变电站接地

变电站接地
变电站接地系统设计研究
1 前言
变电站的接地网上连接着全站的高低压电气设备的接地线、低压用电系统接地、电缆屏蔽接地、通信、计算机监控系统设备接地，以及变电站维护检修时的一些临时接地。

接地网有工作（系统）接地、保护接地、防雷电和防静电接地等多项用途，它是维护变电站安全可靠运行，保障运行人员和电气设备安全运行的根本保证和重要措施。

如果接地电阻较大，在发生电力系统接地故障或其他大电流入地时，可能造成地电位异常升高；如果接地网的网格设计不合理，则可能造成接地系统电位分布不均，局部电位超过规定的安全值，这会给出运行人员的安全带来威胁，还可能因反击对低压或二次设备以及电缆绝缘造成损坏，使高压窜入控制保护系统、变电站监控和保护设备会发生误动、拒动，酿成事故，甚至是扩大事故，由此带来巨大的经济损失和社会影响。

如此重要的接地网在变电站建设的总投资中所占的比例，往往不到1%，可以说是微不足道，但绝不可以漠视它，而是要对它给予高度重视。

新建工程要少占或不占良田好土是我国现阶段基本建设的一项
原则，因此，建在高土壤电阻率地区的变电站相当多。

随着设备的发展和技术进步，变电站总平面布置上，充分利用场地，采用紧凑布置，使站区占地又比以前减少了许多；而电力系统的发展扩大，使接地短
路电流越来越大，这些因素给变电站接地设计和施工造成了很多困难。

针对这些情况，如何做好变电站接地设计，使其达到安全运行的要求，是变电站设计所关心和要研究问题之一。

2 接地设计
2.1 设计原则
由于变电站各级电压母线接地故障电流越来越大，在接地设计中要满足电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》中第5.1.1条要求R≤2000/I是非常困难的。

现行标准与原接地规程有一个很明显的区别是对接地电阻值不再规定要达到0.5Ω，而是允许放宽到5Ω，但这不是说一般情况下，接地电阻都可以采用5Ω，接地电阻放宽是有附加条件的，这就是需要满足接地标准第6.2.2条的规定，即：防止转移电位引起的危害，应采取各种隔离措施; 考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，3~10kV避雷器不应动作或动
作后不应损坏; 应采取均压措施，并验算接触电位差和跨步电位差是否满足要求, 施工后还应进行测量和绘制电位分布曲线。

在接地故障电流较大的情况下，为了满足以上几点要求，还是得把接地电阻值尽量减小。

接地电阻的合格值既不是0.5Ω，也不是5Ω，而应根据工程的具体条件，在满足附加条件要求的情况下，不超过5Ω都是合格的。

这就为我们接地设计和施工增加了灵活性，不必为满足0.5Ω的接地电阻值，在工程中花费巨额投资，或者说，接地
网合格的判据不只是看接地电阻值，在接地电阻不满足R≤2000/I时，
还应按附加条件校验。

现行标准虽然放宽了对接地电阻值的规定，但并没有降低对接地网整体性的严格要求，而是对接地网的安全性要求更高更全面了，这就是接地设计必须遵循的原则和对接地网的考核要求。

2.2 接地网型式
2.2.1 220kV及以下变电站地网
接地网的网格布置采用长孔网或方孔网，接地带布置按经验设计，水平接地带间距通常为5m~8m。

除了在避雷针（线）和避雷器需加
强分流处装设垂直接地极外，在地网周边和水平接地带交叉点设置2.5m~3m的垂直接地极，进所大门口设帽檐式均压带，接地网结构是水平地网与垂直接地极相结合的复合式地网。

2.2.2 500kV变电站地网
1) 部分工程仍按220kV变电站同样模式设计地网，因为500kV变电
站占地面积大，把水平接地带间距加大到10 m以上，采用等间距的
网格布置。

