变电站接地网设计优化的技术研究

变电站接地网设计优化的技术研究

涂璐 ,朱万通 ,李文娟 ,陈璐

湖北正源电力集团有限公司设计分公司（武汉供电设计院有限公司） 湖北武汉

【摘  要】主接地网设计在变电站设计中具有很重要的意义。本文主要讨论主接地网设计中降低接地电阻方案，为土壤电阻率偏高、站区总面积偏低地区的技术研究与应用提供参考。

【关键词】不等间距；主接地网；深斜孔接地极；电力设计

1 引言

随着电力系统容量的不断增加，流经地网的入地短路电流也愈来愈大，因此要确保人身和设备的安全，维护系统的可靠运行，不仅要强调降低接地电阻，还要考虑地网上表面的电位分布。电力系统的接地是对系统和网上电气设备安全可靠运行，及操作维护人员安全都起着重大的作用。随着变电站的小型化,其接地网的面积受到了限制,由于电网的不断扩大,系统短路电流越来越大,因而对于土壤电阻率偏高且变电站面积偏小的变电站，接地电阻达到要求值存在一定难度。

2 不等间距复合式接地网

1.1总的原则及相关规定

接地装置是保证电气设备安全运行和人身安全的主要设备。在以往接地设计中，接地网的均压导体都按等间距布置，由于端部和邻近效应，地网的边角处泄漏电流远大于中心处，使地电位分布很不均匀，边角网孔电势大大高于中心网孔电势，而且这种差值随地网面积和网孔数的增加而加大。

    1.2 采用不等间距复合式接地网优化的理论分析

1）改善导体泄漏电流密度分布

以有效面积为55m×50 m的变电站接地网为例，在导体根数相同的情况下，分别按8m 等间距布置和平均8m不等间距布置。沿平行导体①、②、③、④的泄漏电流密度分布可见，不等间距布置的接地网，边上导体①的泄漏电流密度较等间距布置的接地网平均低15%左右；对于导体②的泄漏电流密度，这两种布置的接地网几乎相等(仅相差0.3%)；对于中部导体③、④，不等间距布置的接地网的泄漏电流较等间距布置的接地网分别提高了9%和14%。由此可见，不等间距布置能增大中部导体的泄漏电流密度分布，相应降低了边缘导体的泄漏电流密度，使得中部导体能得到更充分的利用。

2）均匀土壤表面的电位分布

由下表的计算结果可知，不等间距布置的接地网能较大地改善表面电位分布，其最大与最小网孔电位的相对差值不超过0.7%，使各网孔电位大致相等，而等间距地网，其最大与最小网孔电位的相对差值在12.2%以上。同时不等间距地网的最大接触电势较等间距地网的最大接触电势降低了60.1%，极大地提高了接地网的安全水平。 

   根据以上分析，变电站水平接地网采用不等间距敷设，经过优化调整后，能够使地网各网孔电位趋于一致，从而提高了变电站的安全水平。在同样安全水平下，优化设计的接地网较常规布置的接地网，一般能节省钢材量达38%以上，同时也减少了相应的接地工程投资，在技术上、经济上较为合理。

3 深斜孔接地极

为了降低接地装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行，常见的降阻措施包括：扩大地网面积、引外接地、增加地网的埋设深度、利用自然接地体、深井接地和局部换土等。上述降低接地电阻的方法都有其应用的特定条件，针对不同地区、不同的土壤条件，只有采用相适应的方法才能有效地降低接地电阻；另外各种方法也不是孤立的，在使用过程中相互配合，也能获得较好的降阻效果。

扩大地网面积是降低接地电阻的有效方法，但由于土地资源所限．扩大接地网面积往往是不现实的。采用深井接地与主接地网并联也是一种有效降低接地电阻的方法，在有地下含水层的地方，接地体可能穿透水层．这时降阻效果将更好。深井接地不受气候、季节条件的影响，对于面积狭小的接地网，还可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有效的方法，但由于相互问的屏蔽作用，深井接地极不宜过多。

综合扩大地网面积和深井接地的优点，采用斜孔接地极不仅可以起到深井接地极的作用，在无需征地的情况下还可以起到等效扩大接地网面积的作用，且斜接地极相互之间的屏蔽作用比垂直接地极的屏蔽作用小得多，因而使用斜孔接地极比使用相同长度的垂直接地极更有效。

