变电站接地网入地故障电流的研究

变电站接地网入地故障电流的研究

史欢 冯希科

中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 河南郑州 450000

摘要：当电力系统发生接地故障或有大电流入地时，如 果变电站接地网电阻较大，根据欧姆定律，大电流乘 以较大的接地电阻，会造成地电位升高，从而危害设 备及人员安全。为了有效保护变电站的电气设备和人员安全，保障电力系统正常运行，将变电站接地电阻 限制在一定水平是很必要的。然而需要把接地电阻限 制到多大，与入地故障电流的大小有关系。

关键词：变电站；接地网；故障电流

引言

　短路电流指的是电力系统在运行过程中，在相和相之间以及相和地之间出现了非正常连接的时候，流过的电流。在电力系统的计算中，短路电流的计算是非常重要的，通过对短路电流的计算，是确定电气的接线方式、选择合适的电气设备、整定继电保护以及校核继电保护的前提。当前，电网规模越来越大，而电网容量也在不断增加，造成了短路电流不断增加，对于电力系统而言，通过接地系统能够确保电力系统的可靠安全运行，对于电气设备以及人员的安全具有保护作用。因此，对于入地短路电流进行计算，是接地网设计的前提。

1.变电站对接地电阻的要求

当发生雷击或者短路故障时，将有较大的入地电 流产生，由于接地电阻的存在，则在变电站会产生较 大幅度的地电位升高。地电位升高则会危及设备和人员安全，所以对接地电阻的大小有所限制。系统的接地方式不同，对接地电阻的要求不同，下面分两大类 分析对接地电阻的要求。

1.1 有效接地系统和低电阻接地系统

交流电气装置的接地设计规范 GB/T50065- 2011给出的公式是：

R≤2000/I_G

公式中 R 为接地电阻，

I_G为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值。 公式中的分子为 2000，2000 V 是电缆和低压仪 表以及微机保护系统的耐压水平。电缆的屏蔽层和设备的外壳都已接地，如果地电位升高到 2000 V 以上， 则可能击穿电缆和设备的内绝缘。当变电站的接地网 电阻很难达到这个公式的要求时，可以采取一些措 施，则只要满足下式就可以了：

R≤5000/I_G

具体措施为：1）保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压侧，应采用 TN 系统，且低压电气装置应采用保护等电位联结接地系统。2）采用扁铜与二次电缆屏蔽层并联敷设。扁铜至少在两端就近与接地网连接。当接地网为钢材时，防止铜钢连接产生腐蚀。扁铜较长时，应多点与接地网连接。二次电缆屏蔽层 两端就近与扁铜连接。3）评估计入短路电流非周期分 量的接地网电位升高条件下，金属氧化物避雷器吸收能量的安全性。4）可能将接地网的高电位引向变电站外或将低电位引向变电站内的设备，采取防止转移电 位引起危害的隔离措施。5）验算接触电位差和跨步电位差，并通过实测加以验证。

1.2 不接地、谐振接地和高电阻接地系统

不接地、谐振接地和高电阻接地系统的接地电阻 要满足下式要求：

R≤120/I_g

公式中 I_g为计算用的接地网入地对称电流，不接地、谐振接地和高阻接地系统单相接地故障后可以继 续运行较长时间，这段时间内非周期分量已经衰减至 零，不需要考虑非周期分量，所以公式中不再使用入地不对称电流 I_G。

2.接地网导体材料选择分析

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。目前普遍采用的接地材料是铜和钢两种。

2.1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。每种导体材料都有最高允许温度和熔点。钢的热稳定性比铜好。

2.2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，也可以用单位时间内金属表面的腐蚀深度来表示。通常用腐蚀深度表示更确切。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。

2.3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。

2.4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。若采用一些防腐蚀措施还能进一步提高耐腐蚀性。接地网附近可能有其他的金属管道，若接地网导体采用铜，将会和与之相近的其他金属材料构成原电池，反而加速钢铁构件的腐蚀。因此，我国选用镀锌钢作为接地材料是比较合适的。

3.变电站入地短路电流的计算

　　3.1计算避雷线的工频分流系数

根据相关的规范对于工频分流系数进行计算，220kV线路在经过架空输电时，平均土壤的电阻率一般取值为500Ωm，电源的频率为50Hz。变电站电力线的型号是LGJ-185；避雷线的型号是GJ-50；采用两根避雷线，杆塔之间的平均的距离是350m。①计算避雷线对地等价镜像距离；②计算避雷线对于导线的几何平均距离，经计算可得为7.26m；③计算架空输电线路导线和避雷线之间的平均的档距零序感抗为0.33ej81.92°；④计算等价避雷线几何平均半径为8.6×10-7m；⑤计算基杆塔避雷线间平均自序感抗为2.04ej36.98°；⑥发生变电站短路时，计算避雷线工频分流系数为0.4026；⑦当电流外发生短路时，计算避雷线的工频分流系数为0.159。通过上述计算发现，当变电站发生了短路故障电流，那么短路故障电流发生在变电站内时，避雷线的分流系数是0.4026；短路故障电流发生在变电站外时，避雷线的分流系数是0.159。

3.2 扩大变电站接地网面积降阻

接地网接地电阻的大小，主要取决于接地网的面积，如果接地电阻率ρ值过高，要把接地电阻降到规程要求以下，接地网面积可能要达到几万平方米，要建这么大的接地网是不可能的。但如果变电站周围有电阻率为500Ω・m以下的土壤区域或距变电站2000m以内有更低土壤电阻率区（水田、水塘等）时，可以考虑在这些低电阻率区域扩网与站内地网连接，这是降阻常用的措施之一。

在接地网布置设计时，应充分利用变电站的全部可利用面积。但是扩大变电站接地网面积的方法只能因地制宜，采用这种方案损耗的钢材量很大，而且还受变电站所处位置的制约。比如有些老站附近已经建成了很多建筑物，改方案实施会比较困难；一些在山区的变电站可能受地形限制无法有效扩大其接地网面积；还有一些建在市区内的变电站也难以找到合适的地方来扩大接地网面积等。

4.结束语

在变电站接地网的设计中，建议综合考虑各种运行维护因素。 选择应基于变电站的规模以及现场的地质，地形和周围环境条件。 选择效果更好，经济合理，安全。可靠的降阻措施可确保变电站设备和接地设备的长期，可靠和稳定的运行。

参考文献：

[1]陈军.35kV 变电站的接地系统设计与施工问题分析[J].价值工程，2010（30）.

[2]杜小军.浅谈变电站接地网的若干存在问题及对策[J].甘肃电力技术，2011，（1）：24-27.