變電站接地網設計研究

李劉賜

（湖南華晨工程設計咨詢有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

當發生雷擊時，如果泄流不順，反擊會造成二次設備或電纜絕緣層被擊穿，高壓、脈沖電流竄入變電站綜自保護系統，使得保護設備可能會發生誤動、拒動等故障，導致停電、設備損毀等事故，造成嚴重的經濟損失和負面社會影響。當電力系統發生接地故障或有大電流入地時，如果變電站接地網電阻較大，則可能會造成地電位異常升高，危害設備及運檢人員的安全。為了有效保護變電站內電氣設備及運檢人員的安全，保障電力系統正常運行，減少由于雷擊及其他故障大電流造成的危害，將變電站接地電阻限制在一定水平是最有效的方法。因此，變電站接地網的設計尤為重要。變電站接地網的設計首先根據變電站最大運行方式下的入地電流和土壤電阻率等基礎數據進行接地計算，選擇合適的接地材料和接地網敷設方式。若常規接地網設計無法滿足接地電阻要求，可參照變電站布置型式參考條件適當放大需求值，并校驗跨步、接觸電勢。若還不能滿足要求，則需根據站址的實際情況選擇合理、經濟的降阻方案[1]。

1 土壤電阻率的測量

土壤電阻率測試是接地系統設計的基礎。目前工程中通常采用等距四極法（溫納四極法）和電磁測深法進行土壤電阻率的測量。工程中實際應用較多的是等距四極法，測試程序簡單，測試儀器、設備材料費用低，但需要在現場打接地極布線。對于占地面積小或地形狹長的變電站，往往因為場地尺寸不夠、布線距離不足而限制了測試深度，一般不超過100 m。電磁測深法勘測范圍廣，一般可達2 km，但測試的儀器、設備費用較高，且對表層土壤電阻率的測量結果往往不準確，需要與四極法配合使用。

大量的測試和研究結果表明，電流的穿透深度大致與比鄰電極間的距離相等。測試的極間距能對應不同深度范圍內的視在平均土壤電阻率，所以應在不同極間距情況下，通過多點、多方向測試不同位置、深度的土電阻率。對于高土壤電阻率的場地，應盡可能測得較大極間距（接近地網對角線長度）的土壤電阻率，從而能夠比較客觀地測得較大范圍的平均土壤電阻率。變電站接地系統設計中，建議土壤測試深度不小于地網對角線長度。

土壤電阻率測量過程中，測量技術人員要了解場地內有沒有埋入導電物體（如金屬管道），以避免測量誤差。對于有填方區的場地，應在填方前和填方后分別進行一次電阻率測試，獲得原土層和填方后的電阻率值。

2 接地材料選擇

變電站的接地網常用的材料有鍍鋅鋼、銅、銅覆鋼，近年來部分工程也采用了不銹鋼復合材料。接地體材料的選擇應根據變電站的土壤腐蝕性、變電站布置型式、全壽命周期的經濟性綜合考慮。在堿性地區，銅、銅覆鋼一次性壽命為40年，熱鍍鋅鋼一次性壽命為15年。鍍鋅鋼使用10～15年后，腐蝕嚴重需開挖檢修或重新鋪設。因此，戶外布置的變電站在具備維護、更換的條件下，考慮經濟性，接地材料一般采用鍍鋅鋼。而全戶內布置的變電站考慮維護、更換不便，一般采用銅或銅覆鋼材料。與銅相比，銅覆鋼全壽命周期經濟性好，是理想的資源節約型材料。在酸性地區，銅或銅覆鋼組成的接地網與地下的鋼結構、鋼管和電纜的鉛護套可形成腐蝕原電池。銅作為腐蝕原電池的陰極會加速地下其他金屬材料的腐蝕，因此不宜作為接地材料。而不銹鋼復合材料可以滿足中性、堿性、酸性、鹽漬及濱海鹽土性土壤條件下的接地。不銹鋼復合材料接地裝置采用不銹鋼包覆鋼芯棒的形式，內層芯棒采用優質碳素結構鋼，外層采用的是新研制的純不銹鋼，通過特殊加工工藝使兩者緊密結合在一起，既提高了接地裝置的防腐性能，又不影響其電氣性能。不銹鋼復合材料接地裝置采用圓柱體形式，連接處采用兩通、三通及多通的型式液壓連。目前，不銹鋼復合材料暫未全面鋪開應用，還需時間的驗證[2]。

3 接地降阻

對高土壤電阻率變電站，在確保安全性的基礎上，應經濟合理地確定接地電阻目標值，采取有效的降阻措施。根據相關接地標準，變電站的工頻接地電阻應小于4 Ω，地電位升高不宜超過5 kV（交流有效值）。當無站用變壓器向外低壓供電時，接地網地電位升高可提高到8 kV。

根據土壤電阻率初步計算接地電阻后，校核變電站內的接觸電位差和跨步電位差是否滿足要求。如果不滿足要求，除采取降阻措施外，還可以通過鋪設高阻層、加密接地網、使用四邊不等間距接地網等綜合措施。若跨步電壓不滿足要求，宜首選降低接地電阻；若跨步電壓滿足要求而接觸電壓不滿足要求，宜在設備周圍鋪設碎石、卵石等高阻層，還可加密接地網等。