并设置有大量的2.5m~3m的垂直接地极，这也是复合式
接地网。

2) 另有一些工程采用不等间距网格布置，2.5m垂直接地极仅仅在避雷针（线）和避雷器引下线接地处设置，大门口设帽檐均压带……，是以水平接地带为主的地网。

不等间距的网格布置尺寸的确定有两种方式：第一种是由计算机计算，输入土壤电阻率和入地故障电流等相关数据计算，计算机可输出地网布置图和电位分布曲线等相关结果；第二种是根据接地标准附录提供的比例关系，参照以往工程经验，尽
量将水平接地带靠近设备，以便缩短设备引下线长度。

2.3 接地网形式优劣分析
2.3.1 长孔与方孔地网
网格布置尺寸按经验确定，没有辅助的计算程序和对计算结果进行分析，设计简单而粗略。

因为接地网边缘部分的导体散流大约是中心部分的3~4倍，因此，地网边缘部分的电场强度比中心部分高，电位梯度较大，整个地网的电位分布不均匀。

接地钢材用量多，经济性差。

在220kV及以下的变电工程中采用长孔网或方孔网，因为入地故障电流相对较小，地网面积不大，缺点不太突出。

而在500kV变电站采用，上述缺点的表现会十分明显，建议500kV变电站不采用长孔或方孔地网。

2.3.2 不等间距地网
水平接地体采用不等间距布置，即地网中部间距大，地网边缘间距小。

根据地网散流的特点，不等间距的网格布置，正好弥补了长孔或方孔地网的缺点，其优越性体现在以下几点：各网孔电势大致相等，各网孔电势与平均值相差不超过5%，最大网孔接触电势比长孔或方孔网低40%以上；与长孔或方孔地网比较，大大减少了电位梯度分布不均匀的危险，提高了地网对人身和设备的安全水平；接地导体散流能力的利用较为充分，节约钢材和相应的施工费可达30%~40%；
入地故障电流密度颁布比较均匀，有利于降低接地电阻；地表面电位颁布均匀，能有效降低接触电势与跨步电势。

3 降低接地网电阻的措施
在工程中采用过的降阻的措施很多，如：利用地质钻孔埋设长接地级、局部换土、使用降阻剂、利用地下水的降阻作用、深井或超深井接地、引外接地、扩大接地网面积、使用低电阻模块以及深孔爆破接地技术和电解离子接地系统等，这些降阻措施的使用条件、降阻效果以及存在的问题，下面将分别作一些简介：
3.1 利用地质钻孔埋设长接地极
根据接地理论分析，接地网边缘设置长接地极能加强边缘接地体的散流效果，可以起到降低接地电阻和稳定地网电位的作用。

如果用打深井来装设长接地极，则施工费很高，如利用地质勘察钻孔埋设长接地极，施工费将大大节省。

但需注意：利用地网边缘的地质钻孔，间距不小于接地极长的两倍；钻孔要伸入地下含水层方可利用，工程中我们曾经进行过实测，未插入到含水层的长接地极降阻效果差。

3.2 局部换土
用换土的方法来降低高土壤电阻率区接地网接地电阻，这是大家公认的有效措施之一。

据了解，贵州铝厂220kV变电站，整个所区换土2m深，另外打有一口200m深的超深接地井，钢管直径100mm，地网实测电阻达到0.2Ω，效果非常好。

这两项措施的施工费相当高，其他工程很少采用。

500kV变电站占地面积大，要对整个所区实施换土，是不可能的。

通常采用局部换土，只对水平接地带和垂直接地极的全部或部分实施换土，我们已在多个工程中应用。

(1)局部水平接地带换土
贵阳变是高土壤电阻率，如对水平接地带实施全部换土，需要低电阻率的田园土1万多方，买土量大，当地特殊的环境条件：石头多，土质少，找不到合适的取土点，故采用部分接地带换土的方式。

