高土壤电阻率地区发变电站接地设计广东省电力设计研究院（ 510600）钟玉秋吴志成【摘要】结合某 220kV 变电站的实际工程数据，通过分析接地设计参数对地电位、接触电位差、跨步电位差的影响程度，重点探讨目前高土壤电阻率地区发电厂、变电站的接地设计问题，以供同行在工程设计中共同探讨。【关键词】高电阻率发电厂变电站接地设计 1概述随着我国城市居民用电负荷的进一步增长，为满足城市用电负荷分配的要求，越来越多的220kV 变电站已作为配电变电站进入城区，此类变电站的特点是，变电站规模不大，220kV 及110kV 高压电器采用 GIS 设备，变电站面积小，电力系统容量不断增大而导致发变电站接地故障短路电流越来越大。因此造成变电站在接地设计方面的突出问题是接地面积小（500010000m2），土壤电阻率高（一般为 5001200m 或更高），无可敷设外接接地条件等。发电厂较变电站有更大的占地面积，但由于土壤电阻率较高，入地电流的不断增加，接地网的设计也变得较为困难。另 DL/T6211997 行业标准在面对当前不断增长的系统短路容量的条件下，仍维持 2000V 的地电位规定值不变，对地网的接触电位差和跨步电位差容许值的要求更趋严格，而根据最近工程设计情况分析，要求将接地电阻降到 DL/T6211997 行业标准的值是十分困难的。本文将结合我国某 220kV 变电站的实际工程数据，重点探讨目前高土壤电阻率地区发电厂、变电站的接地设计问题。我们知道发电厂、变电站接地设计的目的主要是设计一个合适的地网满足电力系统运行要求，保证人身、设备安全。一个低电阻的接地网无疑会对设备安全运行、人身免受有害电击是十分有利的，但影响建立发电厂、变电站安全接地的因素很多，在目前电网容量越来越大的今天，即使地网接地电阻很低，也不能保证电气设备和人身的安全，整体的接地系统的电阻和一个人受到有害电击并没有直接联系。有着相对低的接地电阻的发电厂、变电站可能是十分危险的，而有着较高电阻的发电厂、变电站通过仔细设计地网后会变得更为安全1。下面就高土壤地区发电厂、变电站接地设计，探讨影响发电厂、变电站安全接地设计的因素及采取的措施。2安全接地设计的影响因素及解决措施 合理的设计一个安全地网，使得发电厂、变电站有一个低的足够安全的接触电位差、跨步电位差、地电位是我们设计安全地网的最终目的。接触电位差是接地故障电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地表面上离设备水平距离 0.8m 处与设备、构架等离地面垂直距离 1.8m 处两点间的电位差。实际是由于地网网孔的存在形成的网孔内各点对接地网的电位差，我们将网孔中心对地网接地极的电位差（最大值）称为最大接触电位差。为了发电厂、变电站内运行人员操作带电外壳接地设备时，不造成触电危险，应将接触电位差限制在安全值范围内。接触电位差的允许值及地网实际接触最大电位差的计算公式如下接触电位差（允许值）Ut（V）Ut= （1）地网最大接触电位差 Utmax（V）Utmax = KtmaxUg （2）式中Utmax最大接触电位差；Ktmax最大接触电位差系数。跨步电位差是一人两脚间为 0.8m 跨距时的地表处的电位差，是由于电力系统的接地故障电流或雷电流流入大地时在土壤中形成的电压降产生的，其两点间的电位差受土壤电阻率的影响较大。在均匀土壤中，电阻率越低，其值越小，电阻率越高，其值越大，若土壤电阻率不均匀时，情况将变得更为复杂。但作用于人体的跨步电位差主要受地表面土壤电阻率的影响，见计算公式（3）跨步电位差（允许值）Us（V）Us=（3）地网最大跨步电位差 Usmax（V）Usmax = KsmaxUg （4）式中 Usmax最大跨步电位差；Ksmax最大跨步电位差系数。