降阻措施的選擇應在保障全站安全的前提下，根據站址實際情況，綜合考慮方案實施難度、經濟性及后期運行維護是否方便進行選擇。

各降阻方法的使用情況大致如下。

（1）長垂直接地極法降阻。增加接地網縱向跨越深度，適用于站址土壤電阻率地下淺層比常規接地網埋深表層低的情況。加長的垂直接地極可鉆入低電阻率層以降低接地電阻，接地網面積較大時降阻效果差。其他情況都不適用。

（2）擴大接地網面積、外引接地法降阻。這種方式降阻效果較好，適用于站址附近有可供外引的大面積低土壤電阻率場地。需要增大征地面積，不適用征地困難且費用高的地區，且圍墻外不確定因素多，接地網的維護較困難。

（3）換土法降阻。只有換土層達到相當厚度，才能明顯降低接地電阻。若工程周邊無可供換填的低電阻率土壤，需另外購買低電阻率土壤，費時費力，概率小，成本高，大面積換土不現實。為減小接地導體與土壤的接觸電阻，施工時可沿主接地導體回填少量低電阻率土壤或緩釋劑進行局部換土。

（4）增加接地網的埋深深度法降阻。這種方式在凍土地區使用時降阻效果較好，一般地區效果不明顯。少量的增加深度，降阻效果作用不明顯，會增加接觸電壓、減小跨步電壓，應用時應根據工程實際情況平衡考慮

（5）離子接地極或接地模塊。站址受限條件較多，不易開挖或周邊難以找到低電阻率土壤，可采取的措施有限時，可敷設離子接地極改變土壤電阻率進行降阻，經濟性相對較好，可配合其他降阻方法使用（常與深井配合）。考慮到時效性，推薦沿主接地網外沿敷設（見圖1）。

圖1 降阻模塊敷設

（6）深井法降阻。這種方式適用于深層有低電阻率或者有含水層的地方。因水份向上蒸發可改善上層的土壤電阻率，降阻效果好，能在站內進行且利于管理維護。對于下層無低電阻率的地方，深井的深度一般要超過地網對角線長度，否則常規地網會屏蔽深井的降阻效果。深井之間也互相存在屏蔽作用，數量越多，降阻效果越趨于飽和（見圖2）。

（7）斜井法降阻。兼顧擴網和長垂直接地極的特點，在變電站接地網面積受限時采用可起到很好的降阻效果，費用相比深井略高。需要注意，在地下管網分布不確定時不能使用。

圖2 深井與離子接地極配合降阻

（8）深井后爆破法。在深井底部進行爆破后，灌注低電阻率的降阻粉末劑材料至爆破后的裂縫中，以達到改善接地極周圍的電阻率的效果進行降阻，適于常規方法降阻困難的地區，尤其在高土壤電阻地區，效果明顯。爆破對地基有影響，且費用很高。

（9）降阻劑。可作為降阻輔助手段，推薦用于地網邊沿和垂直接地極處。

4 二次等電位接地網

大型接地網接地沿線縱向總阻抗大，接于接地網上的二次系統兩端之間會存在電位差。若差值過大，會影響二次系統的安全，如造成電纜芯皮絕緣擊穿，芯皮中流過電流過大引起發熱燒毀電纜，也可能會對芯線造成電磁干擾等，因此應優化接地以減小地電位差。地電位差不僅與地電位升有關，而且與主接地網材料有關。銅接地材料可有效減小電位差[3]，因此變電站控制室及保護小室應獨立敷設與主接地網單點連接的二次等電位接地網，材料均采用銅排及銅纜。在保護室屏柜下層的電纜室（或電纜溝道）內，沿屏柜布置的方向逐排敷設截面積不小于100 mm2的銅排（纜）。將銅排（纜）的首端、末端分別連接，形成保護室內的等電位地網。該等電位地網應與變電站主地網一點相連，連接點設置在保護室的電纜溝道入口處。為保證連接可靠，等電位地網與主地網的連接應使用4根及以上（每根截面積不小于50 mm2）的銅排（纜）。

5 防止電位轉移

高土壤電阻率變電站的接地系統地電位較高，變電站存在外接電源或外接至站外水泵房的低壓電纜、供水管道時，會出現高電位引出或低電位引入問題。因此，有必要采取相應的隔離措施。其中，通信、低壓供電等高電位引出或低電位引入問題，可使用隔離變壓器或變壓器中性點單端接地等措施。外引水管使用地埋金屬管引出是一個很好的降阻措施，但對外引水管應驗算沿途的跨步電壓。跨步電壓不滿足安全要求時，可采用PVC管代替部分金屬管道。全線使用PVC管會使得水泵房與接地網之間的地電位差明顯上升，影響水泵房電源的安全。因此，一般在變電站出口局部使用PVC管替代金屬管[4]。

6 結 論

影響變電站接地網接地電阻的因素是多方面的，包括土質、天氣條件、接地極長度、接地極數量、敷設深度、材質以及地網結構等多個因素。這要求在設計前期需對擬建項目場地進行科學、細致勘測，獲得客觀的數據作為設計依據。分析變電站現場的地質情況，在滿足人身設備安全的前提下，確定合理的降阻要求值，擬定可行的降阻方案，并在施工過程中將設計方案落到實處。