［摘要］变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。文章介绍变电站接地设计方面的一些基本概念以及设计的的基本步骤和要点，并介绍一种土壤电阻率的测量方法。
［关键词］变电站；接地网；设计
［作者简介］叶云琴，广东电网公司高州供电局，广东高州，525200
［中图分类号］ TM64［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2008）10-0042-0003
发电厂、变电站集中安装了最重要的电气设备和电气装置，因此需要有良好的接地装置，以实现工作接地、保护接地和防雷接地的综合要求。实际工程中，一般是统一敷设一接地网，称主接地网，而在避雷针和避雷器附近下面，再加设一组集中的防雷接地体，加强泄放雷电流之用，从而构成发电厂、变电站完整的接地装置。
表征发电厂、变电站地网的主要电气参数有：接地电阻、接触电势、跨步电势、接地电位升和转移电势。在高土壤电阻率地区且地网面积受限的情况下，要使接地电阻满足规程要求是十分困难的，但是只要合理设计，在不过分注重低接地电阻的情况下，仍然能够设计出满足安全要求的地网。
一、地网设计的步骤和方法
（一）调查土壤特性
土壤电阻率是决定地网参数的重要参数。在发电厂、变电站选址后，用物探法和电探法测量土壤电阻率的分布情况，并重视站区土壤电阻率随季节的变化情况，然后经过对实测数据的分析处理获得设计时所需要的土壤电阻率。除此之外还应调查站区土壤对普通钢、镀锌钢等金属材料的腐蚀情况，为地网设计选择正确的金属材料和截面提供依据。
（二）入地故障电流的计算
在接地网设计中首先按下面两式算出流经接地装置的入地短路电流I值，然后取下面两式中较大的I值。
当短路故障发生在地网内时，在流经接地点的短路电流Imax中，由电站提供的那部分电流（In）可以通过接地线直接流回电源中性点，不会在地网接地电阻上形成压降。由于避雷线的存在，由系统提供的短路电流（ Imax-In）中的一部分可以经避雷线及杆塔的接地电阻回路返回系统，不会在电站的接地电阻上形成压降。因此，经地网入地而造成地网电位升高的短路电流只有：
当短路故障发生在地网外时，显然此时流经大地经地网返回的短路电流将由电站本身提供。同样，由于避雷线的存在，在短路电流的In分量中将有一部分以避雷线为回路直接返回电源中性点，此时经地网返回的电流为：
Imax——接地短路点的最大接地短路电流；
In——流经变电站接地中性点的最大接地短路电流；
Kel为短路时，与变电所接地网相连的所有避雷线的分流系数。据专家分析，Kel应由避雷线的出线回路数确定，出线为1路时，取0.15；2路时取0.28；3路时取0.38；4路时取0.47；5路以上时取0.5~0.58，且应根据出线所跨走廊的分流效果做出相应的增减。
Ke2为所外接地时，避雷线向两侧的分流系数，一般取0.18，这仅适于变电所内有变压器中性点接地的所外接地。
（三）地网导体材料及截面的选择
1.导体材料选择
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。目前世界上普遍采用的接地材料是铜和钢两种。
（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。每种导体材料都有一短时最高允许温度和熔点。钢的热稳定性比铜好。
（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，如g/cm2·a；又可以用单位时间内金属表面的腐蚀深度来表示，如mm/a。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。
（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。
（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。一般电气设备的外壳都是钢铁的，地网附近还可能有其他的金属管道，若地网导体采用铜，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。
2.导体截面积的选择
导体截面的选择一般可根据热稳定性要求来确定导体的最小截面，然后根据对地网运行寿命的要求以及实测得到的土壤对地网导体的腐蚀速度计算得到导体截面积，将两者进行比较取大者，再考虑一定的裕度，最后确定应该选择的导体截面积。