地电位是发生接地故障时，入地电流流经接地体在接地网内产生的电位升高，地电位升高产生的转移电位会危及与之连接的其它系统人身及设备安全，也有可能对本地设备产生反击电压危害。地电位是入地电流和接地电阻的函数。接地装置电位（地电位）Ug（V）Ug = IR （5）式中I入地短路电流，A；R接地装置的接地电阻。影响地网上述三个参数的主要因素很多，但主要有接地故障电流的大小（I）和持续的时间（t），架空地线分流系数（K），土壤电阻率()，地表材料电阻率(f)，土壤电阻率的均匀性等因素。下面我们就针对地网设计中三个安全值的要求、影响因素、解决方法逐一分析如下。为进一步说明问题，我们通过一个现有的 GW 变电站的设计数据来分析接地网的设计参数的影响因素及影响程度。某变电站的接地设计原始参数如下：接地短路（故障）电流的持续时间 t：0.6s最大入地故障电流（分流后的最大值）I：1.5kA测得的等效均匀土壤电阻率值（考虑季节系数）： 500m可用接地网的面积(10992m)S:10028m2表面垫层碎石的电阻率（潮湿状态）f：2500m 按 DL/T6211997 的要求，发电厂、变电站的电气装置的接地“应敷设以水平接地极为主的人工接地网”,GW 变电站的地网拟采用有水平接地极和垂直接地极组成的复合接地网。经工程计算，GW 变电站的规程允许的接触电位差、跨步电位差分别为 334V、676V。按双层土壤（f =2500m）考虑计算的接触电位差、跨步电位差的允许值分别为 773V、2483V。而计算的接地电阻为 2.5，实际计算的地电位值高达 28710V，远大于规程 2000V 的要求，为满足要求，接地电阻值需降到 0.1 以下，是原接地电阻的 4，也就是将土壤电阻率降到34.8m。那么，在无法降低接地电阻情况下如何使得本变电站的接地网更安全呢？下面就是本文重点讨论的问题。2.1接地故障持续时间对地网设计参数的影响图 1 曲线为接触电位差、跨步电位差随接地故障持续时间的变化曲线。从中看出，故障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 0.10.9s 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。 2.2地表电阻率对地网设计参数的影响图 2 表述地表电阻率对接触、跨步电位差的允许值的影响程度。从图中看出地表电阻率对跨步电位差允许值的影响大于接触电位差，可见为了改善跨步电位差的危害，采用隔离措施效果也较为明显。因此，在实际设计中，可采用高土壤电阻率材料设置操作平台解决接触电位差。由于地表土壤电阻率对接触电位差、跨步电位差允许值的影响较大，采用敷设高电阻率地表材料的方法可减少接地极材料的使用量。例如 GW 变电站若采用 2500m 的卵石隔离层时，水平接地扁钢的数量需 600m（重量 2.26t），网孔间距为 20m 即可满足跨步电位差要求；若不采用卵石隔离层，则水平接地扁钢的数量需 20000m（重量 75.4t），网孔间距为 1m，后者是前者的 33 倍之多。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。但采用卵石等隔离层受雨水影响较大，地面潮湿或下雨时电阻率急剧下降，因此，雨天或潮湿季节进入变电站操作区时，宜穿着绝缘鞋。对均匀土壤，地电位与土壤电阻率成线形反比关系，降低土壤电阻率对降低地电位，从而降低接触、跨步电位差效果是明显的，若电阻率达到足够低时，地网会变得较为安全。但实际工程中，不要说将地电阻降到足够低，即使降低很小的一部分也是十分困难的，且花费较大。前面分析可以看出，为满足接触电位差要求，需对 GW 变电站接地电阻将要从 2.5 降到 0.1，实际是不现实的，也是无法实现的。