220kV 配电装置场地是岩石区，35kV配电装置场地大部分位于填方区，填入了大量的石块和碎石，仅对这两个区域实施换土。

平整场地时，施工单位将地表土也收集起来利用，最后买土不到3000m3，减少了买土和运土费用。

(2)全部水平接地带换土
贵州安顺变土壤电阻率高达2500Ω.m，经计算，在采取电位隔离措施，验算接触电位差和跨步电位差，接地电阻的目标值为1.1Ω。

本所的地质和环境中没有可以综合利用的条件，要达到接地电阻的目标值困难很大，采用的降阻措施是对全部水平接地带换土。

换土量约1万多方田园土，取土点的土壤电阻率为50Ω.m，在全所接地尚未完工时测过一次接地电阻，约为1Ω，已达到了目标值，接地施工完成后，进行了最后测量，测量值小于0.8Ω.m，这是水平接地带换土成功应用的范例。

3.3 使用降阻剂
在高土壤电阻率区的接地网施工中使用降阻剂，无论是变电还是发电工程例子都很多。

20世纪的70年代到80年代，使用较多的是膨润土降阻剂和碳基类降阻剂。

据了解，多个使用降阻剂的工程，接地完工后测量接地电阻情况都不错，但由于缺乏长期的跟踪监测，对
降阻剂性能的长效性和对接地极材料的腐蚀性的信息返回少。

确实也有质量差的降阻剂，降阻效果不能持久，对接地网造成腐蚀，引起各地对降阻剂使用意见分岐。

3.4 利用地下水的降阻作用
利用站区地下水和地下含水层来降低接地电阻是非常经济有效的措施。

下面是贵阳变工程的两个实例：
实例一：在站区西侧35kV配电装置场地边，有一个泉水坑，为了充分利用地下水的降阻作用，回填土前，在坑底作了一个大约20m2的小地网，距平场后的地面约3m，由于回填土不够密实，第一次测小地网的接地电阻约3Ω，但第4次测量时，已有40多天没有下雨了，测得的接地电阻值降到1.4Ω，效果很好。

实例二：500kV并联电抗器基础施工时，基础开挖形成一个稀泥塘，深度2m多，在下方也作了一个小地网，面积约20m2，第一次测量为2.4Ω，第三次测量时降到了1.4Ω，效果也很好。

220kV配电装置场地接地网施工，在铺设了三分之二还未与其他部分的地网连接时，测量接地电阻，阻值约为3.3Ω。

也就是说，1000m2的地网电阻比20m2的小地网电阻还大。

由此可见，两个小地网利用了地下水的降阻作用，收到了良好的效果。

3.5 深井接地
采用深井或超深井（井深超过100m）接地来降低接地电阻，在西南地区虽然有多个工程，但每口井的施工费超过5万元，而且，效果的可预见性差，应用并不普遍。

有一个变电工程一期完工时接地电
阻测量值为0.58Ω，接触电位差和跨步电位差计算结果均能满足标准要求，同时也作好了电位的安全隔离措施。

工程投运后，建设单位为了进一步提高接地网的安全性，在所区西侧的围墙附近打了两口超深井，由于没有打到含水层，也就未达到预想的效果。

云南宝峰变，土壤电阻率高达1600Ω.m，站区地质和环境，没有降阻的自然条件可利用。

采用的降阻措施是在站区四角打超深井，深井超过100m，地下有含水层，降阻效果相当不错，联网后的接地电阻小于0.5Ω。

据调查，贵州地区的水电站工程中采用深井接地有4个工程，井深
40m~70m，完工后实测接地电阻都不超过0.5Ω，最小的为0.125Ω；川西地区有多个110kV变电站，接地电阻不满足要求，采用60m~135m 深井或超深井接地，国为地下有含水层，接地电阻降到了0.5Ω以下，由此可见，在地下有含水层时，深井或超深井接地，是十分有效的降阻措施。