（四）设计地网布置方式
在过去的设计中，水平地网的均压导体一般按等间距布置。由于端部效应和临近效应，各均压导体流散电流很不均压，中部导体流散电流很小，而在边角处导体的流散电流急剧增加，使得地网内部的地表面电位分布很不均匀，造成地网边角处的接触电势比中心的接触电势大得多，这在技术和经济上都是不合理的。改进的方法是采用不等间距布置均压导体。
不等间距水平接地网的设计：
当总的均压带根数小于18根时，长孔的接触电势小于方孔的接触电势，宜采用长孔接地网；反之，宜采用方孔接地网。另外，采用不等间距布置时，还应看一次设备的分布情况，考虑是否有利于设备接地。
假设地网长方向上导体分段数为k1，宽方向上导体分段数为k2，则各分段导体的长度按下式计算：
式中，b1，b2，b3是常数，其确定方法如下：
当
当
研究表明，在大中型地网周边埋设2～3m或远小于地网等值半径的垂直接地体对降低整个接地装置的接地电阻效果不大，所以在地网的周边一般不敷设垂直接地体。但如果土壤上层电阻率远比下层电阻率高，或者地网处于容易干燥或冰冻的土壤地区，可以在地网周边埋设若干垂直接地体，并与水平接地网相连。垂直接地体的长度在10～50m范围内，它们之间的距离以大于相邻两垂直接地体的总长度为宜。此外，还应重视各种自然接地体的利用。
（五）地网参数计算
1.我国规程推荐以水平接地网为主，且边缘闭合的复合接地体（仅适用于方形及长宽比≤8的矩形地网）的接地电阻按下式计算：
Rn——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻(Ω)；
Re——等值(等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻(Ω)；
?籽——土壤电阻率(Ω·m)；
S——接地网总面积(m2)；
d——水平接地极的直径或等效直径(m)；
h——水平接地极的埋深(m)；
L0——水平接地体的外缘边线总长度(m)；
Ls——水平接地体的总长度(m)。
但随着电气设备的小型化和城市变电站征地的困难，变电站可占用的面积越来越小，单靠水平接地网达到要求的接地电阻值比较困难，且限于环境很难施行引外接地以降低接地电阻。因此，设置加长垂直接地极以降低接地电阻、接地电位、接触电位差和跨步电位差。
2.带有较多、较长垂直接地极的复合接地网的接地电阻按下式计算：
Rnc——任意形状边缘闭合复合接地网的接地电阻(Ω)；
Rec——等值(等面积、等水平接地极总长度)方形复合接地网的接地电阻(Ω)；
L——接地极的总长度(m)，L=Ls+Ls；
Ls——水平接地极的总长度(m)；
Ls——垂直接地极的总长度(m)；
k——Ls对L的比值， k=；
l——单根垂直接地极的平均长度(m)。
与矩量法和边界元法比较，误差在10％内。
3.地网的电位升
接地网的电位升为：E=IR
I——流经地网的最大接地短路电流，R——接地网的接地电阻。
（六）接地参数测量
在选定了变电站或发电厂的厂址后，为了正确合理地设计接地装置，需要知道变电站、发电厂的土壤电阻率，根据测定的土壤电阻率设计地网，在施工完成投入运行前，要测量接地电阻、接触电压和跨步电压是否在规定范围内，或者在设计值范围内，在满足要求后才能投入运行。
四极法测量土壤电阻率：
如图1所示，将四根电极在一条直线上按等间距a打入地下，为了使打入的电极不影响地中电流的分布，电极打入地下的深度。P1，P2之间的电位差为：
土壤电阻率为：
二、土壤电阻率测量值的处理
一般采取短间距a值测量，大量现场测量的a值从几米到几十米，由此可以得到一系列的?籽a值。理论上可以直接用测得的视电阻率计算接地电阻和地表电位，但计算比较复杂。工程实际中，只用一个等值电阻率进行计算。目前等值处理方法很多，有人提出将复杂结构的地下土壤用两层模型来描述及根据电流场理论推出视电阻率和上、下层土壤电阻率、上层土壤厚度、测量间距的关系公式，然后根据关系式在双对数坐标纸上作出量板图。实际工程中，将测量的视电阻率曲线和量板曲线比较分析可得到上、下层土壤电阻率及上层厚度等，再经分析计算得到等值电阻率等。
［参考文献］
［1］鲁志伟,文习山,史艳玲,等.大型变电站接地网工频接地参数的数值计算［J］.中国电机工程学报,2003,23(12).
［2］李中新,袁建生,张丽萍.变电站接地网模拟计算［J］.中国电机工程学报,1999，19(5).
［3］孙旭,王琦.变电站接地网优化设计［J］.广东电力,2000,（6）.
［4］张化良.变电所接地设计研究［J］.电力设备,2004,（8）.
