可以得到該區域土壤的特征，進而建立土壤模型。

圖1 四點文納法測量原理示意圖

根據測量到的結果，可以建立土壤的分層模型。一般可以將土壤分為表層土壤和深層土壤，有時會增加中間層。一般深層土壤較濕潤，電阻率較小，而表層土壤電阻率較大。

2 變電站接地網安全性評估

對變電站接地網及土壤進行建模后，需要對接地電阻、故障時的接觸電壓與跨步電壓進行計算。除了利用經驗公式進行計算外，利用CDEGS軟件可以更方便地獲得更準確的計算結果。

2.1 接地電阻與地電位升高

在CDEGS軟件中建立變電站接地網的模型，并指定故障電流進入地網的位置以及電流大小，即可計算出其等效接地電阻。按照規程規定，一般接地電阻RG應滿足：

其中，IG為注入地網的故障電流，5 000為電壓。

同時，故障電流入地網將會在地網上形成壓降，從而引起地電位升高，對設備及地面上工作人員造成安全隱患。例如，圖2展示了某500 kV變電站接地網的接地電阻以及注入31.5 kA故障電流后的地電位升高。該接地網水平接地體為直徑13.4 mm的銅棒，埋深0.5 m，網格邊長10 m；垂直接地體為長6 m的銅包鋼棒。從計算結果可知，總接地電阻滿足規程要求，而發生接地故障時的地電位升高約為3 151 V。

圖2 接地電阻及地電位升高

2.2 接觸電壓計算

變電站的工作人員站在地面上，由于地網電位升高，土壤電位也會改變，因此人手觸摸較高的物體時與腳之間會產生電位差，即接觸電壓。

接觸電壓與地網電位升高、土壤電阻率及地表物質電阻率都有關，其安全限值與故障清除時間也有關，一般故障清除時間越短，安全限值越高，即盡快清除故障有利于保護變電站工作人員人身安全。圖3為某變電站的接觸電壓分布，在安全限制以下的區域用白色顯示。

圖3 采用10 m網格接觸電壓分布

由圖3可知，該接地網設計存在安全隱患，接觸電壓超過了安全限制。

2.3 跨步電壓計算

接地故障時地面電位升高，且電位隨位置變化，變電站工作人員在地面上行走，兩腳之間會形成電位差，即跨步電壓。與接觸電壓類似，跨步電壓也受到地網電位升高、土壤電阻率及地表物質電阻率影響，其限值與故障清除時間相關。一般跨步電壓的安全限值更容易滿足。只要接觸電壓滿足規程規定的安全限值要求，那么跨步電壓也會滿足要求。圖4為采用10 m網格跨步電壓分布。

圖4 采用10 m網格跨步電壓分布

由圖4可知，該變電站跨步電壓分布，白色部分為安全限值以下區域。該變電站及周邊區域跨步電壓均在安全限值以內。

2.4 接地網安全性能優化

初步設計的接地網不能滿足安全性要求。為了使接觸電壓滿足規程，可以將水平接地網的網孔加密，以進一步降低接地電阻[3]。此外，在地表鋪設一層電阻率較大的隔離層，也可以降低地表工作人員的接觸電壓。將接地網網孔改為邊長2.5 m，同時在變電站地表鋪設一層15 cm碎石，碎石的電阻率約3 000 Ω·m，比土壤要大的多。

圖5和圖6展示了優化變電站設計后的接觸電壓與跨步電壓分布。對接地網設計進行調整后，變電站內的接觸電壓與跨步電壓都在安全限值以下，滿足了安全性要求。

圖5 采用2.5 m網格接觸電壓分布

圖6 采用2.5 m網格跨步電壓分布

3 結 論

本文介紹了變電站接地網安全評估的一般方法。對接地網及其環境進行建模，再利用CDEGS軟件計算各安全指標，從而對變電站接地網安全性作出評判，并給出對應建議。