在实施之前，应进行地质勘察，同时，要与其他措施作技术经济比较，特别要避免打井无效造成的浪费。

3.6 引外接地
当变电站附近有低土壤电阻率区（水塘、水田、水洼地……），可以敷设辅助接地网与所内主接地网连接，这种方式叫引外接地。

这也是降低接地电阻的有效措施。

福建红山220kV变电站，站址位于花岗岩石的山坡上，220kV设备为GIS，站区占地面积小，接地十分困难，好在站区山下有水田，铺设了辅助接地网与所内主网相连，施工完成后测量接地电阻未超过0.5Ω，这是采用引外接地的一个成功范例。

据了解，引外接地在国内应用比较多，有的变电站占地面积小，
即使站区土壤电阻率不高，接地电阻也难以满足要求，于是就将接地网延伸到站区附近的水塘边、小河边、绿化带、水田边……引外接地需注意：距离不能太远，接地体要深埋，要作好安全保护措施，防止因跨步电位差引起人员和牲畜的触电事故发生，必须保证引外接地的安全性。

3.7 扩大接地网面积
我们知道，在均匀分布的土壤电阻率条件下，接地电阻与接地网面积的平方成反比，接地网面积增大，则接地电阻减小，因此，利用扩大接地网面积来降低接地电阻是可能预见的有效降阻措施。

中南地区凤凰山变是利用这种措施的一个范例，但是具有这种条件的工程是不多的。

4 相关问题的讨论
4.1 接地网材料和寿命
接地网寿命与接地网材料和土壤的腐蚀性有关，下面将分别予以讨论：
(1)接地网材质
长期以来，我国接地网材料主要是用钢材，因为我国的铜产量少。