本次分析所用的方法类似模拟电荷法。实际的接地网中漏电流的分布是不均匀的．由于地网是一个很大的金属构架．为了在保证准确的前提下提高计算速度．通常将接地网分为若干短的导体棒。由于接地导体的内阻比土壤高很多．因而接地导体的内阻可以忽略不计，接地网可视为等位体。将地网每一小段表面中点作为场点，则该点电位是由各个小段导体上的漏电流在该点产生的电位的叠加，由于接地网上的电位处处相等．则这些小段导体上中点的电位也相等。同时，根据基尔霍夫电流定律．所有注入接地网的电流之和等于接地网各段上的漏电流之和．从而建立了一组方程，解之可得接地网上的漏电流分布。由接地网上的漏电流可以求得接地电阻、跨步电势、接触电势以及地表上的电位分布。在接地网周围增加接地极后，接地电阻和跨步电势明显降低。接地极长度相同时，使用斜接地极比使用垂直接地极和水平外延极效果好。还可以看到，斜接地极与地面的夹角在3O°～6O°范围内变化时，接地电阻和跨步电势变化不大。因而实际打斜接地极时可以根据周围地下设施的情况调整接地极与地面的夹角，因而即使在市内，使用斜接地极也是可行的。

综上可见斜接地极同时具有垂直接地极和扩大接地网面积的作用，且比这两种措施更有效、更灵活。在实际情况下，斜接地极与地面的夹角根据土壤电阻的不同分布可适当调整以达到最佳效果。根据以上分析，为保证站内接地电阻能满足不大于2000/I的要求，采用斜接地极的方式对于减小接地网的接地电阻是很有效的。

4 高电阻碎石层

变电站内的接地电势和跨步电势主要取决于站内均压网的面积和最大入地电流，因此当站内面积和入地电流一定时，站内接触电势和跨步电压值也为一定值。对于变电站面积偏小同时入地电流偏大时，很容易造成接触电势和跨步电势过高，影响运行维护人员的人身安全。为保证安全，最有效的方式就是增大地表的电阻率。

地表电阻率值直接影响接触电势和跨步电势的允许值，根据接触电势和跨步电势的允许值的计算式：

Ej=（250+0.25ρb）/√t                ①

Ek=（250+ρb）/√t                   ②

式中   Ej----接触电势；Ek----跨步电势；ρb ----地表面的土壤电阻率；t----接地短路电流持续时间。

接地短路电流持续时间对安全的影响是十分明显的，因此快速切除接地故障，会使变电站运行将变得更加安全。例如故障在0.1s切除时，接触电位差、跨步电位差的允许值分别为819V和1657V，而0.6s切除时为334V和676V，允许值均降低到0.1s时的40％，可见故障的持续时间对接触电位差、跨步电位差影响程度较大，特别是在0.1～0.9s区间，效果更加明显。但从实际情况来看，断路器的开断时间，保护动作时间均与设备型式及制造有关，通常是无法改变的，真要改变将花费更大的代价，是不合实际的也是不现实的。

因此，要提高接触电压和跨步电压的允许值，最有效的方式就是加大ρb即地表面的土壤电阻率。当采用碎石、砾石或卵石的高电阻率路面结构层时，其厚度不小于15～20cm，电阻率可取2500Ω·m。可见在占地面积较小的变电站采用隔离层的方案是比较经济的。

5 总结

在变电站设计中，针对土壤电阻率偏高、站区总面积偏低的情况，要充分结合工程实际情况，可采用不等间距复合式接地网+深斜孔接地极+高电阻碎石层的方案将站区接地电阻降至安全范围内，同时通过高电阻路面方式保证运行人员安全。

参考文献

[1]GB/T 50065-2011．交流电气装置的接地设计规范［S］．

[2]GB/T 50064-2014．交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范［S］．

[3]高宏. 小山水电站不等间距接地均压网设计．吉林电力技术［J］，1997，4：27-29.

[4]左鹏、魏冲、邹军. 不等间距布置导体的接地网优化设计 . 高电压技术［J］，2011，37（9）：2315-2320.