即使采用大量人力、物力降阻，其实际效果也不明显，例如，深圳某变电站，未采取降阻措施前测得的接地电阻为 3.08，经采取接地地沟、换土、加降阻剂、深埋接地等措施，也只将电阻降到 2.6，增加投资约 70 多万元，可见通过花费大量财力降低接触电阻是不现实的。即使采用某资料介绍的“爆破接地技术”可将接地电阻降低 20%50，也只达到 0.621.5，也未达到业主要求的 0.5 的值，其接触电位差降到1243.53108.8V，也不满足规范 444.1V 的要求，更难满足地电位 2000V 时电阻达到 0.1 的要求。另从上面的分析看，土壤电阻率对地电位影响较大，接触电位差、跨步电位差受地表材料电阻率的影响较大，因此通过采用地表面敷设高电阻率的隔离层的方法，确能较好地解决接触、跨步电位差的问题。2.3入地电流（或分流系数）对地网设计参数的影响由计算公式可知地电位与入地电流成线形正比关系。因此，采取减少系统的接地短路电流，增加接地电流的分流措施，减少入地电流，对有效降低地电位、最大地网接触、跨步电位差是十分有效地。实际工程中，接地短路电流是由系统容量，系统阻抗及系统运行方式决定的，通过一定的系统调度，可以将两相接地及单相接地故障电流限制到一定的值，但为了降低地电位去限制系统运行方式，是不可取的。随着系统容量的不断增大，接地故障电流不但不减小，反而会增大。为减少入地电流，可行的办法是增大架空地线的分流作用，减少流入变电站地网中的电流，从而降低地电位。减少线路接地线阻抗或降低架空线杆塔的接地电阻均可增大避雷线的分流作用，但应注意线路塔电位差的影响。2.4地网面积大小对地网设计参数的影响对于地网面积足够大的接地网，其接地电阻与接地网面积的平方根成反比，地网面积越大，接地电阻越小，因此在地网设计时考虑增大接地网面积对降低地网电阻是十分有效地。从图 3 的变化曲线可以看出，地网面积增大 1 倍时，地电位及接地电阻均减少 30，若采用更低电阻率的土壤部分接地，降阻效果将更加明显，但从实际工程看，个别靠海边电厂外，其它发电厂、变电站很少具备采用增大地网降阻的条件。2.5接地材料数量对地网设计参数的影响对一定的接地网，增加接地材料的数量可降低接地接触电位差，跨步电位差，特别是对跨步电位差效果更明显，见图 4 所示，是水平接地材料数量变化对接触、跨步电位差的影响曲线。主要是因为增加接地材料，特别是增加水平接地体，减小了地网网格间距，地表面的电位分布变得更均匀，网孔中心与接地极间的电位差以及地面 0.8m 间距处两点间的电位差减少所致。无论地电位有多高，通过增加网格密度，均可以解决接触电位差，跨步电位差的问题，例如国外有采用0.6m0.6m 金属网格1做成的操作平台。但接地材料增加过多，虽然可以解决接触电位差、跨步电位差超标的问题，但是是不经济的。合理使用接地材料、降低成本是接地设计必须考虑的。综上所述，通过对电厂、变电站运行的接地网的实际测量以及对新设计地网计算结果看，多数变电站实测的地电位、接触电位差、跨步电位差均超过标准值，个别变电站的地电位是允许值的 10 倍左右，接触电位差也达 67 倍4。从 GW 变电站的计算结果也看出，其地电位更高，为28710V，是 2kV 地电位规定值的 14.3 倍。对于较高地电位的发电厂、变电站，一味地将其降到安全值，会增加工程投资，是不经济的。对土壤电阻率较高地区的发电厂、变电站工程，通常是无法实现的。在这种高电位存在的前提下，如何将地网设计的更安全，是设计工作的难点，也是目前发电厂、变电站接地设计所面对的现实。 3完善地网设计的措施对于采用一定的降阻措施，仍无法将地电位降低到允许值的发电厂、变电站，接地设计的重点应该是处理好地网的均压、隔离问题，特别是对地网中“特殊区域”的设计，才能保证地网的真正安全。3