在选择接地导体时，一要考虑材质，用钢材或是用铜材；二是计算导体的截面尺寸。

欧美和日本都是用铜材，为了提高地网的安全可靠性，我国经济发达的上海，在2002年就开始推荐地网采用铜材。

铜材的性能比钢材好：导电率高、热容量大、耐腐蚀性强，铜是无磁性材料，
电感小。

从耐受短路电流能力比较用材量，钢材为铜材的3倍；从接地阻抗比较用材量，则钢材为铜材的8倍，铜地网的接地电阻和地电位差比钢地网小。

铜材的性能虽然好，但其价格却较昂贵，差不多是钢材的7~8倍，接地网综合造价约相差2~3倍。

因此土质腐蚀性强的地方可考虑采用铜地网，建议研制比铜材便宜的铜包钢材料供工程中选用。

但是，在酸性土壤地区，建议不使用铜材，可考虑采取其他防腐措施。

(2)土壤腐蚀性
埋在地中的钢材，常因土壤的腐蚀作用而使截面变小，接触电阻增大，电气性能变坏，接地电阻增高，安全可靠性降低。

因地网腐蚀或发生断裂而引起的事故时有发生，每次事故造成的经济损失都在几百万元甚至是数千万元。

为了安全运行，每年都有变电站的接地网进行改造，由于要保证变电设备的正常运行，地网改造，不但施工困难很多，投资也很大。

所以，新建工程我们对地网设计，必须足够重视。

按动热稳定要求计算接地导体截面尺寸时，应考虑材料腐蚀，对腐蚀强的土壤要特别注意。

腐蚀与接地体的埋设深度有关，增加地网的埋设深度腐蚀性将减弱，但施工费用又会相应增加。

特别说明，铜接地网与变电站混凝土基础内的钢筋、地下的钢管和钢构件会产生电腐蚀，需要采用比较昂贵的阴极保护措施，否则会产生相互关联的事故。

要考虑金属腐蚀，就需要知道金属的年腐蚀率，由于各地土壤情况差别较大，年腐蚀率是一个无法准确给出出定值的参数，各工程应按勘测情况确定。

一般来说，土壤电阻率越低，年腐蚀率越大，高土
壤电阻率的土壤对金属的腐蚀相对较慢。

(3)接地网寿命
变电站的电气设备寿命一般按30年要求，考虑到接地网埋入地中更换相当困难。

接地网的使用年限不能低于电气设备的寿命，建议按40~50年考虑。

也就是说，地面上的设备即便是更换了，地网仍是安全可靠的，可以继续运行。

因此，在选择接地网导体截面时，应按热稳定需要的最小截面再加上30年以上的腐蚀截面。

4.2 入地故障电流
电网中发生接地短路故障时的短路电流可以分成两部分：一部分是经架空线路的避雷线（地线）回流至电源；另一部分是经变电站接地网和大地回流到电源。

前者为架空地线的分流电流，后者即是入地故障电流，它是计算地电位、接触电位差、跨步电位差，以及计算接地网导体截面尺寸的重要参数。

我们希望架空地线分流越多越好，这样入地故障电流就小了。

入地故障电流减小，则地电位就会降低，接触电位差和跨步电位差也相应降低。

由此可见，避雷线的分流
系数越大越好。

影响分流系数的因素有以下几个：
1) 出线回路数。

出线回路多，分流系数成比例地增加；
2) 出线杆塔的接地电阻。

随着杆塔接地电阻增加，分流系数逐渐减小，对于高土壤电阻率地区，杆塔接地电阻达到20Ω时，分流系数趋于稳定：
3) 变电站接地网电阻。

随着地网接地电阻的增加，分流系数随之增大，即经接地网和大地流回电源的电流随之减少；
4) 避雷线参数。

避雷线的导电性对分流系数的影响很大，导电
性能越好（加大截面，采用良导体地线），分流系数越大，反之，分
流系数越小。

当避雷线对地绝缘时（采用绝缘地线），无分流能力，
分流系数为零。

因此，当变电站地网接地电阻偏大时，各级电压架空出线的避雷线不应采用绝缘方式，同时建议接地电阻偏大的变电站，其架空出线的避雷线在距变电站2~3km范围内各基杆塔均应接地，
距离电站最近的几基杆塔，应采取措施将杆塔的接地电阻尽量降低，以便增加分流电流，这一点值得注意，变电设计与线路设计时应相互配合协调解决。

4.3 接触电位差和跨步电位差允许值
接触电位差和跨步电位差的允许值可以按电力行业标准中的公
式计算，决定计算值大小的是下面两个参数取值。

1) 站立处的地表面土壤电阻率。

为提高接触电位差的允许值，
有时需要在设备和构（支）架周围铺设砾石或碎石，以提高人脚站立处地表面的ρ值，取值以不超过2500Ω.m为宜。

以此为条件计算的接触电位差允许值应作为限制值，地网的实际接触电位差不应超过限值，否则，将影响人身安全。

工程投运后出现的两种情况值得重视：基一是碎石小道缺少维护，混入了泥土，长出了杂草，没有进行清理；其二是碎石小道被拆除，取而代之的是草坪。

这必将导致接触电位差和跨步电位差允许值的降低，尤其是雨季和潮湿季节，从保证运行人员安全考虑，这种现象很值得商榷，环境美化必须在保障安全的条件下实施，这一点应充分认
识。

2) 接地（故障）电流持续时间。

它是计算接触电位差和跨步电位差的参数，它有别于接地装置的热稳定校验计算用短路等效持续时间，而标准中又没有给出定量规定。

时间取值短，容易满足要求，时间取值长，则偏于保守，有时会增加接地网的处理措施费。

鉴于长期以来，我们尚未见到大接地短路电流系统中，有关接触电位差和跨步电位差使人产生触电伤亡的报道，事实上各种最不利情况同时出现的几率本来就很小，我们没有必要过于保守，那样反而给接地设计和施工带来困难。

建议接地电流持续时间取继电保护主保护动作时间为计算条件。

4.4 垂直接地极与深井接地
由垂直接地体降阻作用的理论分析可知，即使在接地网下密密麻麻的设置很多垂直接地体，形成一块以垂直接地体为厚度的一块大铁板，由于铁板厚度与其等效半径相比小得多，其降阻作用很小。

如：在100×100（m2）和200×200(m2)地网中密集打入3m长的垂直接地极，前者降阻率不超过4%，后者不超过2%，如果采用深井接地，垂直接地极长度取50m，则降阻率可以达到22%。

因此，变电站的接地装置，应以水平地网为主，若想以增加短垂直接地极来降低接地电阻，从性能价格比来看，很不划算，既浪费钢材又增加施工费，这种方式不可取。

要想用垂直接地极降阻，就应采用深井接地极，实施要点和优点如下：
（1）一般来说，采用深井接地，井深要达到或超过接地网面积
的等效半径。

为了避免相互之间的屏蔽作用，接地井的间距不应小于井深的两倍，否则，降阻效果将受到影响；
（2）用深井和超深井接地时，要事前调查站区和附近的土壤地质情况，了解地下深层地质结构，特别是要查明地中土壤电阻率变化情况。

如地下有低土壤电阻率岩土层或含水层，则具备深井接地的条件；若地下土壤电阻率比地表高，就不应采用深井接地；
（3）深层的土壤电阻率不受气候、季节影响，数值稳定。

因此，接地电阻值也不会随气候、季节变化，这是深井接地最大的优点。

4.5 降阻剂的使用
早在20世纪的60年代，已经开始使用降阻剂，到20世纪80年代，各地出现了很多降阻剂生产厂。

起初只是在一些小面积地网中（线路杆塔接地、微波站接地、建筑物接地……）使用较多，后来一些变电站接地网也开始使用了。

由于降阻剂的质量问题：降阻效果不能长久，对接地钢材有腐蚀性，促使20世纪70年代中期以后，生产厂家开始了提高和改进性能的研究，然而，生产的降阻剂产品并没有达到较为理想的性能，工程中使用以后，仍然暴露出一些问题，使降阻剂应用受阻，变电工程中使用降阻剂的已经很少。

理想化的降阻剂应具备的性能是：降阻效果好，对接地体无腐蚀或腐蚀性小，有效使用年限长（长效性），无毒不污染环境（不影响地下水源），施工操作简便。

目前对降阻剂应用研究的意见不完全一致，有肯定的，也有否定的，鉴于其安全性和长效性难于保证，对大中型地网的降阻效果小。

因此，建议变电站不要使用降阻剂作为主要
的降阻措施。

4.6 深孔爆破接地技术
爆破接地技术是近期科研成果，它值得在具备条件的地区应用和推广。

具体施工方法是：采用钻孔机在地中垂直钻一定直径、一定深度的孔，孔深一般在30m~120m。

在钻孔中插入接地电极，然后沿孔的整个深度，隔一定的距离，放置定量的炸药，实施爆破，将岩石爆裂，爆松，然后将调成浆糊状的低电阻材料，用压力机压入深孔中和爆破制裂产生的缝隙中，从而达到通过低电阻率材料将地下大范围的岩石内部构通，加强接地极与岩土的接触，达到较大辐度降低接地电阻的目的。

为了验证爆破技术的效果，通过试验现场开挖，发现填充的低电阻材料呈树状分布在爆破制裂产生的缝隙中，延伸很远，最远的达40m，这就达到了利用地下电阻率较低的岩土层或含水层，贯通岩石中的固有裂缝，改善土壤的散流能力，相当于在大范围内将高电阻率的岩土，置换为广泛分布低电阻率材料通道的岩土，从而使接地电阻降低。

爆破接地技术技术已经在我国北方的发变电工程中应用，需注意的是，由于不同地质条件下爆破裂缝的等效计算半径不一样，不同地区应用此项技术时，需进行一些试验，了解本地区的地质特点以及用药量，摸清爆破制裂的规律，使此项技术充分发挥作用。

4.7 电位隔离措施
根据现行接地标准，放宽对接地电阻值要求的附加条件之一是采取电位隔离措施，防止电位转移，即防止变电站内在接地短路时的高。